基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

蔡 鑌，馬玉芳，趙振華，邱秀榮，趙小麗，頓文濤，袁 超

(1.河南農業(yè)大學，河南鄭州450002;2.商丘工學院，河南商丘476000;3.中國人民解放軍信息工程大學，河南鄭州450001)

設施農業(yè)是近年來迅速發(fā)展起來的一種集約化程度很高的農業(yè)生產技術.設施農業(yè)借助溫室及其配套裝置來調節(jié)和控制作物生長的環(huán)境條件，是農業(yè)擺脫自然制約的有效手段［1，2］.以色列、荷蘭等國在設施農業(yè)的研究和生產方面已達到很高水平.中國的設施農業(yè)目前已由簡易塑料大棚、溫室發(fā)展到具有人工環(huán)境控制設施的現(xiàn)代化大型溫室和植物工廠.但與國外相比，中國的設施農業(yè)普遍存在科技含量低、勞動強度大、生產水平和效益低下等缺點［3，4］.信息采集與處理技術是提高設施農業(yè)水平不可或缺的重要環(huán)節(jié).將低成本、高效率、智能化的設備應用于農業(yè)信息采集，用信息技術來改造傳統(tǒng)農業(yè)，可推動中國農業(yè)向實質意義上的“工廠化、現(xiàn)代化”方向持續(xù)快速地發(fā)展［5］.目前的溫室監(jiān)控系統(tǒng)一般采用基于RS485總線的有線通信方式，這種監(jiān)控系統(tǒng)靈活性和擴展性能差、布線繁瑣、建設成本高、線路易老化，故障發(fā)生率和誤報警率較高.無線傳感器網(wǎng)絡是涉及微機電系統(tǒng)、計算機、通信、自動控制、人工智能等多學科的綜合性技術.通過無線傳感器網(wǎng)絡構建溫室生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對土壤水肥、作物生長和病蟲災害等信息的實時精確測量，為灌溉施肥、病蟲防治和作物收種等工作帶來巨大便利［3，6］.本研究針對設施農業(yè)的發(fā)展趨勢及有線監(jiān)控系統(tǒng)的缺點，設計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)，可對溫室環(huán)境參數(shù)進行實時動態(tài)監(jiān)測，管理者在控制室可隨時了解現(xiàn)場信息，從而提高農業(yè)管理的網(wǎng)絡化、智能化水平.

1 溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計

1.1 監(jiān)控需求分析及系統(tǒng)設計原則

作物只有在一定的環(huán)境范圍內才能夠生長.環(huán)境對作物生長的影響是綜合的，它既可影響光合、呼吸、蒸騰等代謝過程，也可通過影響有機物的合成和運輸?shù)葋碛绊懽魑锏纳L，還可以直接影響溫度、濕度，通過影響水肥的吸收和輸導來影響作物的生長［3］.因此，溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象主要包括:土壤溫濕度、土壤成分、pH值、空氣溫度、濕度、氣壓、光照強度、CO2濃度等.基于智能溫室的特點，本著節(jié)約成本的要求，溫室生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)需要對以下2個重要指數(shù)進行重點監(jiān)測.(1)溫度、濕度的監(jiān)測.作物的生長與溫度、濕度有密切關系，溫度、濕度的監(jiān)測是溫室生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)最基本的監(jiān)測內容之一.(2)CO2濃度的監(jiān)測.農作物生長發(fā)育離不開光合作用，而光合作用又與CO2濃度有關，控制CO2的濃度，有利于作物的生長發(fā)育.溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)目標是設計一個應用無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)溫室生態(tài)環(huán)境信息采集的監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)要求傳感器節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域內構成網(wǎng)絡，采集所需的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)實時的傳送給監(jiān)控管理中心，使用戶能夠通過監(jiān)控終端查詢所需的數(shù)據(jù).基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)應包含以下功能:(1)具有遠程訪問和控制能力，管理者可以遠程監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡的狀態(tài)和數(shù)據(jù).其次，要求系統(tǒng)監(jiān)測到的信息能實時傳送到監(jiān)控終端，使用戶能實時查詢溫室內的環(huán)境變化情況.(2)數(shù)據(jù)存儲能力大，系統(tǒng)需將大量的傳感數(shù)據(jù)存儲到遠程數(shù)據(jù)庫，并能夠進行離線的數(shù)據(jù)訪問.(3)多種告警方式及告警級別，如本地聲光告警及遠程的短信及傳呼報警，豐富的告警級別.(4)監(jiān)控中心為圖形化顯示及操作界面，操作方便.

