基于WSN和GPRS 遠(yuǎn)程溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

俞昌忠，陳躍東

（安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蕪湖241000）

0 引言

近年來(lái)，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來(lái)極大的便利，得到了迅速的推廣和應(yīng)用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2質(zhì)量濃度等環(huán)境因子對(duì)作物的生長(zhǎng)有很大的影響。因此，對(duì)溫室大棚環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)是非常必要的。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是在溫室大棚中布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)RS－485總線的方式把傳感器采集到的信息傳輸?shù)焦I(yè)控制計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理分析[1]，這種監(jiān)測(cè)方法需要在溫室大棚中鋪設(shè)通信線路來(lái)傳遞監(jiān)測(cè)信息。但通過(guò)這種方法給現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)帶來(lái)了不便，一旦通信電纜發(fā)生故障，可能會(huì)造成整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的癱瘓，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為溫室大棚的環(huán)境信息監(jiān)測(cè)提供了新的途徑，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)信息監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的研究熱點(diǎn)[2]。移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)信息與互聯(lián)網(wǎng)（Internet）“最后1km”的無(wú)縫連接，為遠(yuǎn)程信息的獲取、傳輸與交換提供了有效的途徑，其中GPRS技術(shù)因其具有“傳輸質(zhì)量高”、“永遠(yuǎn)在線”和“通信費(fèi)用低”等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛[3－4]。

本文提出一種基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器對(duì)作物生長(zhǎng)的環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)ZigBee和GPRS無(wú)線技術(shù)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，具有低功耗和低成本等特點(diǎn)。因此，此方案將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)以及嵌入式技術(shù)相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在大棚監(jiān)測(cè)區(qū)域布置了若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和在臨近大棚的位置布置1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集大棚內(nèi)的環(huán)境信息，通過(guò)路由協(xié)議將數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入Internet并和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器建立通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器；服務(wù)器負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理、對(duì)客戶端提供Web瀏覽服務(wù)，客戶端通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和管理操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)主要完成本地信息數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)發(fā)和處理其他節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的信息數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，同時(shí)管理節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)硬件主要由微處理器模塊、傳感器模塊（溫度濕度、光照強(qiáng)度、CO2質(zhì)量濃度及通用模擬數(shù)字傳感器接口）、無(wú)線通信模塊、能量供應(yīng)及管理模塊等組成，其硬件框圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2.1.1 微處理器

微處理器采用TI公司的MSP430系列單片機(jī)中的MSP430F1611型號(hào)，它是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，具有以下特點(diǎn)：（1）低電壓、超低功耗。其工作電壓為1.8～3.6V，在1MHz的時(shí)鐘頻率下，耗電電流為0.1～400μA，具有16個(gè)中斷源，可將CPU置于省電模式，用中斷請(qǐng)求喚醒CPU，喚醒時(shí)間只需6μs。針對(duì)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量消耗的問(wèn)題，采用這款微處理器可以使功耗得到有效的降低。（2）強(qiáng)大的處理能力。具有16位RISC結(jié)構(gòu)、大量的寄存器及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、高效的查表處理方法和較高的處理速度。（3）豐富的片上資源。包括12位的ADC和DAC、看門狗、2個(gè)16位定時(shí)器串行通信接口（USART／SPI）等。

2.1.2 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊是一個(gè)射頻集成電路模塊，作為ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的物理層射頻前端實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。該模塊選用Chipcon公司的CC2420射頻芯片作為無(wú)線收發(fā)單元，和主電路板預(yù)留的I／O口連接。該款芯片可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，對(duì)于短距離通信具有性能穩(wěn)定和超低功耗的特點(diǎn)，特別適合于電池長(zhǎng)期供電的場(chǎng)合[5]。

