基于無線傳感器網絡的溫室控制系統的設計

王 鐘，張盛龍，房安康，肖伶俐，楊 靖

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽 550025)

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基于無線傳感器網絡的溫室控制系統的設計

王 鐘，張盛龍，房安康，肖伶俐，楊 靖*

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽 550025)

針對溫室環境監控的需要，設計了一種用MSP430作為控制終端的溫室控制系統。該系統通過傳感器采集信息，然后以無線傳送方式將信息發送至主控制器上和上位機。初步測試表明，該系統具有部署方便、可擴展性好等優點，適合在溫室環境監控中使用。

MSP430；溫室控制；傳感器；無線網絡；上位機監控

隨著社會的發展，農民對于生產效率的要求在逐步提高。大棚作物作為農業生產的主要形式，對溫室大棚進行高效的管理，就成了提高作物生產效率的主要因素。有效的溫室大棚管理，能防止因為水分、溫度、二氧化碳的不足而引起作物得不到充分的生長，導致經濟效益降低。傳統的溫室大棚多采用人工方式讀取溫室內部的環境參數，從而做出相應的控制，控制精度不高。隨著物聯網的技術的發展，實現對溫室大棚進行智能化管控成為了可能。通過傳感器技術、短距離無線通信技術等完成從傳感器接收信號到主控制器顯示和上位機監控的功能。為滿足溫室環境的需要，筆者設計了一種基于無線傳感器網絡的溫室控制系統。在該系統中，采用低功耗且功能強大的MSP430微處理器作為控制器，底層的無線傳感器節點在部署后通過自組織方式構建網絡，并進行數據傳送。在主控制器上進行顯示和實現控制功能，比如打開風機、打開電磁閥、打開補光措施等，并將這些信息發送到上位機。上位機通過使用SQL數據庫對網絡中的數據進行，供進一步的處理和分析。系統中節點間通過短距離無線方式通信，沒有布線的困擾，且節點部署靈活，對多個溫室大棚進行監控時，具有較好的可擴展性。

1 系統組成

整個系統由傳感器網絡、主控制器、上位機等組成，系統結構框圖見圖1。

通過分布式傳感器網絡對溫室的土壤溫濕度、室內溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度等信息進行采集，然后將這些信息以數據幀的形式發送到主控制器，由主控制器對數據進行分析預處理，通過控制補光系統、溫控系統等底層控制器對整個溫室的環境參數進行宏觀調控，使溫室系統達到適合植物生長的水平。上位機將這些數據記錄到數據庫供用戶參考。

2 系統硬件組成

系統由若干個底層傳感器節點、主控制器、控制裝置、上位機組成。一個MSP430連接1～2個傳感器，通過nRF905對數據進行無線通訊。

2.1 傳感器節點的設計傳感器節點的主要任務是對溫室的數據參數進行采集和發送，其結構如圖2所示。

在無線傳感器的設計中，用到的無線射頻裝置是nRF905。它擁有433MHZ開放ISM頻段免許可證使用，最高工作速率可達50 kpbs，抗干擾能力強，使用于多種場合，并且含有125個頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要，內置硬件CRC 檢錯和點對多點通信地址控制，低功耗1.9～3.6 V 工作，待機模式下狀態僅為2.5 uA，收發模式切換時間小于650 us，模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數據，軟件編程非常方便[2]。nRF905有2種活動模式：ShockBurst RX 和ShockBurst TX。2種節電模式：掉電和SPI編程以及STANDBY和SPI編程。

2.2 主控制器與控制裝置的設計主控制器在整個溫室中起到了顯示功能、傳輸數據功能、對控制裝置的控制功能，是整個溫室智能化的核心之所在。

2.2.1主控制器的設計。主控制器放置在溫室的側面，專門對溫室的各項參數指標進行顯示，方便用戶觀察和檢查溫室狀況。同時主控制器在傳感器網絡中還有基站節點的作用，通過基站節點向底層傳感器網絡發組網廣播幀使得整個傳感器網絡實現自組織成網的功能，然后接收來自底層網絡所發送的數據，對數據進行顯示分析。具體設計思路如圖3所示。

2.2.2控制裝置的設計。控制裝置主要有自動給水系統、補光系統、溫控系統。主控制器從傳感器網絡中接收到關于溫室各個部分的詳細參數，并對這些數據進行分析和處理，然后給相關的控制裝置發出命令，通過控制裝置的動作，改變整個溫室的環境，從而使得溫室內的參數在一個給定的范圍內波動。

2.2.3主控制器和控制裝置的布置。主控制器是一個為用戶提供溫室信息，使用戶不用進入溫室就能查看到溫室內的各種參數的器件，所以在布置的時候可以將主控制器放置在溫室大棚的側面。而相應的控制裝置，則通過其不同的作用和占地面積來進行調整。一般情況下，可以將補光系統和溫控系統放置在大棚的頂部，而自動給水系統均勻的放置于溫室內部的土壤里。在該研究設計中，自動給水系統采用的主要元器件是電磁閥和花灑噴頭。

