基于WSN技術(shù)的低功耗大棚關(guān)鍵環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：為了有效監(jiān)控大棚環(huán)境狀況，保證大棚作物健康生長(zhǎng)，提出一種基于WSN技術(shù)的低功耗環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)大棚溫度、濕度、光照、土壤溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能鋰電供電方式，并采用動(dòng)態(tài)電源管理算法，結(jié)合改進(jìn)路由協(xié)議，降低系統(tǒng)功耗，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可有效監(jiān)測(cè)溫室大棚的關(guān)鍵環(huán)境因子參數(shù)，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)；溫室大棚；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；WSN技術(shù)；關(guān)鍵因子

中圖分類(lèi)號(hào)： S126；TP277.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）09-0377-03

收稿日期：2013-12-04

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（13）5066]。

作者簡(jiǎn)介：柳軍（1984—），男，江蘇南京人，碩士研究生，助理研究員，主要從事智能農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究。Tel：（025）84390441；E-mail：nkyliu@163.com。近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及嵌入式計(jì)算等技術(shù)的不斷進(jìn)步推動(dòng)了低成本、低功耗無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）的發(fā)展，促使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今的熱門(mén)研究領(lǐng)域。WSN是在一定范圍內(nèi)部署的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，由這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并將結(jié)果發(fā)送給觀(guān)察者[1]。作為種植花卉、蔬菜的重要場(chǎng)所，溫室大棚能夠顯著增強(qiáng)農(nóng)業(yè)的抗災(zāi)、減災(zāi)、反季節(jié)生產(chǎn)能力。溫室大棚利用WSN無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗、低成本、免許可無(wú)線(xiàn)通信頻段等特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)的有線(xiàn)檢測(cè)方式，避免布線(xiàn)，通過(guò)利用太陽(yáng)能小型鋰電供給系統(tǒng)，在不利于電力線(xiàn)路鋪設(shè)的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)電力供給，并且節(jié)能、環(huán)保[2-3]。隨著數(shù)字化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，低功耗的無(wú)線(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越受到重視。本研究提出了基于WSN技術(shù)的低功耗大棚關(guān)鍵環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用于溫室大棚生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)精確獲得溫室大棚環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于系統(tǒng)掌握植物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律及其與環(huán)境的關(guān)系，維持溫室作物的均衡供應(yīng)具有重要意義。1總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由分布在大棚各處的溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)、主控機(jī)構(gòu)成。整個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)通過(guò)優(yōu)化過(guò)的路由協(xié)議，改進(jìn)算法并采用低功耗動(dòng)態(tài)電源管理方式來(lái)達(dá)到降低全系統(tǒng)電能需求的目的。WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議建立聯(lián)系，形成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)交互命令接口以便通過(guò)主控或者上位機(jī)對(duì)全部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次性參數(shù)配置。傳感器節(jié)點(diǎn)與路由主控星網(wǎng)連接，即時(shí)傳遞采集信息，也可通過(guò)網(wǎng)關(guān)向上位機(jī)傳遞采集信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)大棚環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的延展性。

2硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)主要由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一的硬件結(jié)構(gòu)模塊組合，再通過(guò)不同的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能切換與配置。整體硬件結(jié)構(gòu)模塊如圖1所示。

2.1能量管理硬件模塊

本系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池發(fā)電、鋰電池儲(chǔ)能的供電方式，是低功耗無(wú)線(xiàn)傳感能量供應(yīng)方式的發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，每個(gè)節(jié)點(diǎn)受電池容量限制，節(jié)點(diǎn)通常放置在高溫濕度的惡劣環(huán)境下，使用過(guò)程中如不能及時(shí)給電池充電或更換電池，一旦電池能量耗盡，節(jié)點(diǎn)就會(huì)停止工作。本系統(tǒng)能量管理模塊設(shè)計(jì)之一是通過(guò)提高電源轉(zhuǎn)換效率，盡量減少電池能量消耗，使用升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換芯片MAX1678，該芯片是低噪聲、高效芯片，滿(mǎn)載效率為90%，典型輸出為 3.3 V，可調(diào)輸出為2.0～5.5 V，同時(shí)具有欠壓保護(hù)、報(bào)警功能[4-5]。當(dāng)?shù)竭_(dá)采集指令周期時(shí)，由電源管理模塊對(duì)傳感器電源進(jìn)行供電，閑時(shí)停止對(duì)傳感器模塊、路由模塊的供電，避免浪費(fèi)電源（圖2）。

