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

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方案設(shè)計

溫室群監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)控的范圍較大、節(jié)點數(shù)較多，而且傳感器節(jié)點的位置和數(shù)量也可能隨著作物的生長而有所調(diào)整。同時，由于溫室自身條件的限制，系統(tǒng)并不確定能夠得到充沛的電量供給。因此，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有較大容量、較遠的單跳距離、較強的自組織自恢復(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)主要有藍牙、UWB（UltraWideband）、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)點數(shù)量最多可達65536個，足以得志溫室群監(jiān)控系統(tǒng)的需求。而藍牙和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，其原理抉擇了ZigBee技術(shù)在能耗方面遠低于其他技術(shù)。另外，ZigBee技術(shù)可將空閑的節(jié)點轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，進一步降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。相關(guān)實踐說明，2節(jié)普遍干電池就能維持ZigBee節(jié)點工作0.5y以上。同樣的供電條件，藍牙節(jié)點只能維持4～8h的工作，UWB和WiFi更短，僅為1～3h。使用ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，即便有節(jié)點無法得到外部供電也可依靠板載電源工作，得志系統(tǒng)需求[2]。

3）傳輸距離方面，ZigBee的理論單跳距離達成100m，是幾種技術(shù)中單跳最遠的之一，得志系統(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250Kb/s，但也能得志系統(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)總操縱器，在各溫室內(nèi)布設(shè)ZigBee路由器作為溫室操縱器。

2.2網(wǎng)絡(luò)拓撲布局設(shè)計

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。

溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸主要依靠傳感器節(jié)點以及溫室操縱器節(jié)點。每個溫室中的節(jié)點組建一個分簇，即溫室簇。簇首固定為溫室操縱器，不通過選舉產(chǎn)生，簇內(nèi)成員為傳感器節(jié)點。當溫室面積較小時，以單跳的方式組建溫室簇；面積較大時，溫室內(nèi)加設(shè)路由節(jié)點以組建多跳溫室簇。其中，只有溫室操縱器可以發(fā)起溫室簇的組建。第1個溫室簇建立時由ZigBee協(xié)調(diào)器充當簇首組建網(wǎng)絡(luò)，之后由各溫室的溫室操縱器組建各自溫室簇。并且各自溫室中的節(jié)點只能參與本溫室簇。當全體的溫室簇組建完畢后，由ZigBee協(xié)調(diào)器為各溫室簇調(diào)配編號以便區(qū)分。將溫室號和網(wǎng)絡(luò)地址舉行綁定，并由溫室簇簇首統(tǒng)一管理。其余節(jié)點需要在入網(wǎng)前預(yù)先設(shè)定好溫室號，在參與溫室簇時按照相應(yīng)溫室號入網(wǎng)。這樣可以解決相鄰溫室的片面節(jié)點的歸屬問題。

各溫室與ZigBee協(xié)調(diào)器的通信依靠各溫室的溫室操縱器和ZigBee協(xié)調(diào)器自組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當其中某個溫室操縱器不能正常工作時，網(wǎng)絡(luò)將自動重新組建，數(shù)據(jù)按照固定的最短路徑傳輸。個別溫室距其他溫室較遠時，可在適當位置布設(shè)中繼路由節(jié)點。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，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、溫室操縱器、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)計了具有信息處理和傳輸功能的通用硬件模塊并供給了標準接口，然后在通用模塊的根基上參與相應(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

通用模塊是整個系統(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2.4GHz頻段的射頻收發(fā)模塊，可兼容ZigBee協(xié)議和IEEE802.15.4協(xié)議。其擁有類型豐富的接口，完全得志系統(tǒng)需求。另外，該模組自帶ROM和RAM，ROM中存儲了通訊協(xié)議棧，RAM支持路由功能和操縱器功能[3]。這種集成化的設(shè)計，不僅降低了研發(fā)本金，更縮短了研發(fā)周期。

在電源方面，設(shè)計了板載電源和外部電源2種供電模式，可根據(jù)實際工作場景生動選擇。

為便當通用模塊和計算機等其他設(shè)備通信，將JN5121中的UART0接口與RS232接口舉行了連接，如圖3所示。

ZigBee協(xié)調(diào)器是整個現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的操縱中心，主要負責無線網(wǎng)絡(luò)的組建維護和數(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提升便可實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能。

