吳其洲, 姚舜才, 王忠慶

(中北大學信息與通信工程學院， 山西 太原 030051)

0 引 言

在農業(yè)生產(chǎn)中，溫室環(huán)境的監(jiān)控是一個非常重要的內容.溫室是農業(yè)生產(chǎn)中需要進行采光的建筑，因此，溫室的采光性是一項很重要的指標.而與此同時，溫室內的溫度、濕度的變化也需要加強監(jiān)控.一般的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由有線傳輸并通過工業(yè)總線構成網(wǎng)絡來實現(xiàn)，這一方法適用于便于敷設傳輸線的場合.然而，在很多情況下溫室現(xiàn)場的情況很難于敷設信號傳輸線.這樣一來，有線傳輸?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)就很難達到系統(tǒng)所要求的目的了[1].近些年來，無線傳感網(wǎng)絡及其接入技術有了一定的發(fā)展，并應用在了很多場合.

本文運用新型的集成傳感器(無線傳感節(jié)點)tmote Sky對溫室的環(huán)境情況進行采樣和檢測，構成了小型的無線傳感監(jiān)控網(wǎng)絡.在此無線傳感檢測系統(tǒng)平臺上，應用專用無線傳感系統(tǒng)TinyOS及其編程語言nesC編寫了相應的無線節(jié)點模塊，并使用LabWindows軟件作為用戶檢測界面，實現(xiàn)了在溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的集成化.

1 系統(tǒng)的硬件平臺構成

本溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)從本質上來講是一個無線傳感網(wǎng)絡的系統(tǒng)，與普通的無線傳感網(wǎng)絡一樣，如果要實現(xiàn)信號在一定距離上能夠進行可靠的監(jiān)控，則整個無線傳感網(wǎng)絡需要盡可能的降低能量消耗.故而，對于節(jié)點的傳感器件，以及整個無線網(wǎng)絡節(jié)點所使用的硬件模塊裝置必須滿足低功耗的要求.基于以上的總體考慮，本文選用了由美國Moteiv Corporation公司所生產(chǎn)的tmote Sky作為本無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點.tmote Sky是工業(yè)級，用于無線傳感器網(wǎng)絡、監(jiān)控系統(tǒng)等領域的低功耗無線傳感節(jié)點模塊，它使用USB口線并按IEEE 802.15.4標準協(xié)議構成.在此模塊上包含有微處理器、無線傳輸/接收、天線、外部閃存以及傳感器5大部分，此外還預留了若干擴展連接口線.模塊的微處理器部分由TI MSP430構成，具有8通道的外部和內部A/D轉換口，使用USB口線與上位計算機通信；無線傳輸/接收部分使用CC2420芯片，這是一款基于IEEE 802.15.4標準協(xié)議的芯片，可以提供PHY和MAC功能，是非?？煽康臒o線傳輸芯片；tmote Sky的天線內置，可在室內覆蓋50 m的范圍以及在室外覆蓋125 m的范圍；外部閃存使用ST M25P80芯片，這種芯片具有1 M的數(shù)據(jù)存儲空間，與微處理器之間通過SPI總線相連[2].在tmote Sky上還集成了3種傳感器SHT11，分別是溫度傳感器、光傳感器以及濕度傳感器，用戶可以根據(jù)不同的系統(tǒng)需要進行選用.根據(jù)本系統(tǒng)的現(xiàn)場情況及實際需要，作者選用了溫度傳感器及光傳感器，這兩種集成傳感器模塊可以被外部校準，同時也具有數(shù)字量輸出的功能，校準參數(shù)均被存儲在E2PROM中.溫度和光傳感器的各項指標如表1所示.

表1 傳感器的各項參數(shù)

系統(tǒng)硬件平臺在進行安裝調試之前應該首先對傳感器進行校準和一些必要的處理，具體的處理方法是采用節(jié)點廠家所提供的相關校準程序以及校準參數(shù)對傳感器進行校準和測試，然后可利用公式(1)對溫度傳感器所采集和轉化后的數(shù)字量進行折算，這樣便得到了校準后的電壓值：

(1)

在進行溫度監(jiān)控和實施數(shù)據(jù)采樣時，該模塊規(guī)定了采樣時間必須大于30μs.由于tmote Sky的光傳感器是采用了Hamamatsu公司的傳感器，故具體的數(shù)據(jù)可在http://www.hamamatsu.com網(wǎng)站找到.