2.2無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)路由的硬件模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)用于選擇通信信道、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示符，啟動(dòng)時(shí)建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)聯(lián)系，允許其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)允許多跳路由。

2.2.1主控MCU選擇主控MCU對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性要求很高，由于采用電池供電，因此對(duì)功耗的要求也很苛刻。數(shù)據(jù)處理單元的微控制器主要側(cè)重于多項(xiàng)功能的開(kāi)發(fā)，選擇時(shí)主要從功能、抗干擾、功耗、速度等幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。C8051F930是 Silicon Labs公司推出的高性能、低功耗9系列單片機(jī)中的一款。該系列單片機(jī)具有集成度高、速度快、混合模擬信號(hào)處理、低壓低功耗及兼容8051 指令集等特點(diǎn)，是儀表、手持設(shè)備主控制器的理想選擇。

2.2.2Si4432射頻控制接口Si4432 與主機(jī) MCU 之間的通信是通過(guò) SPI 總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的，主要涉及 SCLK、SDI、SDO、nSEL 4個(gè)引腳[6-7]。Si4432中 SCLK 串行時(shí)鐘信號(hào)的速率可靈活設(shè)定，最大可達(dá) 10 MHz。Si4432 主要存在于SHUTDOWN、IDLE、TX、RX 4種狀態(tài)中（表1），在 SHUTDOWN狀態(tài)下功耗最低。主控MCU有5種不同的 IDLE模式，主控可以根據(jù)不同的應(yīng)用靈活選擇。這些狀態(tài)或模式可以通過(guò)操作模式、功能控制寄存器 07H設(shè)定。通過(guò)在寄存器 07H 中設(shè)定 txon/rxon 控制位可以從 IDLE 狀態(tài)中的任意模式自動(dòng)轉(zhuǎn)移到 TX/RX 狀態(tài)。通過(guò)主控對(duì)不同模式/狀態(tài)下靈活轉(zhuǎn)換，基于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)判斷調(diào)節(jié)所處狀態(tài)，可以大大降低網(wǎng)關(guān)及整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)因數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的功耗損失。表1無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)路由硬件模塊不同模式/狀態(tài)下轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間、功耗

狀態(tài)/模式xtalpllwtLBD/TS響應(yīng)時(shí)間發(fā)送接收當(dāng)前狀態(tài)/模式下電流值關(guān)閉狀態(tài)XXXX16.21 ms16.21 ms10 nA空閑狀態(tài)待機(jī)模式00001.21 ms1.21 ms400 nA休眠模式0010[8]800 nA傳感器模式00X1〖8〗1 μA預(yù)備模式10XX210 μs210 μs600 μA調(diào)諧模式11XX200 μs200 μs9.5 mA發(fā)送狀態(tài)11XXNA200 μs80 mA@+20 dBm27 mA@+11 dBm接收狀態(tài)11XX200 μsNA18.5 mAendprint

2.3傳感器節(jié)點(diǎn)

