基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能生態(tài)保障系統(tǒng)

Intelligent Ecological Guarantee System Based on Wireless Sensor Network

許　東　高　杰

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京　100191)

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基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能生態(tài)保障系統(tǒng)

Intelligent Ecological Guarantee System Based on Wireless Sensor Network

許東高杰

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191)

摘要：為滿足多功能、多給水條件，研究設計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能生態(tài)保障系統(tǒng)。以CC2530芯片為基礎設計了傳感器節(jié)點和給水控制節(jié)點;以低功耗MSP430芯片結(jié)合CC2530設計了主控節(jié)點。系統(tǒng)可以根據(jù)預設的植物種類、時間信息確定植物的生長周期，并依據(jù)感知的環(huán)境參數(shù)，針對植物的不同生長周期生成灌溉策略來實現(xiàn)自動灌溉。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)提供了對自來水、無壓蓄水等不同給水條件的適應能力，克服了現(xiàn)有系統(tǒng)功能單一、使用范圍小、灌溉控制不合理的缺點。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡生態(tài)保障系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境智能控制人機交互給水控制

Abstract：To meet the conditions of multi-function and multi-feed-water,the intelligent ecological guarantee system based on wireless sensor network is researched and designed.The sensor nodes and the feed water nodes are designed on the basis of CC2530 chips,and the main control node is designed by combining CC2530 chip and low power consumption chip MSP430.In accordance with the preset plant species and the time information,the growth cycle of plants can be determined by the system.In addition,based on perceived environmental parameters and different growth cycle of the plants,the irrigation strategies are generated for implementing automatic irrigation.The test result shows that the system provides the adaptability for different conditions of water supply,such as tap water,non-pressure water storage,and so on,and overcomes the shortcomings of sole function,small applying scope and unreasonable irrigation control in existing systems.

Keywords:Sensor networkEcological guarantee systemEcological environmentIntelligent controlHuman machine interaction

Feed water control

0引言

植物的生長需要合適的環(huán)境，對水分、溫度、光照等因素的有效控制是現(xiàn)代生態(tài)保障研究中的重要課題。利用保障系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境中溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤等環(huán)境因子進行控制，從而達到植物生長的最佳條件[1-3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，ZigBee技術(shù)具有設備成本低、網(wǎng)絡功耗低、組網(wǎng)簡單靈活、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等特點，在生態(tài)環(huán)境保障領域中得到了廣泛應用[4-6]。

現(xiàn)有的生態(tài)保障系統(tǒng)仍存在一定的問題，難以滿足當前生態(tài)保障技術(shù)需求：功能單一，難以適應復雜的生態(tài)保障要求；沒有考慮在無壓蓄水情況下的控制問題，對給水條件的要求較高；智能化程度不高，不能根據(jù)植物對水分的不同需求進行有針對性的保障控制[7-8]。

綜上所述，亟需一種多功能、適用于多種給水條件并且能夠滿足不同種類植物在不同生長周期對水分需求的生態(tài)保障系統(tǒng)，以提高生態(tài)保障系統(tǒng)的自動化、智能化水平。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

植物在不同的生長周期對水分的需求是不斷變化的，需要綜合環(huán)境溫/濕度、光照強度、土壤水分等因素，進行保障控制。本文設計的一種生態(tài)保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點、給水控制器節(jié)點和主控節(jié)點。傳感器節(jié)點分布式部署在環(huán)境中，其攜帶溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤濕度傳感器，負責采集環(huán)境參數(shù)(環(huán)境溫/濕度、光照強度和土壤濕度)數(shù)據(jù)。主控節(jié)點是整個生態(tài)保障系統(tǒng)的核心，存儲了多種植物在不同生長周期所需的最佳環(huán)境條件。主控節(jié)點負責接收傳感器節(jié)點發(fā)送的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，通過查詢時間信息確定當前植物所處的生長周期，制定相應的控制策略，產(chǎn)生控制命令并發(fā)送至給水控制器節(jié)點。給水控制器節(jié)點接收主控節(jié)點發(fā)送的控制命令，驅(qū)動相應的給水設備，完成給水控制任務，使得生態(tài)環(huán)境能夠達到植物生長所需的最佳條件。