2.1.3 傳感器模塊

傳感器模塊是構(gòu)成本系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，由它來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集。主要包括大棚內(nèi)空氣的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2質(zhì)量濃度，其中溫度濕度傳感器選用Sensirion公司的SHT11型智能化濕度／溫度傳感器，它不僅能準(zhǔn)確測(cè)量相對(duì)濕度，還能測(cè)量溫度；光照強(qiáng)度傳感器選用TI公司的TSL230B智能傳感器，它可直接對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，其靈敏度、分頻輸出可由程序控制，特別適用于頻率計(jì)數(shù)器、脈沖累加器及高速定時(shí)器；CO2質(zhì)量濃度傳感器選用ETC公司的MG811，它對(duì)CO2具有良好的靈敏度和選擇性、受溫濕度變化的影響較小、良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性等特點(diǎn)。

2.1.4 電源供應(yīng)及管理模塊

為了降低電源轉(zhuǎn)換帶來(lái)的損耗，獲取純凈的電源，本模塊采用電池直接供電設(shè)計(jì)，選用高效的電源芯片和管理芯片進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換獲得穩(wěn)定的輸出，同時(shí)能夠?qū)γ恳宦冯娫聪倪M(jìn)行監(jiān)控。

由于系統(tǒng)射頻部分對(duì)電源要求比較高，選用成本低、封裝小、外圍器件小及噪聲小的低壓差輸出電源即線性電源（LDO）TPS780330220，輸出3.3V／150mA為系統(tǒng)供電，可以使待機(jī)功耗為原來(lái)的1／2。它具有超低的輸出電壓噪聲（小于50μmA）和極高的信噪比，非常適合對(duì)噪聲較敏感的射頻電路。電源控制單元采用TPS2044控制芯片，分別為不同傳感器供電，當(dāng)不使用該傳感器接口時(shí)，直接關(guān)閉其供電電源，以降低功耗。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中起著關(guān)鍵作用，它負(fù)責(zé)組網(wǎng)、路由維護(hù)、數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)定位等重要任務(wù)。硬件部分主要包括中央處理器、存儲(chǔ)器模塊、通信模塊和外擴(kuò)接口模塊，其硬件框圖如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中央處理器選用三星公司的16／32位RISC處理器S3C2410A，該芯片采用ARM920T內(nèi)核，具有低功耗、高性能和全靜態(tài)設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，并且集成了豐富的系統(tǒng)外圍設(shè)備。選用2MB的NOR FLASH（SST39VF1601）、64MB的NAND FLASH（K9F1208U0M－YCB0）和64MB的 SDRAM（HY57V561620）組成系統(tǒng)存儲(chǔ)器模塊。GPRS無(wú)線收發(fā)模塊選用由德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一款工業(yè)級(jí)的GPRS無(wú)線模塊MC35，它可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸、短信、傳真等功能，支持AT命令和TCP／IP協(xié)議，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段模式，通過(guò)芯片MAX232電平轉(zhuǎn)換后與S3C2410A相連[6]。

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

通信協(xié)議設(shè)計(jì)是基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制隨著網(wǎng)絡(luò)類型的改變而有所不同。ZigBee協(xié)議定義了3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星型結(jié)構(gòu)、簇樹(shù)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中定義了3種不同功能的設(shè)備，分別是協(xié)調(diào)器（即網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）、路由設(shè)備和終端設(shè)備。本設(shè)計(jì)根據(jù)溫室大棚的具體情況，采用了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。這種網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更加靈活的信息路由規(guī)則，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，一旦一條路由路徑出現(xiàn)問(wèn)題，信息可自動(dòng)地尋求其他最優(yōu)化路徑進(jìn)行傳輸，使得信息更有效率地傳輸[7]。

圖4 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)）是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要功能是接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的采集命令后，對(duì)接入的不同傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其中路由節(jié)點(diǎn)還具有數(shù)據(jù)路由中繼的功能。軟件流程如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程

3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）是一個(gè)帶有GPRS無(wú)線通信接口的設(shè)備，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力較強(qiáng)，不僅負(fù)責(zé)組建和維護(hù)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還負(fù)責(zé)連接外網(wǎng)、向監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。軟件流程如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件流程