該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、AD模塊、微控制器模塊、存儲(chǔ)器模塊、傳感器等組成。微控制器模塊采用C8051F930完成傳感信息初處理，模擬信號(hào)數(shù)字化解釋任務(wù)。無(wú)線(xiàn)收發(fā)射頻模塊核心為Si4432收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸與路由任務(wù)。AD模塊負(fù)責(zé)將傳感器信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集配置、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)建立、無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)制、HMI處理等。本系統(tǒng)首先由網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)ID標(biāo)識(shí)建立起無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)再相繼加入網(wǎng)絡(luò)。成功建立網(wǎng)絡(luò)后，傳感節(jié)點(diǎn)將上次采集的參數(shù)進(jìn)行配置，通過(guò)路由網(wǎng)關(guān)發(fā)送至主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，確認(rèn)后進(jìn)行采樣。

3.1優(yōu)化節(jié)點(diǎn)路由協(xié)議

由于低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)供電方式為太陽(yáng)能-電池供電，節(jié)點(diǎn)能量非常有限，節(jié)點(diǎn)之間的通信距離、存儲(chǔ)空間都受能量限制，為了降低能耗，采樣節(jié)點(diǎn)本身不增加存儲(chǔ)功能，同時(shí)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了采樣時(shí)間，節(jié)點(diǎn)間默認(rèn)間隔10 min蘇醒1次，之后15 s內(nèi)保持清醒，與整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)建立連接，主控與路由如果修改了采樣時(shí)間，就在蘇醒的15 s內(nèi)反饋給采樣節(jié)點(diǎn)。為保證溫室大棚環(huán)境采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采樣節(jié)點(diǎn)蘇醒時(shí)間隔2 s完成3次采樣，取中間值為有效值上傳至主控。

3.2主控軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)主程序時(shí)，首先初始化軟硬件設(shè)置，建立無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)連接，啟動(dòng)電源管理策略，開(kāi)始進(jìn)入采集環(huán)境關(guān)鍵因子循環(huán)。有針對(duì)性地預(yù)先設(shè)置環(huán)境因子對(duì)比庫(kù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置閾值、參數(shù)對(duì)比邏輯，設(shè)置不同的溫室大棚數(shù)值，每次采樣信息數(shù)據(jù)均須進(jìn)行存儲(chǔ)，以便進(jìn)行后續(xù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。用戶(hù)可根據(jù)作物的實(shí)際情況設(shè)定關(guān)鍵環(huán)境因子的閾值，執(zhí)行操作后繼續(xù)觀(guān)測(cè)反饋狀態(tài)，如進(jìn)入了報(bào)警范圍則啟動(dòng)故障報(bào)警及信息處理功能模塊（圖3）。

4低功耗電源管理算法設(shè)計(jì)

常用的電源管理策略有靜態(tài)電源策略、動(dòng)態(tài)電源策略2種。靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過(guò)程中的電源低功耗管理技術(shù)。動(dòng)態(tài)電源策略是指CPU運(yùn)行過(guò)程中的低功耗技術(shù)。調(diào)整程序運(yùn)行頻率，當(dāng)系統(tǒng)忙時(shí)提高CPU運(yùn)行速度，系統(tǒng)空閑時(shí)CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I/O口的平均電流、電壓，電流、電壓不變時(shí)減少供電時(shí)間，從而降低系統(tǒng)功耗。本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)電壓電源管理（dynamic power management，DPM）技術(shù)，確保節(jié)點(diǎn)在主控芯片的控制下，始終能夠在節(jié)能模式運(yùn)行，有必要的事件發(fā)生時(shí)可以讓主控芯片接管電源模塊[8-10]。系統(tǒng)主要DPM對(duì)象有電池、傳感器接口、射頻模塊、主控MCU。當(dāng)檢測(cè)到電池電量不足時(shí)，對(duì)同一網(wǎng)路ID節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求降低響應(yīng)頻率。傳感器接口A(yíng)D模塊的電源管理，主控掃描啟動(dòng)后會(huì)分析當(dāng)前狀態(tài)，區(qū)分正常電壓模式、自動(dòng)掉電模式、自動(dòng)待機(jī)模式3個(gè)模式。在正常電壓模式下，至少有一路AD在工作。當(dāng)主控判斷當(dāng)前所有AD接口均處于不采樣狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)掉電模式啟動(dòng)，關(guān)閉AD以及傳感器電源。

