基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室群遠(yuǎn)程監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張校磊，陳俊麗

(山西華澳商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，太原 030000)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室群遠(yuǎn)程監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張校磊*，陳俊麗

(山西華澳商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，太原 030000)

為提升溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)溫室環(huán)境因素監(jiān)測管理的效率和效果，降低人力成本，設(shè)計(jì)了一套溫室群的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)不僅可在本地對(duì)溫室群進(jìn)行監(jiān)測和控制，而且能夠通過Internet在遠(yuǎn)程查看每個(gè)溫室的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，并可做到遠(yuǎn)程控制。

溫室監(jiān)控；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee網(wǎng)絡(luò)

溫室中的溫度、濕度、光照、土壤水分和CO2濃度等環(huán)境因素對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較大。我國傳統(tǒng)的溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)溫室環(huán)境因素的把控主要依賴于生產(chǎn)者的經(jīng)驗(yàn)及簡單的測量設(shè)備，不僅準(zhǔn)確性差、效率低下，而且還浪費(fèi)了大量的人力[1]。本文設(shè)計(jì)了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境信息，用戶可在本地及遠(yuǎn)程對(duì)溫室群進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的功能主要為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、本地監(jiān)測控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制，因此設(shè)計(jì)了3級(jí)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能(如圖1所示)。第1級(jí)機(jī)構(gòu)為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制網(wǎng)絡(luò)，由部署在各溫室中的傳感器節(jié)點(diǎn)、溫室控制器節(jié)點(diǎn)及外部總控制器構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)各溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并以總控制器為中心自組網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境數(shù)據(jù)匯集并發(fā)送至本地監(jiān)測控制中心；另外，還負(fù)責(zé)將控制信息傳送至溫室控制機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的控制。第2級(jí)機(jī)構(gòu)為本地監(jiān)測控制中心，主要負(fù)責(zé)對(duì)各溫室的環(huán)境信息進(jìn)行匯聚和管理并回發(fā)控制信號(hào)至各溫室；同時(shí)通過4G網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)測控制終端互聯(lián)。第3級(jí)機(jī)構(gòu)是遠(yuǎn)程控制終端，用戶可通過Internet遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看溫室中的環(huán)境信息并對(duì)溫室群進(jìn)行集中管理和控制。

系統(tǒng)重點(diǎn)是溫室群的現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)部分。其中，在每個(gè)溫室內(nèi)布放若干傳感器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行采集，并將采集到的信息傳輸至各自溫室的溫室控制器。溫室控制器作為本溫室中無線網(wǎng)絡(luò)的簇首，將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理再發(fā)送至總控制器?？偪刂破髯鳛楝F(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的中樞，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù)，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至本地控制中心。此外，在每個(gè)溫室中還配備有無線執(zhí)行器模塊，可以接收溫室控制器發(fā)送來的控制信息并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如通風(fēng)、灌溉系統(tǒng)等。

圖1 溫室群無線監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)

溫室群監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)控的范圍較大、節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，而且傳感器節(jié)點(diǎn)的位置和數(shù)量也可能隨著作物的生長而有所調(diào)整。同時(shí)，由于溫室自身?xiàng)l件的限制，系統(tǒng)并不一定能夠得到充足的電量供應(yīng)。因此，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有較大容量、較遠(yuǎn)的單跳距離、較強(qiáng)的自組織自恢復(fù)性以及足夠低的能耗等。

2.1 網(wǎng)絡(luò)類型的選擇

常見的無線通信網(wǎng)絡(luò)主要有藍(lán)牙、UWB(Ultra Wideband)、WiFi及ZigBee。

1)網(wǎng)絡(luò)容量方面，ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址為16位，可容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)量最多可達(dá)65 536個(gè)，足以滿足溫室群監(jiān)控系統(tǒng)的需求。而藍(lán)牙和UWB的網(wǎng)絡(luò)容量僅為8，WiFi僅為256。