3.4 監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器軟件的設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)中心采用B／S（Brower／Server）體系結(jié)構(gòu)，主要事務(wù)（包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、提取和處理等）在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，用戶操作通過(guò)客戶端 Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)[8]。用戶在擁有權(quán)限后通過(guò) Web瀏覽器登錄訪問(wèn)服務(wù)器，查詢和下載數(shù)據(jù)。該結(jié)構(gòu)不僅有利于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，還使得用戶不受地域的限制，面向所有具有訪問(wèn)服務(wù)器權(quán)限的Internet用戶都可查詢和下載數(shù)據(jù)信息。服務(wù)器主要由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和Web服務(wù)器構(gòu)成，兩者設(shè)計(jì)在一臺(tái)主機(jī)上。

數(shù)據(jù)庫(kù)采用MS SQL Server 2000設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)提供易于維護(hù)、穩(wěn)定的支持。大棚環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)包含了一系列數(shù)據(jù)表Info和采集系統(tǒng)參數(shù)表param，其中Info數(shù)據(jù)表包括各種傳感器采集的數(shù)據(jù)和時(shí)間，采集系統(tǒng)參數(shù)表param包括正在運(yùn)行的傳感器數(shù)量、組數(shù)和各傳感器的數(shù)據(jù)采樣間隔等。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模塊和Web應(yīng)用程序服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊都以大棚環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)為中心，為Internet用戶提供數(shù)據(jù)查詢及相關(guān)服務(wù)。

Web服務(wù)器由Visual CJHJ語(yǔ)言編寫(xiě)，采用ASP.NET（動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁(yè)面）技術(shù)搭建Web應(yīng)用程序框架。其軟件流程如下：（1）用戶登陸，即通過(guò)瀏覽器向網(wǎng)絡(luò)上的Web服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，Web服務(wù)器響應(yīng)瀏覽器的請(qǐng)求，將用戶操作主頁(yè)面返回到瀏覽器；（2）用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢參數(shù)的輸入、采集系統(tǒng)的參數(shù)修改等操作，完成后向Web服務(wù)器發(fā)出提交請(qǐng)求；（3）服務(wù)器對(duì)瀏覽器的數(shù)據(jù)提交請(qǐng)求進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)分析計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)存取、動(dòng)態(tài)頁(yè)面生成等工作；（4）最后Web服務(wù)器將結(jié)果返回到客戶端瀏覽器。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

將上述方案設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，在瀏覽器界面顯示的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。通過(guò)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行正常，能全天候地對(duì)大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2質(zhì)量濃度4個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行采集，用戶可以在任意地方隨時(shí)通過(guò)Internet監(jiān)測(cè)到大棚內(nèi)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化。從圖8監(jiān)測(cè)到的歷史數(shù)據(jù)可以分析出，在這一段時(shí)間內(nèi)大棚內(nèi)環(huán)境條件的變化情況，在上午6：00—8：00之間，溫度處于很低狀態(tài)，光照也只有約3μmol／（s·m2），影響了作物光合作用，導(dǎo)致CO2質(zhì)量濃度和濕度都保持在很高的狀態(tài)。在8：00以后，光照強(qiáng)度和溫度隨著時(shí)間不斷的上升，作物的光合作用也隨之加強(qiáng)，導(dǎo)致CO2質(zhì)量濃度和濕度持續(xù)下降。由此可見(jiàn)，該方案為用戶對(duì)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了一種方便穩(wěn)定的方法。

圖7 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面

圖8 系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)查詢界面

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS無(wú)線通信技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，解決了采用有線方式布置網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的布線和維護(hù)困難等問(wèn)題。同時(shí)利用GPRS無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合Internet網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)在偏僻而分散條件下對(duì)農(nóng)業(yè)信息的采集與監(jiān)測(cè)提供了途徑，具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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