2硬件設計

傳感器節(jié)點和給水控制節(jié)點都是基于CC2530芯片設計的，雖然這兩種節(jié)點在功能上不同，但是在硬件結(jié)構(gòu)上有很多相似的地方。為了減少系統(tǒng)的復雜性并增加節(jié)點的通用性，可設計一塊核心板，包含兩節(jié)點相同的部分，留有傳感器模塊與控制器模塊接口。當傳感器模塊接入時，為傳感器節(jié)點；當控制器模塊接入時，為給水控制節(jié)點。

2.1核心板設計

核心板主要由無線處理器模塊、電源模塊、傳感器模塊和控制器模塊構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　核心板結(jié)構(gòu)框圖

無線處理器采用TI公司的CC2530芯片。CC2530的主要特點如下：采用了增強型工業(yè)標準8051MCU，具有高達256 kB可編程閃存和8 kB的RAM；結(jié)合了一個高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心與IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議；具有4種電源管理模式，可靈活配置系統(tǒng)工作模式以降低系統(tǒng)功耗，工作電流損耗僅為29 mA。因此，CC2530具有體積小、功耗低、成本低等特性，完全滿足無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計要求[9]。

考慮到系統(tǒng)應用在無人看守的野外或者室外，采用2～3節(jié)5號干電池供電。利用升壓芯片TPS61032將干電池升壓至5 V，然后通過AMS1117芯片降壓得到3.3 V的電壓，以滿足系統(tǒng)的電壓要求。

2.2傳感器模塊設計

在本文設計中，針對生態(tài)保障的要求，需要對環(huán)境溫度、濕度、光照強度和土壤濕度4個環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測。結(jié)合CC2530的特點和監(jiān)測的要求，傳感器模塊選用SHT11溫濕度傳感器、BH1750FVI光照傳感器和濕敏土壤傳感器。

SHT11是一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。它接口非常簡單，工作電壓范圍為2.4～5.5 V，默認的測量溫度和相對濕度的分辨率分別為14位、12位，通過狀態(tài)寄存器可降至12位、8位[10]。

BH1750FVI芯片是一種支持IIC總線接口的16位數(shù)字輸出型環(huán)境光強度傳感器集成電路。其分辨率高，可探測較大范圍的光強度變化(1～65 535 lx)，具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，光源依賴性弱，受紅外線影響小，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的測定[11]。

濕敏土壤傳感器采用濕敏電阻實現(xiàn)土壤濕度的測量，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)可將濕度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，根據(jù)測量的電壓值計算土壤的濕度值。該土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，十分利于普及和推廣[12]。

2.3控制器模塊設計

控制器模塊主要是提供直流電源輸出接口，通過電源輸出接口的通/斷電完成設備的驅(qū)動。該接口能夠驅(qū)動不同設備。本文所設計的輸出接口既可驅(qū)動電磁閥控制自來水，也可驅(qū)動小功率水泵控制無壓蓄水，能夠適用于不同給水條件的應用。在驅(qū)動設備時需要幾百毫安的大電流，這就需要對該接口進行隔離處理，否則會燒毀控制芯片?？紤]以上因素，選用驅(qū)動芯片ULN2003完成接口驅(qū)動。

2.4主控節(jié)點設計

主控節(jié)點是系統(tǒng)的核心，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。主控節(jié)點包括處理器芯片、時鐘模塊、存儲模塊、顯示模塊、按鍵模塊、無線通信模塊和電源模塊。

處理器芯片采用TI公司的MSP430F169，MSP430F169是一款16位超低功耗的混合信號控制器，具有4種超低功耗模式和5種節(jié)電模式，是目前功耗最低的單片機。它具有高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊，內(nèi)部集成看門狗定時器、12位ADC、DMA控制器、液晶驅(qū)動器、串行通信(UART、IIC、SPI)等，還自帶多達2 kB的RAM和60 kB的Flash存儲器，這些性能使得它被應用于各類智能儀器儀表中[13]。

圖3　主控節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

時鐘模塊為整個系統(tǒng)提供時間參考，通過讀取時鐘模塊的時間信息，可判斷植物所處的生長周期，從而能夠制定出該生長周期的控制策略。存儲模塊中存儲了多種植物在不同生長周期所需的最佳環(huán)境數(shù)據(jù)。顯示模塊和按鍵模塊提供了一個簡單的人機交互方式，通過按鍵模塊可以操作主控節(jié)點，進行功能的選擇和信息的查詢。

無線通信模塊采用上文已設計的CC2530核心板，主要負責接收傳感器節(jié)點發(fā)送的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令到給水控制節(jié)點。電源模塊為主控節(jié)點提供能量。

