基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

管海娃，駱秋琴，徐曉樂(lè)

GUAN Hai-wa,LUO Qiu-qin,XIU Xiao-le

（溫州科技職業(yè)學(xué)院，溫州 325000）

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將信息處理、網(wǎng)絡(luò)通信以及傳感器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，是獲得傳感信息的最高效的解決方案；它由分布在一定區(qū)域內(nèi)的傳感節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行無(wú)線通信和數(shù)據(jù)處理，并能夠自動(dòng)組織為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)典型的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控終端組成；傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)組成部分，主要完成數(shù)據(jù)的采集；匯聚節(jié)點(diǎn)收集并管理傳感節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控主機(jī)。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，這無(wú)疑限制了節(jié)點(diǎn)的能量，從而也就限制了通信帶寬和節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)如下[1]：1）多跳路由：傳感節(jié)點(diǎn)有限的能量，決定了其通信范圍較小，所以如果要與遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)通信，就必須利用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳方式的路由通信；2）自組織：無(wú)需額外的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施去架設(shè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)可以自組織為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)行自動(dòng)通信；3）由于采用了分布式管理，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)更容易受到網(wǎng)絡(luò)安全性威脅，所以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全性問(wèn)題更加突出。

相對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)上有很大的區(qū)別，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的不同會(huì)在很大程度上影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括三部分：應(yīng)用支撐技術(shù)、分層協(xié)議和傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。應(yīng)用支撐技術(shù)以分層協(xié)議和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)為基礎(chǔ)，面向上層應(yīng)用，處于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的最上層，主要可以提供傳感節(jié)點(diǎn)定位以及時(shí)間同步等；節(jié)點(diǎn)定位的目的是確定傳感節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的具體位置，應(yīng)用于溫室環(huán)境監(jiān)控時(shí)，節(jié)點(diǎn)定位非常重要，可以具體控制定位節(jié)點(diǎn)處的溫室環(huán)境，如果節(jié)點(diǎn)定位錯(cuò)誤，溫室環(huán)境可能產(chǎn)生非常大的偏差。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層五個(gè)層次；物理層直接接收無(wú)線傳感信號(hào)，數(shù)據(jù)鏈路層將傳感信號(hào)封裝為可以在通信鏈路中傳輸?shù)男畔?，網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和路由功能，傳輸層控制在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，保證數(shù)據(jù)的傳輸可靠到達(dá)目的地。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要包括能量管理、服務(wù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全管理；眾多的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)、相互協(xié)作，并且保持一種能量高效性，從而以最少的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和節(jié)點(diǎn)通信。

2 溫室無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

要真正實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能，需要在硬件和軟件上進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文在接下來(lái)的傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，介紹了溫室無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。

2.1 溫室無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)

從硬件的角度來(lái)看，基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由底層傳感節(jié)點(diǎn)、中間網(wǎng)關(guān)以及上層PC監(jiān)控層構(gòu)成。

微處理器模塊主要完成采集到數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理。溫室系統(tǒng)和ZigBee協(xié)議棧對(duì)微處理器做了如下要求[2]：1）8位處理器；2）完全協(xié)議棧的只讀存儲(chǔ)器ROM要小于32K，簡(jiǎn)單協(xié)議棧的只讀存儲(chǔ)器ROM要小于6K；3）協(xié)調(diào)器要有充足的隨機(jī)存儲(chǔ)，以保存?zhèn)鞲泄?jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)和路由信息?；谝陨弦螅疚脑谠O(shè)計(jì)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，采用AVR系列的單片機(jī)，芯片包括ATmega128L，CC2420，DS2401P，AT45DB041以及其他的外圍器件。

CC2420功耗低而且性能比較穩(wěn)定，能夠保證數(shù)據(jù)地正確傳輸，利用它開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸率非常高，適合多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)；另外，設(shè)備的發(fā)射極部分基于直接上變頻，數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)先被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)發(fā)送緩存內(nèi)，而且無(wú)線通信硬件自動(dòng)產(chǎn)生傳輸數(shù)據(jù)流的頭幀和起始幀。要發(fā)送的數(shù)據(jù)流接下來(lái)被擴(kuò)頻送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)上變頻的混頻后，最終被傳輸?shù)教炀€進(jìn)行發(fā)送[3]。CC2420內(nèi)部包括33個(gè)控制/狀態(tài)寄存器，2個(gè)寄存器用于訪問(wèn)先進(jìn)先出緩沖區(qū)，還有15個(gè)命令選通寄存器；訪問(wèn)CC2420的地址信息字節(jié)最高位是訪問(wèn)類型，用于表明是對(duì)寄存器還是RAM的訪問(wèn)；