5結(jié)論

為解決現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)難、供電難的現(xiàn)狀，結(jié)合目前大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)需求的實(shí)際情況，筆者研制了基于WSN技術(shù)的低功耗大棚關(guān)鍵環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到降低全系統(tǒng)電能需求的目的，實(shí)際測(cè)試中，4 500 mA的鋰電滿(mǎn)電能供應(yīng)溫度、濕度、光照3參數(shù)單節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行10 d左右，配備太陽(yáng)能充電模塊，可長(zhǎng)期在設(shè)施大棚中工作而不斷電。同時(shí)，系統(tǒng)主控與傳感網(wǎng)絡(luò)通過(guò)串口連接，具有易擴(kuò)展、易操作的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)組網(wǎng)速度快、節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置靈活、性能穩(wěn)定可靠，可長(zhǎng)期有效監(jiān)測(cè)溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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2.3傳感器節(jié)點(diǎn)

該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、AD模塊、微控制器模塊、存儲(chǔ)器模塊、傳感器等組成。微控制器模塊采用C8051F930完成傳感信息初處理，模擬信號(hào)數(shù)字化解釋任務(wù)。無(wú)線(xiàn)收發(fā)射頻模塊核心為Si4432收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸與路由任務(wù)。AD模塊負(fù)責(zé)將傳感器信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集配置、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)建立、無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)制、HMI處理等。本系統(tǒng)首先由網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)ID標(biāo)識(shí)建立起無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)再相繼加入網(wǎng)絡(luò)。成功建立網(wǎng)絡(luò)后，傳感節(jié)點(diǎn)將上次采集的參數(shù)進(jìn)行配置，通過(guò)路由網(wǎng)關(guān)發(fā)送至主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，確認(rèn)后進(jìn)行采樣。

3.1優(yōu)化節(jié)點(diǎn)路由協(xié)議

由于低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)供電方式為太陽(yáng)能-電池供電，節(jié)點(diǎn)能量非常有限，節(jié)點(diǎn)之間的通信距離、存儲(chǔ)空間都受能量限制，為了降低能耗，采樣節(jié)點(diǎn)本身不增加存儲(chǔ)功能，同時(shí)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了采樣時(shí)間，節(jié)點(diǎn)間默認(rèn)間隔10 min蘇醒1次，之后15 s內(nèi)保持清醒，與整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)建立連接，主控與路由如果修改了采樣時(shí)間，就在蘇醒的15 s內(nèi)反饋給采樣節(jié)點(diǎn)。為保證溫室大棚環(huán)境采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采樣節(jié)點(diǎn)蘇醒時(shí)間隔2 s完成3次采樣，取中間值為有效值上傳至主控。

3.2主控軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)主程序時(shí)，首先初始化軟硬件設(shè)置，建立無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)連接，啟動(dòng)電源管理策略，開(kāi)始進(jìn)入采集環(huán)境關(guān)鍵因子循環(huán)。有針對(duì)性地預(yù)先設(shè)置環(huán)境因子對(duì)比庫(kù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置閾值、參數(shù)對(duì)比邏輯，設(shè)置不同的溫室大棚數(shù)值，每次采樣信息數(shù)據(jù)均須進(jìn)行存儲(chǔ)，以便進(jìn)行后續(xù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。用戶(hù)可根據(jù)作物的實(shí)際情況設(shè)定關(guān)鍵環(huán)境因子的閾值，執(zhí)行操作后繼續(xù)觀(guān)測(cè)反饋狀態(tài)，如進(jìn)入了報(bào)警范圍則啟動(dòng)故障報(bào)警及信息處理功能模塊（圖3）。

4低功耗電源管理算法設(shè)計(jì)