進行完上述的工作以后就可以將tmote Sky模塊的夾具安裝在溫室內的需要檢測的位置，由于此時還沒有對本系統(tǒng)中傳感器網(wǎng)絡中的各個節(jié)點的tmote Sky進行編程，可先安裝夾具，并不加裝tmote Sky節(jié)點.

2 系統(tǒng)的監(jiān)控軟件構成

由于本系統(tǒng)是一個無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)軟件的設計上選用了一種專門針對無線傳感網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)——TinyOS作為軟件編程平臺.TinyOS嵌入式系統(tǒng)是一個開源的操作系統(tǒng)，它是由美國加州大學伯克萊分校開發(fā)的，主要在無線傳感網(wǎng)絡等方面應用, 整個軟件采用了一種基于組件的軟件架構方式.TinyOS嵌入式系統(tǒng)在構建一個無線傳感網(wǎng)絡時需要一個與計算機相連接的基站，以便向各個節(jié)點發(fā)出信息，控制各個節(jié)點的工作狀態(tài)，并收集和處理各節(jié)點所采集到的相關信息.TinyOS軟件在控制臺基站發(fā)出管理和監(jiān)控的相關信息，然后由各個終端節(jié)點通過樹形網(wǎng)絡以及中繼節(jié)點進行信息的互相傳遞.TinyOS嵌入式系統(tǒng)提供了很多編程組件以及應用程序(這些資源主要在tinyos-1.x/apps子目錄下)，并使用“任務排隊，事件驅動”的編程模式[3].

在進行系統(tǒng)編程時，主要使用nesC(network embedded system C)編程語言，這種語言是類C的高級結構化編程語言，是對傳統(tǒng)C語言的進一步擴展.nesC語言主要由“架構” (Configuration)和“模塊” (Module)組成，此外還有各種相應的“接口”(Interface)和其他的一些組件.

本系統(tǒng)的軟件置于TinyOS嵌入式編程軟件cygwin/opt/tinyos-1.x/apps的子目錄下，共計有3個文件夾文件，其中兩個文件夾文件是分別用來進行溫度和光照的數(shù)據(jù)信息采集和進行無線傳送的，另外一個文件夾文件是實現(xiàn)無線傳送的中繼功能的.這是因為在實際的環(huán)境參數(shù)測試和數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果單純使用溫度、光照采集單元電路以及無線傳送單元電路并不能將所有節(jié)點所采集的信息送至基站中控臺，必須使用中繼節(jié)點，以便增強信號的強度和延長其傳輸?shù)木嚯x.

在環(huán)境參數(shù)測試采集和信息無線傳送的文件中，包含了一個“架構” (Configuration)和一個“模塊” (Module)，另外還有相應的硬件支持平臺文件、系統(tǒng)的配置文件以及相應的自述文件.在系統(tǒng)總的“架構”下，溫度監(jiān)控總共使用了6個子“架構”、3個“模塊”和5個“接口”.整個無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的“架構”及“模塊” 之間的關系如圖1所示.

圖1 溫度采集與傳送文件的結構圖

在將系統(tǒng)及其各模塊之間相互關系進行合理的安排后，還必須對該系統(tǒng)的各個模塊進行基于nesC語言的編程.這些編程工作主要集中在“模塊”—SenseToRfmYM上，這個模塊的核心任務主要是完成溫度檢測、越限報警以及進行無線傳輸上.其核心指令語句如下：

……

task void TempRfmTask (){

uint16_t TValue;

atomic{

TValue = Stadvl;

}

async event result_t ADCY.dataReady(uint16_t data) {

atomic{

Stadvl = data;

}

post TempRfmTask ();

return SUCCESS;

}……

這段nesC程序中設置了溫度采集和傳輸?shù)摹叭蝿铡薄猼ask void TempRfmTask ()，并沒有帶回任何返回值，程序中使用了“接口”IntOutputY中的“指令”output和ADCY的“事件” dataReady.首先，系統(tǒng)要進行數(shù)據(jù)采集和節(jié)點地址的確認，在確認成功基礎上，將相應的檢測值以及節(jié)點的地址發(fā)送出去.在系統(tǒng)中，無線射頻輸入輸出模塊相應的軟件子目錄：cygwin/opt/tinyos-1.x/tos/lib/counters的IntMsg.h文件必須按照系統(tǒng)的網(wǎng)絡構成方式進行相應的修改[4].