2)能耗方面，ZigBee有著先天的優(yōu)勢，其原理決定了ZigBee技術(shù)在能耗方面遠(yuǎn)低于其他技術(shù)。另外，ZigBee技術(shù)可將空閑的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，進(jìn)一步降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。相關(guān)實(shí)踐表明，2節(jié)普通干電池就能維持ZigBee節(jié)點(diǎn)工作0.5 y以上。同樣的供電條件，藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)只能維持4～8 h的工作，UWB和WiFi更短，僅為1～3 h。使用ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，即便有節(jié)點(diǎn)無法得到外部供電也可依靠板載電源工作，滿足系統(tǒng)需求[2]。

3)傳輸距離方面，ZigBee的理論單跳距離達(dá)到100 m，是幾種技術(shù)中單跳最遠(yuǎn)的之一，滿足系統(tǒng)需求。

4)相較其他技術(shù)，ZigBee技術(shù)在傳輸速率上較低，僅為250 Kb/s，但也能滿足系統(tǒng)需求。

綜上，選擇ZigBee技術(shù)建立溫室群監(jiān)控系統(tǒng)，用ZigBee協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)總控制器，在各溫室內(nèi)布設(shè)ZigBee路由器作為溫室控制器。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸和溫室到ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸是本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)。

溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸主要依靠傳感器節(jié)點(diǎn)以及溫室控制器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)溫室中的節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)分簇，即溫室簇。簇首固定為溫室控制器，不通過選舉產(chǎn)生，簇內(nèi)成員為傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)溫室面積較小時(shí)，以單跳的方式組建溫室簇；面積較大時(shí)，溫室內(nèi)加設(shè)路由節(jié)點(diǎn)以組建多跳溫室簇。其中，只有溫室控制器可以發(fā)起溫室簇的組建。第1個(gè)溫室簇建立時(shí)由ZigBee協(xié)調(diào)器充當(dāng)簇首組建網(wǎng)絡(luò)，之后由各溫室的溫室控制器組建各自溫室簇。并且各自溫室中的節(jié)點(diǎn)只能加入本溫室簇。當(dāng)所有的溫室簇組建完畢后，由ZigBee協(xié)調(diào)器為各溫室簇分配編號(hào)以便區(qū)分。將溫室號(hào)和網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行綁定，并由溫室簇簇首統(tǒng)一管理。其余節(jié)點(diǎn)需要在入網(wǎng)前預(yù)先設(shè)定好溫室號(hào)，在加入溫室簇時(shí)按照相應(yīng)溫室號(hào)入網(wǎng)。這樣可以解決相鄰溫室的部分節(jié)點(diǎn)的歸屬問題。

各溫室與ZigBee協(xié)調(diào)器的通信依靠各溫室的溫室控制器和ZigBee協(xié)調(diào)器自組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)其中某個(gè)溫室控制器不能正常工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)重新組建，數(shù)據(jù)按照固定的最短路徑傳輸。個(gè)別溫室距其他溫室較遠(yuǎn)時(shí)，可在適當(dāng)位置布設(shè)中繼路由節(jié)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)硬件由通用模塊加專用模塊構(gòu)成，主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、溫室控制器、ZigBee協(xié)調(diào)器和無線執(zhí)行器等。這些硬件都需要具備無線通信及信息的處理功能，因此，首先設(shè)計(jì)了具有信息處理和傳輸功能的通用硬件模塊并提供了標(biāo)準(zhǔn)接口，然后在通用模塊的基礎(chǔ)上加入相應(yīng)的專用模塊，以構(gòu)成相應(yīng)的硬件。

3.1 通用模塊的設(shè)計(jì)

通用模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要功能是無線通信及數(shù)據(jù)處理，主要由處理器、無線收發(fā)模塊、串口通信模塊及電源模塊構(gòu)成，如圖2所示。

