基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室控制系統(tǒng)的設計

王 鐘，張盛龍，房安康，肖伶俐，楊 靖

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽 550025)

?

基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室控制系統(tǒng)的設計

王 鐘，張盛龍，房安康，肖伶俐，楊 靖*

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽 550025)

針對溫室環(huán)境監(jiān)控的需要，設計了一種用MSP430作為控制終端的溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器采集信息，然后以無線傳送方式將信息發(fā)送至主控制器上和上位機。初步測試表明，該系統(tǒng)具有部署方便、可擴展性好等優(yōu)點，適合在溫室環(huán)境監(jiān)控中使用。

MSP430；溫室控制；傳感器；無線網(wǎng)絡；上位機監(jiān)控

隨著社會的發(fā)展，農(nóng)民對于生產(chǎn)效率的要求在逐步提高。大棚作物作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要形式，對溫室大棚進行高效的管理，就成了提高作物生產(chǎn)效率的主要因素。有效的溫室大棚管理，能防止因為水分、溫度、二氧化碳的不足而引起作物得不到充分的生長，導致經(jīng)濟效益降低。傳統(tǒng)的溫室大棚多采用人工方式讀取溫室內部的環(huán)境參數(shù)，從而做出相應的控制，控制精度不高。隨著物聯(lián)網(wǎng)的技術的發(fā)展，實現(xiàn)對溫室大棚進行智能化管控成為了可能。通過傳感器技術、短距離無線通信技術等完成從傳感器接收信號到主控制器顯示和上位機監(jiān)控的功能。為滿足溫室環(huán)境的需要，筆者設計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，采用低功耗且功能強大的MSP430微處理器作為控制器，底層的無線傳感器節(jié)點在部署后通過自組織方式構建網(wǎng)絡，并進行數(shù)據(jù)傳送。在主控制器上進行顯示和實現(xiàn)控制功能，比如打開風機、打開電磁閥、打開補光措施等，并將這些信息發(fā)送到上位機。上位機通過使用SQL數(shù)據(jù)庫對網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行，供進一步的處理和分析。系統(tǒng)中節(jié)點間通過短距離無線方式通信，沒有布線的困擾，且節(jié)點部署靈活，對多個溫室大棚進行監(jiān)控時，具有較好的可擴展性。

1 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡、主控制器、上位機等組成，系統(tǒng)結構框圖見圖1。

通過分布式傳感器網(wǎng)絡對溫室的土壤溫濕度、室內溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度等信息進行采集，然后將這些信息以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送到主控制器，由主控制器對數(shù)據(jù)進行分析預處理，通過控制補光系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等底層控制器對整個溫室的環(huán)境參數(shù)進行宏觀調控，使溫室系統(tǒng)達到適合植物生長的水平。上位機將這些數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫供用戶參考。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)由若干個底層傳感器節(jié)點、主控制器、控制裝置、上位機組成。一個MSP430連接1～2個傳感器，通過nRF905對數(shù)據(jù)進行無線通訊。

2.1 傳感器節(jié)點的設計傳感器節(jié)點的主要任務是對溫室的數(shù)據(jù)參數(shù)進行采集和發(fā)送，其結構如圖2所示。

在無線傳感器的設計中，用到的無線射頻裝置是nRF905。它擁有433MHZ開放ISM頻段免許可證使用，最高工作速率可達50 kpbs，抗干擾能力強，使用于多種場合，并且含有125個頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要，內置硬件CRC 檢錯和點對多點通信地址控制，低功耗1.9～3.6 V 工作，待機模式下狀態(tài)僅為2.5 uA，收發(fā)模式切換時間小于650 us，模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)，軟件編程非常方便[2]。nRF905有2種活動模式：ShockBurst RX 和ShockBurst TX。2種節(jié)電模式：掉電和SPI編程以及STANDBY和SPI編程。

2.2 主控制器與控制裝置的設計主控制器在整個溫室中起到了顯示功能、傳輸數(shù)據(jù)功能、對控制裝置的控制功能，是整個溫室智能化的核心之所在。

2.2.1主控制器的設計。主控制器放置在溫室的側面，專門對溫室的各項參數(shù)指標進行顯示，方便用戶觀察和檢查溫室狀況。同時主控制器在傳感器網(wǎng)絡中還有基站節(jié)點的作用，通過基站節(jié)點向底層傳感器網(wǎng)絡發(fā)組網(wǎng)廣播幀使得整個傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)自組織成網(wǎng)的功能，然后接收來自底層網(wǎng)絡所發(fā)送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行顯示分析。具體設計思路如圖3所示。

2.2.2控制裝置的設計?？刂蒲b置主要有自動給水系統(tǒng)、補光系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)。主控制器從傳感器網(wǎng)絡中接收到關于溫室各個部分的詳細參數(shù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，然后給相關的控制裝置發(fā)出命令，通過控制裝置的動作，改變整個溫室的環(huán)境，從而使得溫室內的參數(shù)在一個給定的范圍內波動。

2.2.3主控制器和控制裝置的布置。主控制器是一個為用戶提供溫室信息，使用戶不用進入溫室就能查看到溫室內的各種參數(shù)的器件，所以在布置的時候可以將主控制器放置在溫室大棚的側面。而相應的控制裝置，則通過其不同的作用和占地面積來進行調整。一般情況下，可以將補光系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)放置在大棚的頂部，而自動給水系統(tǒng)均勻的放置于溫室內部的土壤里。在該研究設計中，自動給水系統(tǒng)采用的主要元器件是電磁閥和花灑噴頭。

