基于igBee的溫室WSN監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭愛梅 尹玉軍 毛曉英

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因具有低功耗、低維護(hù)成本和自組網(wǎng)等特點(diǎn)已逐漸應(yīng)用于溫室環(huán)境信息監(jiān)測中。利用 igBee 技術(shù)設(shè)計(jì)溫室WSN監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、通信效率高、能耗低、監(jiān)測精度高等特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該溫室WSN監(jiān)測系統(tǒng)能準(zhǔn)確采集溫室環(huán)境參數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)保存和查詢歷史數(shù)據(jù)，有效提高溫室環(huán)境種植的科學(xué)性、客觀性，從而提高溫室生產(chǎn)水平。

關(guān)鍵詞：igBee技術(shù)；溫室；WSN監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP274；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（201412-0445-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-10-12

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程[編號(hào)：SX（2011387]。

作者簡介：彭愛梅（1980—，女，江蘇東臺(tái)人，碩士，講師，從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)、電力電子技術(shù)等方向的研究。

通信作者：尹玉軍，碩士，講師，從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)、射頻集成電路設(shè)計(jì)等方向的研究。E-mail：120328690@qqcom。

隨著無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，因其具有低功耗、低維護(hù)成本和自組網(wǎng)等特點(diǎn)已逐漸應(yīng)用于溫室環(huán)境信息監(jiān)測，可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等環(huán)境因子的采集和無線傳輸[1]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是溫室智能控制的最前端，對(duì)實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境因子信息采集的自動(dòng)化、信息化、智能化具有重要意義。在短距離的無線控制、監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，igBee技術(shù)由于具有傳輸距離短、功耗低、成本低、安全性好和自組網(wǎng)等特點(diǎn)，成為最適合構(gòu)建低速率WSN的標(biāo)準(zhǔn)之一。本研究基于igBee通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了基于igBee技術(shù)的溫室無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的無線監(jiān)測。

[WTH]1igBee技術(shù)概述

igBee網(wǎng)絡(luò)可以工作的頻段為868、915 MHz或 24 GHz，在不同頻段的傳輸速率也不相同，在868 MHz頻段的傳輸速率最高為20 kb/s，在915 MHz頻段的傳輸速率最高為40 kb/s，而在24GHz頻段的傳輸速率最高為250 kb/s，因此igBee是一種低傳輸速率的無線網(wǎng)絡(luò)。igBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離比較短，適合近距離傳輸，它的有效傳輸范圍為10～75 m。在igBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最多可以達(dá)到65 000個(gè)，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)現(xiàn)直接通信，通信的可靠性比較高。在目前廣泛使用的所有無線通信網(wǎng)絡(luò)（如移動(dòng)通信的GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò)等中，從功耗、成本、安全等因素考慮，igBee技術(shù)都是最低的，正是由于igBee技術(shù)具有距離近、功耗低、可靠性高的特點(diǎn)，因此在自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和完善，igBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)通過一定的手段或方式實(shí)現(xiàn)了與其他網(wǎng)絡(luò)的互連和通信[5]。

igBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要依賴一定的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議才能進(jìn)行通信，而傳統(tǒng)的無線通信協(xié)議又無法滿足igBee網(wǎng)絡(luò)的低成本要求，因而igBee協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。igBee協(xié)議是在IEEE 802154協(xié)議[6]的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但是IEEE802154標(biāo)準(zhǔn)定義媒體訪問控制層和物理層，igBee聯(lián)盟對(duì)IEEE 802154協(xié)議進(jìn)行了補(bǔ)充和擴(kuò)展，形成了igBee協(xié)議。當(dāng)igBee網(wǎng)絡(luò)有了自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)后，網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器之間相互連接實(shí)現(xiàn)通信。

在igBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中存在協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備3種邏輯設(shè)備類型。通常情況下，協(xié)調(diào)器只能是1個(gè)，而路由器和終端設(shè)備可以不止1個(gè)。在網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器的作用是設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，組建網(wǎng)絡(luò)，它就是網(wǎng)絡(luò)的總控制器；路由器相當(dāng)于一個(gè)中繼器，主要負(fù)責(zé)設(shè)備之間通信的中繼，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍的拓展；終端設(shè)備是整個(gè)igBee網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)。

igBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有3種常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星狀結(jié)構(gòu)、串狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于這3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，連接相對(duì)簡單實(shí)用的是星狀結(jié)構(gòu)，但是它能夠連接到的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比較少，在所有的傳感器節(jié)點(diǎn)中心布置協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)連接是通過協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)的；串狀結(jié)構(gòu)是通過增加路由器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的，主要采用多跳方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)[7]；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是在所有節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行互連實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了連接，所有節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行信息的傳輸。

2系統(tǒng)組成及原理

由圖1可以看出，溫室監(jiān)測系統(tǒng)是由網(wǎng)關(guān)、傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)通信網(wǎng)（GPRS、3G或4G網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)器和監(jiān)控終端設(shè)備等部分組成，其中傳感器節(jié)點(diǎn)是按照智能溫室的相關(guān)要求和規(guī)定在溫室大棚內(nèi)部進(jìn)行布置的，通過這些傳感器采集溫室中的溫度、濕度、CO2濃度和光照情況，并將采集到的環(huán)境監(jiān)測信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理后傳送給微處理器；路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集和中轉(zhuǎn)，并進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間的通信；協(xié)調(diào)器主要完成網(wǎng)絡(luò)的建立、管理和控制的功能，同時(shí)將相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行保存，并且通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（如GPRS、3G或4G等轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心處理；監(jiān)控中心主要有數(shù)據(jù)和通信2種類型的服務(wù)器，在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)服務(wù)器的作用是保存接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，通信服務(wù)器的作用是通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（如GPRS、3G或4G等與網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)交換工作。監(jiān)控終端設(shè)備可以通過電腦、手機(jī)、iPad等設(shè)備訪問服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢功能。

[F（W9][TPPAM1tif][F]

3硬件電路設(shè)計(jì)

31傳感器節(jié)點(diǎn)

在igBee網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的最基本單元是傳感器節(jié)點(diǎn)。在各種不同的系統(tǒng)中采用的傳感器節(jié)點(diǎn)也是各有千秋，不盡相同，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成見圖2。可以看出，傳感器節(jié)點(diǎn)是由無線通信模塊（如igBee網(wǎng)絡(luò)、GPRS模塊、射頻電路等、傳感器模塊（如溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、光照傳感器等、電源模塊、微處理器模塊（MSP430單片機(jī)等部分組成，此外還應(yīng)該有調(diào)試模塊和串口通信模塊。

[F（W10][TPPAM2tif][F]

32傳感器模塊

[JP2]傳感器模塊由各種類型的傳感器組成，主要通過各類傳感器完成對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度、光照和CO2濃度等環(huán)境參數(shù)的采樣和收集，由于微處理器只能處理數(shù)字信號(hào)，因此傳感器采集到的信號(hào)必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，也可以選擇帶有A/D轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字式傳感器，根據(jù)系統(tǒng)需求完成對(duì)各類傳感器的選型。

321溫濕度傳感器本系統(tǒng)選用的溫濕度傳感器為SHT15，是瑞士進(jìn)口的一體式數(shù)字式空氣溫濕度傳感器。SHT15具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好和免標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。SHT15芯片的主要功能是進(jìn)行溫度感測和濕度感測，同時(shí)它還集成了信號(hào)變換、加熱器和模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。SHT15性能參數(shù)為：（1濕度測量范圍，0～100%相對(duì)濕度；（2溫度測量范圍，-400～1238 ℃；（3濕度測量精度，±20%相對(duì)濕度；（4溫度測量精度，±03 ℃；（5響應(yīng)時(shí)間，8 s（tau 63%，即濕度傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比率63%；（6可完全浸沒。SHT15采用I2C接口與微控制器通信[8]，接口電路如圖3所示。