3 系統軟件設計

通過對nRF905傳輸距離進行實驗，得到的結論之一就是在有障礙物的前提下，nRF905的傳輸距離為30 m。這個距離完全能適應傳感器節點在溫室大棚之間的數據傳輸和交換。在傳感器網絡中，系統采用了星型拓撲結構，通過主控制器(基站節點)來收集整個溫室的全部數據。整個通訊系統是通過廣播幀的收發來實現自組織成網[3]。每一個節點的程序都運行著同樣的程序，用戶在向系統添加節點的時候，只需要將節點放入網絡中，節點就可以在整個系統中工作。

3.1.1nRF905收發數據。MCU通過SPI對nRF905進行控制，使其發送數據和讀取數據。

通過SpiWrite 函數發送WTP命令，準備寫入TX有效數據，然后循環調用SpiWrite向TX-Payload寄存器寫入TX有效數據(中間夾有CSN電平變化)，延時一段時間過后，通過SpiWrite函數發送WTA命令，準備寫入TX地址，循環調用SpiWrite向TX-Address寄存器寫入TX地址，關閉SPI并進入發送模式，發送數據。

在進行數據接收時，必須將TRX_CE引腳置低，使nRF905進入standby模式，然后向nRF905發送RRP指令，準備寫入RX有效數據，通過循環調用SpiRead函數，來讀取接收到的數據。當DR和AM引腳復位為低電平(中間夾有CSN電平變化)，數據包接收完成。

3.1.2主控制器程序設計。當數據發送到主控制器的時候，主控制器通過對幀的定義原則來對數據進行提取和處理。

通過向節點發送廣播幀，節點通過所到廣播幀對自己上一跳節點做出應答，并形成一個路由表，用來記錄節點信息，當應答幀發送到基站節點(主控制器)時，就說明整個傳感器網絡已經組網成功。

廣播幀只在節點和主控制器上電的時候才發送，其他時候，節點發送的信息以及主控制器所接收到的信息為傳感器所接收的信息。不管接收到的信息是否超過范圍，主控制器都會將數據顯示出來，供用戶檢查，如果超過范圍則執行控制裝置對溫室進行調控。同時將信息發送到上位機，供用戶遠程監控。主控制器信息處理流程見圖4。

3.1.3系統綜合測試。在綜合實驗測試中，使用了6個節點，傳感器節點如圖5所示。通過采集數據，并將數據發送給主控制器，主控制器將數據顯示出來，如圖6所示。

4 結語

介紹了一種基于無線傳感器網絡的智能溫室系統的設計方案。從硬件和軟件兩方面介紹了整個系統，在實驗室條件下對系統進行檢驗，測試整個系統的穩定性，并搭建一個附有溫室功能的模型對整個系統進行實現。通過實驗測試和調試，結果顯示，該研究設計的基于無線傳感器網絡的溫室控制系統可以應用于智能溫室。

[1] 高章飛，朱善安.基于MSP430和nRF905的多點無線通訊模塊[J].電子器件，2006(9)：265-267.

[2] Product_Specification_nRF905_v1.5[EB/OL].(2008-04)http：//www.nordicsemi.com/eng/nordic/download_resource/8075/1/37743305.

[3] 趙明，徐科軍，倪偉.一種無線傳感器網絡節點設計和通信協議研究[J].儀器儀表學報，2005(8)：630-632.

Design of Greenhouse Control System Based on Wireless Sensor Network

WANG Zhong, ZHANG Sheng-long, FANG An-kang, YANG Jing*et al

(Electrical Engineering College, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025)

Aiming at the demand of monitoring greenhouse environment, a monitoring system for greenhouse is designed. The system used the MSP430 as the controller for the terminal unit. The system can gather the information from greenhouse environment by the sensors. Then, the information is transmitted to the main controller and the host computer. Preliminary experimentations showed that the system met the application requirements of greenhouse monitoring excellently and has a flexible structure and low cost.

MSP430; Greenhouse control; Sensor; Wireless sensor network; Host computer supervision

大學生國家創新

[貴大(國)創字2014(012)]；貴州省工業攻關項目(黔科合GY字[2013]3061號)；貴州省農業攻關項目(黔科合NY字[2011]3108)；貴州省人才培養項目(黔科合人字[2013]11號)；貴州省科學技術基金(黔科合J字[2013]2117號)。

王鐘(1992-)，男，貴州赤水人，本科生，專業：自動化。*通訊作者，教授，博士，從事無線傳感器網絡及應用研究。

2015-02-02

S 126

A

0517-6611(2015)09-374-03