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)一般只可以通過(guò)電池供電，電量的不斷消耗降低傳感器的測(cè)量精度?？梢栽趥鞲衅鞴?jié)點(diǎn)上增加一個(gè)基于S812AMC30的穩(wěn)壓電路，并增加一節(jié)電池。另外要注意的是，傳感節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)時(shí)功耗電流只有7～-8 uA，因此需要選用自身功耗電流較小的LDO作為穩(wěn)壓裝置。

在本文設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感器模塊采用的是數(shù)字傳感器SHT11。SHT11在一個(gè)芯片上集成了溫濕度傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)以及串行通信接口，可以認(rèn)為是在一個(gè)芯片上的兩種傳感器，可以同時(shí)監(jiān)控溫度和濕度，所以在溫室環(huán)境監(jiān)控中應(yīng)用較廣。

2.2 溫室無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)要能夠高效地使用無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的各種資源，比如內(nèi)存、低速、低功耗的處理器和傳感器等；在面向無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)支持下，應(yīng)用程序間還可以進(jìn)行并行計(jì)算、并行通信等，此時(shí)要求操作系統(tǒng)的邏輯控制流程滿足這種并發(fā)程度高、執(zhí)行時(shí)間短的要求；另外，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)也有很高的模塊化程度，所以應(yīng)用程序要能夠在不影響系統(tǒng)開(kāi)銷的情況下，比較容易地控制硬件。

在溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，有些場(chǎng)合會(huì)用到定時(shí)器。定時(shí)器會(huì)通過(guò)調(diào)用中斷服務(wù)來(lái)產(chǎn)生定時(shí)中斷。一般而言，設(shè)計(jì)定時(shí)器時(shí)多采用軟定時(shí)方式；定時(shí)器不僅包含了硬件初始化接口、軟定時(shí)器設(shè)置接口，還包括中斷服務(wù)程序：每隔固定的時(shí)間間隔就產(chǎn)生中斷，并且每次中斷都比較軟定時(shí)器的時(shí)鐘變量，一旦軟定時(shí)器的時(shí)鐘變量與中斷時(shí)鐘相匹配，定時(shí)監(jiān)控程序就調(diào)用相應(yīng)的模塊完成定時(shí)任務(wù)。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)與中央監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行串口通信時(shí)，使用的是UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）接口，UART驅(qū)動(dòng)主要包括UART硬件初始化程序、UART數(shù)據(jù)包發(fā)送接口和UART數(shù)據(jù)包接收接口。

在通信協(xié)議上，為縮短監(jiān)聽(tīng)周期，可以在CTS發(fā)送狀態(tài)周期內(nèi)周期性地發(fā)送SYNC幀，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，先生成一個(gè)SYNCRTS幀，此SYNC-RTS幀包含目的信息、同步信息以及RT S請(qǐng)求等。目的節(jié)點(diǎn)在第一個(gè)狀態(tài)內(nèi)收到SYNC-RTS后，生成一個(gè)SYNC-CTS幀，此幀包含目的信息、同步信息以及CTS請(qǐng)求。接下來(lái)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始交換數(shù)據(jù)，結(jié)束后進(jìn)入睡眠。其他節(jié)點(diǎn)占用信道則通過(guò)CSMA/CA方式競(jìng)爭(zhēng)獲得。

3 基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采集的參數(shù)并不是單一的物理量，而是多元的；基于此，在分析無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議時(shí)，采用了ZigBee方式。ZigBee通過(guò)組網(wǎng)方式可以采集多達(dá)65000個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，完全可以滿足溫室環(huán)境監(jiān)控的需求；溫室中傳感節(jié)點(diǎn)間的通信距離一般在十幾米之內(nèi)，而ZigBee的有效通信范圍介于10到70米之間，完全滿足實(shí)際需要。

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)以及客戶端組成；傳感節(jié)點(diǎn)自組織為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，并采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)處理溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)將其傳輸?shù)椒?wù)器，由服務(wù)器對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，并進(jìn)行監(jiān)控。

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