1.2 溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構

基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)由無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(傳感器終端節(jié)點、匯聚節(jié)點)和監(jiān)控中心(若干預警監(jiān)測服務器)組成.無線傳感器網(wǎng)絡通常有星狀網(wǎng)絡、環(huán)狀網(wǎng)絡、樹狀網(wǎng)絡、網(wǎng)格網(wǎng)絡等拓撲形式.一般會根據(jù)區(qū)域監(jiān)測對功耗、傳輸距離及數(shù)據(jù)率的要求，選擇不同的節(jié)點網(wǎng)絡拓撲［7］.

溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀拓撲結構.傳感器節(jié)點分布于溫室環(huán)境內，每個節(jié)點均具備采集環(huán)境信息的功能，實時采集溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過Zigbee射頻方式實現(xiàn)節(jié)點之間的通信.Zigbee是一種新興的短距離、低功率、低速率、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡技術，工作于2.4 GHz全球統(tǒng)一且無需申請的工業(yè)科學和醫(yī)療頻段，傳輸速率為10～250 kb·s-1，傳輸距離為10～75 m.用于近距離無線通信，適合現(xiàn)場監(jiān)測［8］.節(jié)點內置的嵌入式軟件能夠實現(xiàn)通信鏈路的保存和管理，從而實現(xiàn)節(jié)點的組織和路由等功能.匯聚節(jié)點具備通信和信息的路由等功能，負責收集終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行初步處理，然后通過RS-232串口或GPRS傳送至給監(jiān)測中心.監(jiān)測中心負責數(shù)據(jù)的接收、分析及顯示，當出現(xiàn)異常時啟動報警模塊.溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構如圖1所示.

圖1 溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構Fig.1 The network structure of greenhouse ecological intelligent monitoring system

1.2.1 數(shù)據(jù)采集 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，通常需要利用傳感器采集數(shù)據(jù).傳感器是監(jiān)測系統(tǒng)的觸角，根據(jù)具體的應用場合，需要采集何種數(shù)據(jù)，就使用相應的傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)測.

1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸 在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸由兩部分構成.第1部分是由終端節(jié)點傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，第2部分是由匯聚節(jié)點傳輸?shù)奖O(jiān)控中心.在匯聚節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，系統(tǒng)采用Zigbee技術;當數(shù)據(jù)由匯聚節(jié)點傳輸?shù)奖O(jiān)控中心時，采用RS-232串口或GPRS傳輸技術.

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與存儲 數(shù)據(jù)的分析與存儲是通過數(shù)據(jù)中心的軟件來實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)中心的上位機軟件在接收到傳感器網(wǎng)絡發(fā)送過來的檢測數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行存儲，并通過相關的技術對數(shù)據(jù)進行分析處理，得出相應的結論，從而實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的實時監(jiān)測.

2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通常采取模塊化結構設計，由傳感器模塊、處理模塊、通信模塊、電源管理模塊構成(圖2).傳感器模塊負責采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成A/D轉換，采集的信息包含溫度、濕度、CO2濃度等;處理模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位以及任務管理等;通信模塊負責與其他節(jié)點進行無線數(shù)據(jù)交互，傳輸控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);電源管理模塊負責功耗管理.隨著芯片設計的發(fā)展，目前處理器模塊和無線射頻模塊可以集成在同一個芯片中，大大簡化了射頻電路的設計.

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的結構Fig.2 The structure of the wireless sensor network node

CC2430在單個芯片上整合了Zigbee射頻(RF)前端、內存和微控制器，大小僅為7 mm×7 mm，設備集成度高、外圍器件很少、外形極小.它使用1個8位MCU(8051)，具有128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉換器(ADC)、定時器(Timer)，AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器(Watchdog timer)，32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown Out Detection)，以及21個可編程I/O引腳［9，10］.在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA.CC2430支持4種休眠機制，可以大大地降低功耗.同時，CC2430工作在2.4 GHz的免費頻段.

