基于無線傳感器網絡的溫室測控系統研究設計

摘 要： 針對當前溫室控制系統存在的擴展性差、智能化程度不高等問題，在分析了無線傳感器網絡特點的基礎上，設計了基于無線傳感器網絡的溫室測控系統的硬件及軟件。 硬件上設計了傳感器節點和匯聚節點，采用溫度、濕度、光照度等傳感器，實現了溫室環境參數的自動采集。 軟件上基于模塊化的思想，實現了數據的獲取、處理和控制輸出等功能。 該設計具有擴展性好、實用性強、便于操作的特點。

1 引言

溫室環境控制是在充分利用自然資源的基礎上，通過改變溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等溫室環境因素參數來獲得農作物生長的最佳條件，從而達到增加作物產量、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。

現有的溫室測控系統主要基于有線方式，一般應用于大型溫室，表現出布線復雜、維護困難和投資太大等缺點，難以大規模推廣應用。 另外，傳感器節點無法靈活部署，健壯性不好，一旦節點失效，就會影響整個系統的性能。 無線傳感器網絡可以解決傳統溫室測控系統存在的缺陷，無需布線，即插即用，具有智能性強，健壯性好等優點，且成本較小。

因此，文中提出了一個基于無線傳感器網絡的溫室測控系統的體系結構，并介紹了主要的硬件設計實現和軟件系統結構設計。

2 溫室測控系統的體系結構

無線傳感器網絡（ wireless sensor network ,WSN） 是由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統，具有組網方便，靈活性強等優點。 其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。 基于無線傳感器網絡的特點，設計的溫室測控系統的結構如圖1 所示。

圖1 溫室控制系統的結構

傳感器節點從土壤本身或周圍環境收集溫度、濕度、光照度等信息，完成給定的監測任務，將監測數據傳輸給控制計算機進行決策，使用制動器精確控制土壤中的肥料和水分。 傳感器網絡的信息采集可以用來指導種植以得到最大產量，還可監測并報告作物狀態。

匯聚節點是在應用環境下聯系傳感器節點和管理節點計算機的中介，利用它可以連接傳感器網絡與Internet 或WWW 等外部網絡，能夠實現協議棧之間的通信協議轉換，同時發布管理節點的監測任務，并把收集到的數據轉發到外部網絡上。

3 硬件設計與控制原理

3. 1 傳感器節點的設計

傳感器節點是為傳感器網絡特別設計的微型計算機系統，是無線傳感器網絡的基本單元，它負責傳感和信息預處理， 響應監控主機的指令發送數據。 它包括五個主要的模塊：微控制器、無線射頻通信、非易失Flash 存儲器、可擴展的I/ O 接口和電源模塊。 傳感器節點的設計結構框圖如圖2 所示。

圖2 傳感器節點的硬件結構

微控制器單元是傳感器節點的核心部件，負責處理數據并協調整個系統。 通常選取低功耗、帶有混合型號處理能力的微控制器。 這類微控制器在單個芯片上一般具有UART、SPI、I2C 等通用接口；另外由于需要獲取傳感器采集的數據，同時還應具備多通道的模數轉換器；最后，微控制必須具備電源管理功能，使得節點在不工作時可以切換到低功耗甚至超低功耗模式下運行。 本次設計最終選用了AT2MEL 公司生產的ATmega128L 作為微控制器單元主要出于以下兩點原因：首先，ATmega128L 采用的RISC技術使其具有較高的計算性能； 其次，AT2mega128L 的可用開源開發軟件工具成熟且TinyOS操作系統（傳感器節點操作系統） 對其支持較好。 因此為了更加快速地建立傳感器節點原型平臺，選擇ATmega128L 作為節點的數據處理單元。

作為與外界交換信息的接口，無線通信射頻模塊是傳感器節點另外一個重要的單元。 無線射頻芯片的選擇涉及到芯片的數據傳輸速率、接收與發送功率、休眠的能耗、啟動穩定時間和信號調制方式等。 出于TinyOS 已包含CC2420 驅動支持的原因，本設計選用了Chipcon 公司的CC2420 射頻芯片。

擴展接口使用了Mica2 系列的通用51 針標準接口，該接口已成為傳感器節點的與傳感器模塊互連的事實標準接口。 該接口包含兩個相同的部分，分別安裝在電路板的兩側可以實現模塊堆疊擴展。 按照該接口設計出的傳感器節點， 可以直接使用Crossbow 公司和各個研究機構設計的大部分傳感器模塊。

雖然ATmega128L 微控制器自帶了4kB 的EEPROM 數據存儲區域，但是對于傳感器節點來說，擁有一個相對容量更多的、永久的數據存儲區域是十分必要的。 例如遠程節點代碼的自動更新、節點配置信息的保存等都需要更多的存儲空間才能得以應用。 為了實現傳感器網絡系統狀態監測組件中的日志模塊， 傳感器節點的設計中使用了額外的AT45DB041B 非易失FLASH 存儲器， 其大小為512kB.

傳感器節點采用兩節AA 電池供電，為了降低成本，模塊未采用專門的監控芯片來進行掉電保護。

3. 2 匯聚節點的設計

在溫室測控系統中，匯聚節點是傳感器網絡與管理節點或者其他外部網絡通信的橋梁，在無線傳感器網絡中起到網關的作用。 匯聚節點的硬件結構如圖3 所示。

圖3 匯聚節點的硬件結構