基于igBee的溫室WSN監測系統的設計與實現

彭愛梅 尹玉軍 毛曉英

摘要：無線傳感器網絡因具有低功耗、低維護成本和自組網等特點已逐漸應用于溫室環境信息監測中。利用 igBee 技術設計溫室WSN監測系統，該系統具有穩定可靠、通信效率高、能耗低、監測精度高等特點。試驗結果表明，該溫室WSN監測系統能準確采集溫室環境參數，并可實現保存和查詢歷史數據，有效提高溫室環境種植的科學性、客觀性，從而提高溫室生產水平。

關鍵詞：igBee技術；溫室；WSN監測系統；設計

中圖分類號： TP274；S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0445-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-10-12

基金項目：江蘇省農業三新工程[編號：SX（2011387]。

作者簡介：彭愛梅（1980—，女，江蘇東臺人，碩士，講師，從事無線傳感網絡、電力電子技術等方向的研究。

通信作者：尹玉軍，碩士，講師，從事無線傳感網絡、射頻集成電路設計等方向的研究。E-mail：120328690@qqcom。

隨著無線通信技術、網絡技術的發展，無線傳感網絡（WSN技術已越來越廣泛地應用于工農業生產中。無線傳感器網絡由部署在監測區域內的多個傳感器節點組成，因其具有低功耗、低維護成本和自組網等特點已逐漸應用于溫室環境信息監測，可隨時隨地實現對溫室內溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度等環境因子的采集和無線傳輸[1]。無線傳感網絡是溫室智能控制的最前端，對實現溫室內環境因子信息采集的自動化、信息化、智能化具有重要意義。在短距離的無線控制、監測和數據傳輸領域，igBee技術由于具有傳輸距離短、功耗低、成本低、安全性好和自組網等特點，成為最適合構建低速率WSN的標準之一。本研究基于igBee通信協議，設計了基于igBee技術的溫室無線傳感網絡監測系統，以期實現對溫室環境參數的無線監測。

[WTH]1igBee技術概述

igBee網絡可以工作的頻段為868、915 MHz或 24 GHz，在不同頻段的傳輸速率也不相同，在868 MHz頻段的傳輸速率最高為20 kb/s，在915 MHz頻段的傳輸速率最高為40 kb/s，而在24GHz頻段的傳輸速率最高為250 kb/s，因此igBee是一種低傳輸速率的無線網絡。igBee網絡的傳輸距離比較短，適合近距離傳輸，它的有效傳輸范圍為10～75 m。在igBee無線傳感網絡中，網絡節點最多可以達到65 000個，這些網絡節點之間可以實現直接通信，通信的可靠性比較高。在目前廣泛使用的所有無線通信網絡（如移動通信的GSM和CDMA網絡等中，從功耗、成本、安全等因素考慮，igBee技術都是最低的，正是由于igBee技術具有距離近、功耗低、可靠性高的特點，因此在自動控制、遠程控制等領域有著非常廣泛的應用。隨著互聯網和移動通信網絡的迅速發展和完善，igBee無線傳感網絡已經通過一定的手段或方式實現了與其他網絡的互連和通信[5]。

igBee網絡節點需要依賴一定的無線網絡協議才能進行通信，而傳統的無線通信協議又無法滿足igBee網絡的低成本要求，因而igBee協議應運而生。igBee協議是在IEEE 802154協議[6]的基礎上發展起來的，但是IEEE802154標準定義媒體訪問控制層和物理層，igBee聯盟對IEEE 802154協議進行了補充和擴展，形成了igBee協議。當igBee網絡有了自己的協議標準后，網絡中所有的傳感器之間相互連接實現通信。

在igBee 無線傳感網絡中存在協調器、路由器和終端設備3種邏輯設備類型。通常情況下，協調器只能是1個，而路由器和終端設備可以不止1個。在網絡中，協調器的作用是設置網絡參數，組建網絡，它就是網絡的總控制器；路由器相當于一個中繼器，主要負責設備之間通信的中繼，同時還可以實現網絡范圍的拓展；終端設備是整個igBee網絡的子節點。

igBee無線傳感器網絡有3種常用拓撲結構：星狀結構、串狀結構和網狀結構。對于這3種網絡拓撲結構，連接相對簡單實用的是星狀結構，但是它能夠連接到的網絡節點比較少，在所有的傳感器節點中心布置協調器，網絡連接是通過協調器實現的；串狀結構是通過增加路由器實現網絡連接的，主要采用多跳方式來進行數據的轉發[7]；網狀結構是在所有節點之間進行互連實現網絡連接，每個節點之間都已經實現了連接，所有節點之間可以直接進行信息的傳輸。

2系統組成及原理

由圖1可以看出，溫室監測系統是由網關、傳感器節點、路由器節點、移動通信網（GPRS、3G或4G網絡或互聯網、服務器和監控終端設備等部分組成，其中傳感器節點是按照智能溫室的相關要求和規定在溫室大棚內部進行布置的，通過這些傳感器采集溫室中的溫度、濕度、CO2濃度和光照情況，并將采集到的環境監測信號進行信號處理后傳送給微處理器；路由器節點負責監控現場數據的收集和中轉，并進行傳感器節點和網絡協調器之間的通信；協調器主要完成網絡的建立、管理和控制的功能，同時將相關網絡信息進行保存，并且通過協調器轉發傳感器節點采集的監測數據給網關進行處理，將處理后的數據通過移動通信網絡（如GPRS、3G或4G等轉發給監控中心處理；監控中心主要有數據和通信2種類型的服務器，在系統中數據服務器的作用是保存接收到的監測數據，同時也可以進行數據的管理，通信服務器的作用是通過移動通信網絡（如GPRS、3G或4G等與網關完成數據交換工作。監控終端設備可以通過電腦、手機、iPad等設備訪問服務器，實現數據查詢功能。