常用的電源管理策略有靜態(tài)電源策略、動(dòng)態(tài)電源策略2種。靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過(guò)程中的電源低功耗管理技術(shù)。動(dòng)態(tài)電源策略是指CPU運(yùn)行過(guò)程中的低功耗技術(shù)。調(diào)整程序運(yùn)行頻率，當(dāng)系統(tǒng)忙時(shí)提高CPU運(yùn)行速度，系統(tǒng)空閑時(shí)CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I/O口的平均電流、電壓，電流、電壓不變時(shí)減少供電時(shí)間，從而降低系統(tǒng)功耗。本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)電壓電源管理（dynamic power management，DPM）技術(shù)，確保節(jié)點(diǎn)在主控芯片的控制下，始終能夠在節(jié)能模式運(yùn)行，有必要的事件發(fā)生時(shí)可以讓主控芯片接管電源模塊[8-10]。系統(tǒng)主要DPM對(duì)象有電池、傳感器接口、射頻模塊、主控MCU。當(dāng)檢測(cè)到電池電量不足時(shí)，對(duì)同一網(wǎng)路ID節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求降低響應(yīng)頻率。傳感器接口A(yíng)D模塊的電源管理，主控掃描啟動(dòng)后會(huì)分析當(dāng)前狀態(tài)，區(qū)分正常電壓模式、自動(dòng)掉電模式、自動(dòng)待機(jī)模式3個(gè)模式。在正常電壓模式下，至少有一路AD在工作。當(dāng)主控判斷當(dāng)前所有AD接口均處于不采樣狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)掉電模式啟動(dòng)，關(guān)閉AD以及傳感器電源。

5結(jié)論

為解決現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)難、供電難的現(xiàn)狀，結(jié)合目前大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)需求的實(shí)際情況，筆者研制了基于WSN技術(shù)的低功耗大棚關(guān)鍵環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到降低全系統(tǒng)電能需求的目的，實(shí)際測(cè)試中，4 500 mA的鋰電滿(mǎn)電能供應(yīng)溫度、濕度、光照3參數(shù)單節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行10 d左右，配備太陽(yáng)能充電模塊，可長(zhǎng)期在設(shè)施大棚中工作而不斷電。同時(shí)，系統(tǒng)主控與傳感網(wǎng)絡(luò)通過(guò)串口連接，具有易擴(kuò)展、易操作的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)組網(wǎng)速度快、節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置靈活、性能穩(wěn)定可靠，可長(zhǎng)期有效監(jiān)測(cè)溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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2.3傳感器節(jié)點(diǎn)

該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、AD模塊、微控制器模塊、存儲(chǔ)器模塊、傳感器等組成。微控制器模塊采用C8051F930完成傳感信息初處理，模擬信號(hào)數(shù)字化解釋任務(wù)。無(wú)線(xiàn)收發(fā)射頻模塊核心為Si4432收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸與路由任務(wù)。AD模塊負(fù)責(zé)將傳感器信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集配置、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)建立、無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)制、HMI處理等。本系統(tǒng)首先由網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)ID標(biāo)識(shí)建立起無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)再相繼加入網(wǎng)絡(luò)。成功建立網(wǎng)絡(luò)后，傳感節(jié)點(diǎn)將上次采集的參數(shù)進(jìn)行配置，通過(guò)路由網(wǎng)關(guān)發(fā)送至主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，確認(rèn)后進(jìn)行采樣。

3.1優(yōu)化節(jié)點(diǎn)路由協(xié)議

由于低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)供電方式為太陽(yáng)能-電池供電，節(jié)點(diǎn)能量非常有限，節(jié)點(diǎn)之間的通信距離、存儲(chǔ)空間都受能量限制，為了降低能耗，采樣節(jié)點(diǎn)本身不增加存儲(chǔ)功能，同時(shí)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了采樣時(shí)間，節(jié)點(diǎn)間默認(rèn)間隔10 min蘇醒1次，之后15 s內(nèi)保持清醒，與整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)建立連接，主控與路由如果修改了采樣時(shí)間，就在蘇醒的15 s內(nèi)反饋給采樣節(jié)點(diǎn)。為保證溫室大棚環(huán)境采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采樣節(jié)點(diǎn)蘇醒時(shí)間隔2 s完成3次采樣，取中間值為有效值上傳至主控。