處理器模塊選用的是JN5121-001系列處理器模塊組。它集成了一款32位的RISC微處理器，配備有可以工作在2.4 GHz頻段的射頻收發(fā)模塊，可兼容ZigBee協(xié)議和IEEE 802.15.4協(xié)議。其擁有類型豐富的接口，完全滿足系統(tǒng)需求。另外，該模組自帶ROM和RAM，ROM中存儲(chǔ)了通訊協(xié)議棧，RAM支持路由功能和控制器功能[3]。這種集成化的設(shè)計(jì)，不僅降低了研發(fā)成本，更縮短了研發(fā)周期。

圖2 通用模塊硬件結(jié)構(gòu)

在電源方面，設(shè)計(jì)了板載電源和外部電源2種供電模式，可根據(jù)實(shí)際工作場景靈活選擇。

為方便通用模塊和計(jì)算機(jī)等其他設(shè)備通信，將JN5121中的UART0接口與RS232接口進(jìn)行了連接，如圖3所示。

圖3 通信串口連接

ZigBee協(xié)調(diào)器是整個(gè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的控制中心，主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的組建維護(hù)和數(shù)據(jù)通信。通用模塊具備這些功能，因此通用模塊無需任何改進(jìn)便可實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能。

3.2 溫室控制器硬件設(shè)計(jì)

在單個(gè)溫室中，各節(jié)點(diǎn)均為固定工作，沒有移動(dòng)的需求，因此無線網(wǎng)絡(luò)組建后便形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。溫室控制器作為單個(gè)溫室簇的簇首，主要負(fù)責(zé)接收溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息和向溫室控制器發(fā)出控制指令；同時(shí)將部分信息實(shí)時(shí)顯示，并可以實(shí)施簡單的控制[4]。通用模塊已具備數(shù)據(jù)及控制指令的傳輸功能，因此，在通用模塊上增加了顯示器模塊及控制按鍵等設(shè)備，即可完成溫室控制器功能，如圖4所示。

液晶顯示器模塊選用了BARTON公司生產(chǎn)的STF單色液晶顯示屏，由128×64點(diǎn)陣組成，UC1601驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)。

圖4 溫室控制器結(jié)構(gòu)

3.3 無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是采集溫室內(nèi)的各類環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至溫室控制器。數(shù)據(jù)通信功能由通用模塊完成。數(shù)據(jù)采集是由加裝在通用模塊上的各類環(huán)境信息傳感器完成，如溫度傳感器、空氣濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器和pH值傳感器等。由于傳感器種類較多，但各類型傳感器與通用模塊的連接方式相似，因此，下面以溫度傳感器和光照傳感器與通用模塊的連接來說明無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

傳感器選擇了SHT11溫度傳感器和TSL2550光照傳感器。二者均為數(shù)字傳感器，可直接輸出數(shù)字信號(hào)，無需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換便可傳輸至通用模塊。在實(shí)際的連接過程中，將傳感器上的數(shù)據(jù)通信引腳和時(shí)順控制引腳連接至數(shù)字輸入DIO接口[5]。由于溫室內(nèi)采集溫度和光照強(qiáng)度的采集點(diǎn)可以重合，且通用模塊的數(shù)據(jù)處理和傳輸能力都足以應(yīng)付2種環(huán)境信息的采集。因此，將溫度傳感器和光照傳感器同時(shí)連接在一個(gè)通用模塊上，形成一個(gè)雙數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)，連接方式如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)連接

3.4 無線執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的功能是接收溫室控制器發(fā)來的控制信號(hào)并控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如卷簾及噴淋灌溉系統(tǒng)等。其由通用模塊和執(zhí)行模塊組成。通用模塊負(fù)責(zé)控制信息的接收；執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制。

執(zhí)行模塊與通用模塊中的4個(gè)DIO接口相連并傳輸控制信號(hào)，這樣可以控制4組調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制開關(guān)。通用模塊與執(zhí)行模塊共同組成無線執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 無線執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器的首要功能是網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù)，之后再將各溫室的環(huán)境信息數(shù)據(jù)發(fā)送至本地控制中心，并將本地控制中心發(fā)送給各溫室的控制信息發(fā)送至相應(yīng)的溫室控制器。