3 系統(tǒng)軟件設計

通過對nRF905傳輸距離進行實驗，得到的結論之一就是在有障礙物的前提下，nRF905的傳輸距離為30 m。這個距離完全能適應傳感器節(jié)點在溫室大棚之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換。在傳感器網(wǎng)絡中，系統(tǒng)采用了星型拓撲結構，通過主控制器(基站節(jié)點)來收集整個溫室的全部數(shù)據(jù)。整個通訊系統(tǒng)是通過廣播幀的收發(fā)來實現(xiàn)自組織成網(wǎng)[3]。每一個節(jié)點的程序都運行著同樣的程序，用戶在向系統(tǒng)添加節(jié)點的時候，只需要將節(jié)點放入網(wǎng)絡中，節(jié)點就可以在整個系統(tǒng)中工作。

3.1.1nRF905收發(fā)數(shù)據(jù)。MCU通過SPI對nRF905進行控制，使其發(fā)送數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)。

通過SpiWrite 函數(shù)發(fā)送WTP命令，準備寫入TX有效數(shù)據(jù)，然后循環(huán)調用SpiWrite向TX-Payload寄存器寫入TX有效數(shù)據(jù)(中間夾有CSN電平變化)，延時一段時間過后，通過SpiWrite函數(shù)發(fā)送WTA命令，準備寫入TX地址，循環(huán)調用SpiWrite向TX-Address寄存器寫入TX地址，關閉SPI并進入發(fā)送模式，發(fā)送數(shù)據(jù)。

在進行數(shù)據(jù)接收時，必須將TRX_CE引腳置低，使nRF905進入standby模式，然后向nRF905發(fā)送RRP指令，準備寫入RX有效數(shù)據(jù)，通過循環(huán)調用SpiRead函數(shù)，來讀取接收到的數(shù)據(jù)。當DR和AM引腳復位為低電平(中間夾有CSN電平變化)，數(shù)據(jù)包接收完成。

3.1.2主控制器程序設計。當數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制器的時候，主控制器通過對幀的定義原則來對數(shù)據(jù)進行提取和處理。

通過向節(jié)點發(fā)送廣播幀，節(jié)點通過所到廣播幀對自己上一跳節(jié)點做出應答，并形成一個路由表，用來記錄節(jié)點信息，當應答幀發(fā)送到基站節(jié)點(主控制器)時，就說明整個傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)組網(wǎng)成功。

廣播幀只在節(jié)點和主控制器上電的時候才發(fā)送，其他時候，節(jié)點發(fā)送的信息以及主控制器所接收到的信息為傳感器所接收的信息。不管接收到的信息是否超過范圍，主控制器都會將數(shù)據(jù)顯示出來，供用戶檢查，如果超過范圍則執(zhí)行控制裝置對溫室進行調控。同時將信息發(fā)送到上位機，供用戶遠程監(jiān)控。主控制器信息處理流程見圖4。

3.1.3系統(tǒng)綜合測試。在綜合實驗測試中，使用了6個節(jié)點，傳感器節(jié)點如圖5所示。通過采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，主控制器將數(shù)據(jù)顯示出來，如圖6所示。

4 結語

介紹了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能溫室系統(tǒng)的設計方案。從硬件和軟件兩方面介紹了整個系統(tǒng)，在實驗室條件下對系統(tǒng)進行檢驗，測試整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并搭建一個附有溫室功能的模型對整個系統(tǒng)進行實現(xiàn)。通過實驗測試和調試，結果顯示，該研究設計的基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室控制系統(tǒng)可以應用于智能溫室。

[1] 高章飛，朱善安.基于MSP430和nRF905的多點無線通訊模塊[J].電子器件，2006(9)：265-267.

[2] Product_Specification_nRF905_v1.5[EB/OL].(2008-04)http：//www.nordicsemi.com/eng/nordic/download_resource/8075/1/37743305.

[3] 趙明，徐科軍，倪偉.一種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計和通信協(xié)議研究[J].儀器儀表學報，2005(8)：630-632.

Design of Greenhouse Control System Based on Wireless Sensor Network

WANG Zhong, ZHANG Sheng-long, FANG An-kang, YANG Jing*et al

(Electrical Engineering College, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025)

Aiming at the demand of monitoring greenhouse environment, a monitoring system for greenhouse is designed. The system used the MSP430 as the controller for the terminal unit. The system can gather the information from greenhouse environment by the sensors. Then, the information is transmitted to the main controller and the host computer. Preliminary experimentations showed that the system met the application requirements of greenhouse monitoring excellently and has a flexible structure and low cost.

MSP430; Greenhouse control; Sensor; Wireless sensor network; Host computer supervision

大學生國家創(chuàng)新

[貴大(國)創(chuàng)字2014(012)]；貴州省工業(yè)攻關項目(黔科合GY字[2013]3061號)；貴州省農(nóng)業(yè)攻關項目(黔科合NY字[2011]3108)；貴州省人才培養(yǎng)項目(黔科合人字[2013]11號)；貴州省科學技術基金(黔科合J字[2013]2117號)。

王鐘(1992-)，男，貴州赤水人，本科生，專業(yè)：自動化。*通訊作者，教授，博士，從事無線傳感器網(wǎng)絡及應用研究。

2015-02-02

S 126

A

0517-6611(2015)09-374-03