3.2主控軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)主程序時(shí)，首先初始化軟硬件設(shè)置，建立無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)連接，啟動(dòng)電源管理策略，開(kāi)始進(jìn)入采集環(huán)境關(guān)鍵因子循環(huán)。有針對(duì)性地預(yù)先設(shè)置環(huán)境因子對(duì)比庫(kù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置閾值、參數(shù)對(duì)比邏輯，設(shè)置不同的溫室大棚數(shù)值，每次采樣信息數(shù)據(jù)均須進(jìn)行存儲(chǔ)，以便進(jìn)行后續(xù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。用戶(hù)可根據(jù)作物的實(shí)際情況設(shè)定關(guān)鍵環(huán)境因子的閾值，執(zhí)行操作后繼續(xù)觀(guān)測(cè)反饋狀態(tài)，如進(jìn)入了報(bào)警范圍則啟動(dòng)故障報(bào)警及信息處理功能模塊（圖3）。

4低功耗電源管理算法設(shè)計(jì)

常用的電源管理策略有靜態(tài)電源策略、動(dòng)態(tài)電源策略2種。靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過(guò)程中的電源低功耗管理技術(shù)。動(dòng)態(tài)電源策略是指CPU運(yùn)行過(guò)程中的低功耗技術(shù)。調(diào)整程序運(yùn)行頻率，當(dāng)系統(tǒng)忙時(shí)提高CPU運(yùn)行速度，系統(tǒng)空閑時(shí)CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I/O口的平均電流、電壓，電流、電壓不變時(shí)減少供電時(shí)間，從而降低系統(tǒng)功耗。本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)電壓電源管理（dynamic power management，DPM）技術(shù)，確保節(jié)點(diǎn)在主控芯片的控制下，始終能夠在節(jié)能模式運(yùn)行，有必要的事件發(fā)生時(shí)可以讓主控芯片接管電源模塊[8-10]。系統(tǒng)主要DPM對(duì)象有電池、傳感器接口、射頻模塊、主控MCU。當(dāng)檢測(cè)到電池電量不足時(shí)，對(duì)同一網(wǎng)路ID節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求降低響應(yīng)頻率。傳感器接口A(yíng)D模塊的電源管理，主控掃描啟動(dòng)后會(huì)分析當(dāng)前狀態(tài)，區(qū)分正常電壓模式、自動(dòng)掉電模式、自動(dòng)待機(jī)模式3個(gè)模式。在正常電壓模式下，至少有一路AD在工作。當(dāng)主控判斷當(dāng)前所有AD接口均處于不采樣狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)掉電模式啟動(dòng)，關(guān)閉AD以及傳感器電源。

5結(jié)論

為解決現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)難、供電難的現(xiàn)狀，結(jié)合目前大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)需求的實(shí)際情況，筆者研制了基于WSN技術(shù)的低功耗大棚關(guān)鍵環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到降低全系統(tǒng)電能需求的目的，實(shí)際測(cè)試中，4 500 mA的鋰電滿(mǎn)電能供應(yīng)溫度、濕度、光照3參數(shù)單節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行10 d左右，配備太陽(yáng)能充電模塊，可長(zhǎng)期在設(shè)施大棚中工作而不斷電。同時(shí)，系統(tǒng)主控與傳感網(wǎng)絡(luò)通過(guò)串口連接，具有易擴(kuò)展、易操作的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)組網(wǎng)速度快、節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置靈活、性能穩(wěn)定可靠，可長(zhǎng)期有效監(jiān)測(cè)溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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