3軟件設計

3.1實驗對象和目的選擇

所設計的生態(tài)保障系統(tǒng)要解決的問題：針對植物處于不同生長周期時所需的水分不同，通過控制技術(shù)實現(xiàn)這種變化的環(huán)境需求。選取番茄為實驗植物，并通過控制其生長過程中對水分的需求，給出所設計的生態(tài)保障系統(tǒng)的工作原理和控制結(jié)果。

番茄的生長周期分為發(fā)芽期、幼苗期、果實膨大期和盛果期。具體的生長周期如表1所示。該表也反映了番茄在不同的生長周期對于環(huán)境中土壤濕度的需求是不同的[14]。

表1　番茄生長周期與土壤濕度需求表

3.2主控節(jié)點程序

主控節(jié)點的軟件流程如圖4所示。主控節(jié)點上電初始化后建立無線網(wǎng)絡，發(fā)送采集命令給傳感器節(jié)點并接收傳感器節(jié)點發(fā)送的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，再通過讀取系統(tǒng)時間信息，判斷番茄處于何種生長周期，并制定與該生長周期對應的控制策略。根據(jù)已制定的控制策略，處理環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生控制命令，并發(fā)送給給水控制節(jié)點進行控制，保障土壤濕度處于最佳條件。

圖4　主控節(jié)點流程圖

3.3傳感器節(jié)點程序

傳感器節(jié)點的軟件流程如圖5所示。

圖5　傳感器節(jié)點流程圖

該程序的主要作用：將傳感器節(jié)點接入主控節(jié)點建立的無線網(wǎng)絡，接收主控節(jié)點發(fā)送的采集命令，分析采集命令，根據(jù)采集命令讀取各傳感器，獲得環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。將所測的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進行匯集并簡單融合后，發(fā)送給主控節(jié)點，供主控節(jié)點決策。

3.4給水控制節(jié)點程序

給水控制節(jié)點的軟件流程如圖6所示。

圖6　給水控制節(jié)點工作流程圖

給水控制節(jié)點的主要作用是將給水控制節(jié)點接入主控節(jié)點建立的無線網(wǎng)絡，接收主控節(jié)點發(fā)送的控制命令。當有控制命令由主控節(jié)點發(fā)送過來時，分析控制命令，根據(jù)控制命令對給水控制節(jié)點上的直流電源接口進行控制，驅(qū)動電磁閥或者水泵工作，完成土壤需水量的供給?？刂仆瓿珊?，將控制的情況反饋到主控節(jié)點，供主控節(jié)點參考決策下一次控制命令。

4實驗結(jié)果與討論

將系統(tǒng)部署在測試環(huán)境中，進行實驗測試。每日每隔4 h對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，并以日均數(shù)據(jù)作為決策數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如表2所示。

表2　系統(tǒng)測試結(jié)果表

由表1可知，番茄處于發(fā)芽期時，最佳土壤濕度為80%，利用采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行決策，經(jīng)智能決策，3月23日不需要進行控制；3月24日根據(jù)智能決策結(jié)果，需要進行給水控制，計算控制時間，需要完成1 min的水分補給控制。當番茄處于幼苗期時，最佳土壤濕度為50%，利用采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行決策，經(jīng)決策此時滿足環(huán)境要求，不需要進行控制。

5結(jié)束語

如何保障植物在不同生長周期所處的環(huán)境是最佳的，一直是生態(tài)環(huán)境保障方面的一個難題。本文設計的基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能生態(tài)保障系統(tǒng)，通過利用系統(tǒng)時間為參考，判別植物處于何種生長周期，進而制定合理的控制策略進行保障控制，從而滿足植物對于環(huán)境的變化要求。通過測試不同生長周期的番茄對于土壤濕度的需求，結(jié)果說明系統(tǒng)工作良好，能夠保障番茄在不同生長周期總處于最佳的土壤濕度環(huán)境中。該系統(tǒng)不僅能保障文中所測試的土壤濕度，還能保障光照、CO2濃度等環(huán)境因子，具有廣泛的應用性，可應用于無人看守的果園、溫棚、蔬菜基地等。

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中圖分類號：TP273;TH86

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602010

北京市自然科學基金資助項目(編號：4122044)。

修改稿收到日期：2015-08-20。

第一作者許東(1973-)，男，2002畢業(yè)于東南大學模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)，獲博士學位，副教授；主要從事無線傳感器網(wǎng)絡的研究。