[F（W13][TPPAM3tif][F]

322CO2濃度傳感器CO2是作物進(jìn)行光合作用必不可少的原料，必要的時(shí)候還可以增施CO2來適當(dāng)提高生長區(qū)域的濃度，從而增加作物產(chǎn)量。CO2濃度的檢測選用英國GSS公司的低功耗型紅外CO2傳感器COIR-A，其功耗僅 35 mW，帶溫度補(bǔ)償、濕度補(bǔ)償功能，并可以感知白天或黑夜的環(huán)境狀態(tài)；預(yù)熱時(shí)間僅10 s，內(nèi)置PCB板的封裝；有量程 0～2 000 mg/L、0～5 000 mg/L、0～1%供選擇；接口的電平類型為TTL，使得其可以實(shí)現(xiàn)與CC2430芯片的直接通信。

323光照傳感器系統(tǒng)光照度傳感器為BH1750，它具有精度高、量程大等特點(diǎn)。BH1750是一種用于兩線式串行總線接口的16位數(shù)字輸出型光強(qiáng)度傳感器集成電路。該傳感器對(duì)400～700 nm波段內(nèi)的可見光具有極好的靈敏度，而對(duì)其他波段的光具有較好的過濾效果。量程為1～65 536 lx，分辨率為1 lx，能滿足溫室中的測量需要，并可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整量程和分辨率，它采用標(biāo)準(zhǔn)I2C接口用于數(shù)據(jù)通信。

33網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的主要功能是組建網(wǎng)絡(luò)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，管理無線節(jié)點(diǎn)、發(fā)送命令和匯聚數(shù)據(jù)，同時(shí)網(wǎng)關(guān)還須要將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心，目前廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)是GPRS通信網(wǎng)。通常情況下，網(wǎng)關(guān)是通過RS232通信接口與客戶端實(shí)現(xiàn)通信的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了1個(gè)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)通信的網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)包括控制模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、射頻模塊以及其他I/O接口。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器可以采用CC2430芯片，用來對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后通過RS232串口與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊通信。CC2430 芯片是 TI 公司生產(chǎn)的一款符合 igBee 技術(shù)的 24 GHz 射頻系統(tǒng)單芯片，適用于各種 igBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，CC2430 是一個(gè)真正的系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC系統(tǒng)級(jí)解決方案。以太網(wǎng)傳輸模塊采用LPC1114芯片與網(wǎng)口芯片ENC28J60。網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

[F（W9][TPPAM4tif][F]

由圖4可以看出，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以CC2430作為主控芯片，集成射頻天線可以與傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端或者中繼節(jié)點(diǎn)通信；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和LPC1114協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片之間以RS232接口通信，而LPC1114可以以SPI接口與網(wǎng)口芯片之間互傳數(shù)據(jù)，網(wǎng)口芯片通過RJ45接口與服務(wù)器之間以直接或者間接方式連接，以Socket協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)和命令[9]。

4軟件設(shè)計(jì)

傳感器信息的采集、無線自組網(wǎng)通信、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、信息的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和管理都需要軟件系統(tǒng)的配合才能實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的采集、透明傳輸和遠(yuǎn)程訪問。傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示。

5結(jié)論

溫室環(huán)境參數(shù)的采集對(duì)溫室生產(chǎn)至關(guān)重要，本研究針對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)難以監(jiān)測的實(shí)際情況，根據(jù)溫室環(huán)境控制要求，提出基于igBee技術(shù)設(shè)計(jì)溫室WSN監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、通信效率高、能耗低、監(jiān)測精度高等特點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該溫室WSN監(jiān)測系統(tǒng)能準(zhǔn)確采集溫室環(huán)境參數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)保存和查詢歷史數(shù)據(jù)，從而有效提高溫室環(huán)境種植的科學(xué)性、客觀性，提高溫室生產(chǎn)水平。

[HS2][HT85H]參考文獻(xiàn)：[HT8SS]

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