[F（W9][TPPAM1tif][F]

3硬件電路設計

31傳感器節點

在igBee網絡中，構成網絡的最基本單元是傳感器節點。在各種不同的系統中采用的傳感器節點也是各有千秋，不盡相同，本系統設計的傳感器節點組成見圖2。可以看出，傳感器節點是由無線通信模塊（如igBee網絡、GPRS模塊、射頻電路等、傳感器模塊（如溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、光照傳感器等、電源模塊、微處理器模塊（MSP430單片機等部分組成，此外還應該有調試模塊和串口通信模塊。

[F（W10][TPPAM2tif][F]

32傳感器模塊

[JP2]傳感器模塊由各種類型的傳感器組成，主要通過各類傳感器完成對溫室內溫度、濕度、光照和CO2濃度等環境參數的采樣和收集，由于微處理器只能處理數字信號，因此傳感器采集到的信號必須進行A/D轉換，也可以選擇帶有A/D轉換電路的數字式傳感器，根據系統需求完成對各類傳感器的選型。

321溫濕度傳感器本系統選用的溫濕度傳感器為SHT15，是瑞士進口的一體式數字式空氣溫濕度傳感器。SHT15具有響應速度快、穩定性好和免標定等優點。SHT15芯片的主要功能是進行溫度感測和濕度感測，同時它還集成了信號變換、加熱器和模數轉換等功能。SHT15性能參數為：（1濕度測量范圍，0～100%相對濕度；（2溫度測量范圍，-400～1238 ℃；（3濕度測量精度，±20%相對濕度；（4溫度測量精度，±03 ℃；（5響應時間，8 s（tau 63%，即濕度傳感器的電參量達到穩態變化量的規定比率63%；（6可完全浸沒。SHT15采用I2C接口與微控制器通信[8]，接口電路如圖3所示。

[F（W13][TPPAM3tif][F]

322CO2濃度傳感器CO2是作物進行光合作用必不可少的原料，必要的時候還可以增施CO2來適當提高生長區域的濃度，從而增加作物產量。CO2濃度的檢測選用英國GSS公司的低功耗型紅外CO2傳感器COIR-A，其功耗僅 35 mW，帶溫度補償、濕度補償功能，并可以感知白天或黑夜的環境狀態；預熱時間僅10 s，內置PCB板的封裝；有量程 0～2 000 mg/L、0～5 000 mg/L、0～1%供選擇；接口的電平類型為TTL，使得其可以實現與CC2430芯片的直接通信。

323光照傳感器系統光照度傳感器為BH1750，它具有精度高、量程大等特點。BH1750是一種用于兩線式串行總線接口的16位數字輸出型光強度傳感器集成電路。該傳感器對400～700 nm波段內的可見光具有極好的靈敏度，而對其他波段的光具有較好的過濾效果。量程為1～65 536 lx，分辨率為1 lx，能滿足溫室中的測量需要，并可根據實際需要調整量程和分辨率，它采用標準I2C接口用于數據通信。

33網關的設計

網關節點在系統中的主要功能是組建網絡，是無線傳感器網絡的協調器，管理無線節點、發送命令和匯聚數據，同時網關還須要將數據傳送給監控中心，目前廣泛采用的網絡是GPRS通信網。通常情況下，網關是通過RS232通信接口與客戶端實現通信的。本系統設計了1個用于無線傳感器網絡和以太網通信的網關，該網關包括控制模塊、電源模塊、存儲模塊、射頻模塊以及其他I/O接口。無線傳感器網絡的協調器可以采用CC2430芯片，用來對無線傳感器網絡的節點進行管理，對數據進行解析后通過RS232串口與異構網絡傳輸模塊通信。CC2430 芯片是 TI 公司生產的一款符合 igBee 技術的 24 GHz 射頻系統單芯片，適用于各種 igBee 技術的網絡節點（包括協調器、路由器和終端設備，CC2430 是一個真正的系統級芯片（SOC系統級解決方案。以太網傳輸模塊采用LPC1114芯片與網口芯片ENC28J60。網關的結構如圖4所示。

[F（W9][TPPAM4tif][F]

由圖4可以看出，協調器節點以CC2430作為主控芯片，集成射頻天線可以與傳感器網絡的終端或者中繼節點通信；協調器節點和LPC1114協議轉換芯片之間以RS232接口通信，而LPC1114可以以SPI接口與網口芯片之間互傳數據，網口芯片通過RJ45接口與服務器之間以直接或者間接方式連接，以Socket協議傳輸數據和命令[9]。

4軟件設計

傳感器信息的采集、無線自組網通信、以太網數據傳輸、信息的遠程網絡發布和管理都需要軟件系統的配合才能實現。軟件設計的目標是實現無線傳感器網絡信息的采集、透明傳輸和遠程訪問。傳感器節點工作流程如圖5所示。

5結論

溫室環境參數的采集對溫室生產至關重要，本研究針對溫室環境參數難以監測的實際情況，根據溫室環境控制要求，提出基于igBee技術設計溫室WSN監測系統。該系統具有穩定可靠、通信效率高、能耗低、監測精度高等特點，試驗結果表明，該溫室WSN監測系統能準確采集溫室環境參數，并可實現保存和查詢歷史數據，從而有效提高溫室環境種植的科學性、客觀性，提高溫室生產水平。

[HS2][HT85H]參考文獻：[HT8SS]

[1][（#]張佐經，張海輝，翟長遠，等 設施農業環境因子無線監測及預警系統設計[J] 農機化研究，2010，32（11：78-82