溫濕度傳感器選用SHT11，用于檢測溫室內部作物冠層溫度及環(huán)境濕度，SHT11將溫度測量和濕度測量集合在一個傳感器中，簡化了電路、節(jié)約了功耗.芯片內部集成了14位A/D轉換器，且采用數(shù)字信號輸出，測量精度較高.SHT11的性能指標是:濕度測量范圍0～100%;溫度測量范圍-40～123.8℃;測濕精度為±3%;測溫精度為±0.4℃(在25℃時);電源電壓范圍為2.4～5.5 V;電流消耗:測量時為550 μA，平均為28 μA，休眠時為3 μA;類12C總線數(shù)字輸出.SHT11接口簡單，提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA.

CO2傳感器選用CDM4161，用于檢測溫室內部CO2濃度.該傳感器內部集成了CO2氣體傳感器TGS4161和 PLC16LF88單片機，體積小、壽命長、穩(wěn)定性高.CDM4161的主要性能指標是:測量范圍400×10-6～4 000×10-6;使用壽命2 000 d;檢測精度±30×10-6±5%;電源輸入5 V;消耗電流50 mA(平均值)，250 mA(峰值);工作環(huán)境溫濕度-10～50℃、相對濕度5% ～95% .

SHT11采用二線數(shù)字串行接口和CC2430進行數(shù)據(jù)通信，SCK數(shù)據(jù)線負責SHT11和CC2430的通訊同步;DATA用于數(shù)據(jù)的讀取.為避免信號沖突，CC2430應驅動DATA在低電平，同時需要1個外部的上拉電阻將信號提拉至高電平.CDM4161的VCONC負責CO2濃度測試輸出.傳感器模塊與CC2430的連接如圖3所示.

圖3 傳感器模塊與CC2430的連接Fig.3 The connection diagram of sensor module with CC2430

3 溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計也堅持模塊化設計原則.本系統(tǒng)從下至上分為參數(shù)設置、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理3個層次.參數(shù)設置模塊，實現(xiàn)各節(jié)點、匯聚節(jié)點、監(jiān)控中心的參數(shù)設置，如節(jié)點的工作模式、工作頻度等.數(shù)據(jù)傳輸模塊，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收，存儲;數(shù)據(jù)處理模塊，負責對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)值計算、邏輯判斷、存儲查詢、分析統(tǒng)計等.另外還有系統(tǒng)維護模塊，主要實現(xiàn)對日志文件的處理、系統(tǒng)配置信息、管理信息、控制信息、節(jié)點列表等信息的控制維護，以及對報警信息作出反應.監(jiān)控系統(tǒng)軟件結構如圖4所示.

傳感器節(jié)點的主要功能是信息的采集和簡單融合后通過串口發(fā)送到監(jiān)控中心(PC機)，或通過GSM/GPRS傳輸?shù)絀nternet.同時匯聚節(jié)點也可接收來自監(jiān)控中心的指令信息.匯聚節(jié)點的軟件設計包括2部分:(1)從傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)采用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術.(2)從匯聚節(jié)點到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，可采用串口或GPRS技術.

圖4 溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結構Fig.4 The software structure of greenhouse ecological intelligent monitoring system

圖5 匯聚節(jié)點軟件設計流程圖Fig.5 Flow chart of software design for sink nodes

4 結語

無線傳感器網(wǎng)絡技術近年來飛速發(fā)展，應用前景十分廣闊.本研究提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)，在核心部件傳感器節(jié)點的設計中，采用成熟的SHT11及CDM4161傳感器和基于Zigbee技術的CC2430無線傳輸模塊，以低成本的設計方案實現(xiàn)對溫室環(huán)境的實時動態(tài)監(jiān)測，并上傳至監(jiān)控中心，使用戶通過監(jiān)控終端就能查詢所需的數(shù)據(jù).降低了工作量，有效解決了有線監(jiān)測網(wǎng)絡的建設周期長、投資大、維護困難等問題，使溫室生態(tài)環(huán)境的監(jiān)控變得更為方便、快捷，提高了農業(yè)管理的智能化水平.并且該系統(tǒng)具有較強的延展性和可復制性，推廣應用前景較好.

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