3.2溫室操縱器硬件設(shè)計

在單個溫室中，各節(jié)點均為固定工作，沒有移動的需求，因此無線網(wǎng)絡(luò)組建后便形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)布局。溫室操縱器作為單個溫室簇的簇首，主要負責接收溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息和向溫室操縱器發(fā)出操縱指令；同時將片面信息實時顯示，并可以實施簡樸的操縱[4]。通用模塊已具備數(shù)據(jù)及操縱指令的傳輸功能，因此，在通用模塊上增加了顯示器模塊及操縱按鍵等設(shè)備，即可完成溫室操縱器功能，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點陣組成，UC1601驅(qū)動模塊驅(qū)動。

3.3無線傳感器節(jié)點設(shè)計

無線傳感器節(jié)點的主要任務(wù)是采集溫室內(nèi)的各類環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至溫室操縱器。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好像，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)點的設(shè)計。

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，無需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換便可傳輸至通用模塊。在實際的連接過程中，將傳感器上的數(shù)據(jù)通信引腳和時順操縱引腳連接至數(shù)字輸入DIO接口[5]。由于溫室內(nèi)采集溫度和光照強度的采集點可以重合，且通用模塊的數(shù)據(jù)處理和傳輸才能都足以應(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連接在一個通用模塊上，形成一個雙數(shù)據(jù)傳感節(jié)點，連接方式如圖5所示。

3.4無線執(zhí)行器節(jié)點設(shè)計

無線執(zhí)行器節(jié)點的功能是接收溫室操縱器發(fā)來的操縱信號并操縱相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)，如卷簾及噴淋澆灌系統(tǒng)等。其由通用模塊和執(zhí)行模塊組成。通用模塊負責操縱信息的接收；執(zhí)行模塊負責對調(diào)理機構(gòu)的操縱。

執(zhí)行模塊與通用模塊中的4個DIO接口相連并傳輸操縱信號，這樣可以操縱4組調(diào)理機構(gòu)的操縱開關(guān)。通用模塊與執(zhí)行模塊共同組成無線執(zhí)行器節(jié)點，其硬件布局如圖6所示。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器的首要功能是網(wǎng)絡(luò)的組建與維護，之后再將各溫室的環(huán)境信息數(shù)據(jù)發(fā)送至本地操縱中心，并將本地操縱中心發(fā)送給各溫室的操縱信息發(fā)送至相應(yīng)的溫室操縱器。

在網(wǎng)絡(luò)的組建階段，系統(tǒng)會先通過掃描選擇到能量較高且空閑的信道。之后允許溫室操縱器節(jié)點參與建立起新的網(wǎng)絡(luò)并對其舉行標識[6]。然后舉行網(wǎng)絡(luò)維護、接收數(shù)據(jù)并向本地操縱中心的發(fā)送以及操縱信息的回傳。其軟件流程如圖7所示。

4.2溫室操縱器軟件設(shè)計

溫室操縱器是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點，可向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)苦求。同時也是本溫室網(wǎng)絡(luò)簇的簇首，負責管理本溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點。其軟件流程為：先向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送參與網(wǎng)絡(luò)的苦求，當苦求被允許后參與ZigBee網(wǎng)絡(luò)并舉行初始化成為網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點并將本溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點參與到網(wǎng)絡(luò)中。另外，溫室操縱器還可以通過顯示屏模塊顯示各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過按鍵舉行切換顯示。這片面的軟件過程為溫室操縱器接收傳感信息，再將傳感信息發(fā)送至顯示模塊顯示。當接收到按鍵信號時，切換下一節(jié)點的傳感信息顯示。結(jié)果，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。

4.3無線傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點負責采集環(huán)境信息并傳輸給溫室操縱器，其工作流程如圖9所示：首先苦求參與網(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)送至溫室操縱器，此過程經(jīng)休眠后重復(fù)。

4.4無線執(zhí)行器節(jié)點軟件設(shè)計

無線執(zhí)行器節(jié)點的主要功能是接收操縱信號并驅(qū)動調(diào)理機構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點，無需路由功能。在工作過程中，其首先苦求參與網(wǎng)絡(luò)，被允許后網(wǎng)絡(luò)地址并進入網(wǎng)絡(luò)；然后便進入休眠狀態(tài)，等待操縱指令；當操縱指令到來時執(zhí)行器被喚醒，然后判斷指令的正確性，若指令正確，那么立刻執(zhí)行。若不正確，那么發(fā)送重發(fā)苦求，然后延時等待。在等待期內(nèi)若接收到重發(fā)的操縱指令信息，那么重新進入指令正確性判斷階段，若超過延時等待期仍未接收到重發(fā)的操縱指令信息，那么再次進入休眠狀態(tài)。其工作流程如圖10所示。

5結(jié)語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)自動檢測方面有著先天的優(yōu)勢，監(jiān)控區(qū)