在網(wǎng)絡(luò)的組建階段，系統(tǒng)會(huì)先通過掃描選擇到能量較高且空閑的信道。之后允許溫室控制器節(jié)點(diǎn)加入建立起新的網(wǎng)絡(luò)并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)[6]。然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、接收數(shù)據(jù)并向本地控制中心的發(fā)送以及控制信息的回傳。其軟件流程如圖7所示。

圖7 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件流程

4.2 溫室控制器軟件設(shè)計(jì)

溫室控制器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)，可向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求。同時(shí)也是本溫室網(wǎng)絡(luò)簇的簇首，負(fù)責(zé)管理本溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。其軟件流程為：先向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求，當(dāng)請求被允許后加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行初始化成為網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)并將本溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中。另外，溫室控制器還可以通過顯示屏模塊顯示各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過按鍵進(jìn)行切換顯示。這部分的軟件過程為溫室控制器接收傳感信息，再將傳感信息發(fā)送至顯示模塊顯示。當(dāng)接收到按鍵信號(hào)時(shí)，切換下一節(jié)點(diǎn)的傳感信息顯示。最后，將傳感信息發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器。其軟件流程如圖8所示。

圖8 溫室控制器軟件流程

4.3 無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息并傳輸給溫室控制器，其工作流程如圖9所示：首先請求加入網(wǎng)絡(luò)并獲得網(wǎng)絡(luò)地址，然后讀取傳感信息，處理后發(fā)送至溫室控制器，此過程經(jīng)休眠后重復(fù)。

圖9 溫室控制器軟件流程

4.4 無線執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

無線執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，無需路由功能。在工作過程中，其首先請求加入網(wǎng)絡(luò)，被允許后網(wǎng)絡(luò)地址并進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)；然后便進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待控制指令；當(dāng)控制指令到來時(shí)執(zhí)行器被喚醒，然后判斷指令的正確性，若指令正確，則立即執(zhí)行。若不正確，則發(fā)送重發(fā)請求，然后延時(shí)等待。在等待期內(nèi)若接收到重發(fā)的控制指令信息，則重新進(jìn)入指令正確性判斷階段，若超過延時(shí)等待期仍未接收到重發(fā)的控制指令信息，則再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。其工作流程如圖10所示。

圖10 無線執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)軟件流程

5 結(jié)語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)自動(dòng)檢測方面有著先天的優(yōu)勢，監(jiān)控區(qū)域大、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確并且有著較高的可靠性[7]。本文設(shè)計(jì)了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室群監(jiān)控系統(tǒng)，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通用模塊。其具有較高的可靠性和較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可方便地改裝成系統(tǒng)中的各種硬件節(jié)點(diǎn)，不僅極大降低了系統(tǒng)成本，更利于安裝和維護(hù)，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和使用維護(hù)的便利性。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室群的實(shí)時(shí)、自動(dòng)和遠(yuǎn)程的監(jiān)測和控制，降低了溫室群監(jiān)測和管理成本并提升了溫室群管理效率。

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A WSN-based Design of a Greenhouse Remote Monitoring System

ZHANGXiaolei*,CHENJunli

(Department of Computer Science ,China Australia Business College of Shanxi,Taiyuan 030000,China)

It is essential to monitor all factors in greenhouse environment in the process of greenhouse production. In this paper, a design of greenhouse remote monitoring system based on WSN is presented in order to get both efficiency and quality of monitoring and management improved and labor cost reduced. In this way, the process of monitoring can be done any time and anywhere; users, as well, have a remote access to all data in the greenhouse environment.

greenhouse monitoring; WSN(Wireless Sensor Networks); ZigBee

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.013

2016-10-24

張校磊(1983— ),男(漢族),山西太原人，講師，碩士,研究方向：傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)，通信作者郵箱：tq01cmm@163.com。 陳俊麗(1984— ),女(漢族),山西運(yùn)城人，講師，碩士,研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)。

S126

A

2095-5383(2016)04-0050-05