圖2 光采集與傳送文件的結構圖

在光的強度采集及其無線射頻傳送的文件中，同樣也包含了一個“架構” (Configuration)以及一個“模塊” (Module)，此外還有硬件平臺支持文件、系統(tǒng)配置文件以及自述文件.在系統(tǒng)的總架構下，光強度監(jiān)控文件共應用了5個子“架構”、2個“模塊”以及6個“接口”.整個無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的“架構”及“模塊” 之間的關系如圖2所示.

在光強度監(jiān)控的這部分軟件程序中，需要調用包含在tos/platform/telos子目錄下Hamamatsu.h的頭文件，而其他的軟件程序構建大致與溫度監(jiān)控部分的軟件程序相似[5].

系統(tǒng)中，無線射頻傳送的中繼功能文件僅包含一個“架構”的硬件平臺文件、系統(tǒng)配置文件以及自述文件.在總的系統(tǒng)架構下，本監(jiān)控系統(tǒng)共應用了3個子“架構”、2個“接口”.整個系統(tǒng)的“架構”及“模塊” 之間的關系如圖3所示.

這部分的軟件指令相對來講都比較簡單，茲不贅述.

圖3 中繼文件的結構圖

3 系統(tǒng)的溫度監(jiān)控實驗與結論

在整個系統(tǒng)的初步編程和調試進行完稱后，須進行仿真模擬實驗.本文所采用的仿真工具是TinyOS的專用仿真模擬工具Tossim，這種仿真工具具有準確、完備以及適于連接和仿真、模擬大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡等特點.本系統(tǒng)應用這種仿真工具對系統(tǒng)的運行情況進行了仿真模擬.仿真試驗結果表明，整個系統(tǒng)運行正常.

在系統(tǒng)的仿真試驗進行完畢以后，就投入了整個系統(tǒng)的現(xiàn)場實際調試，系統(tǒng)總共投入20個節(jié)點，分布于受測溫室的不同位置.TinyOS是一種非圖形化的嵌入式系統(tǒng)，它本身只提供檢查采集信號的相關指令，而對于采集回來的信號是不能夠直接直觀地表示出來的.為了使技術及管理人員對于溫室環(huán)境的總體情況有一個清晰的了解，在接收相應的信號后，本系統(tǒng)采用由LabWindows軟件進行編程，并提供了友好的用戶界面.該人機接口界面是基于串口通信的一種圖形化界面.進行監(jiān)控操作時，首先須在一個tmote Sky的節(jié)點上下載opt/tinyos-1.x/apps/TOSBase的程序，并將改程序載入上位計算機的USB口，將上位機作為通信基站[6].由于LabWindows軟件提供了一種串口通信界面，因此系統(tǒng)在進行信號采集時應首先將基站的USB接口口虛擬為一個串行通信的接口.將系統(tǒng)所要求的波特率、采樣時間等參數(shù)按照系統(tǒng)的相關要求設定完全以后，開啟系統(tǒng)界面，就可讀出由無線傳感網(wǎng)絡的各節(jié)點送回的溫室中溫度的實時信息，如圖4所示.同時，也可以顯示出接收到網(wǎng)絡各節(jié)點送回的光強度實時信息，如圖5所示.

圖4 基站收到的某節(jié)點的溫度信號

圖5 基站收到的某節(jié)點的光照信號

在本系統(tǒng)中，tmote Sky的硬件平臺上雖然提供了濕度檢測單元，但由于目前在TinyOS中仍沒有相應的調理電路模塊，因此本系統(tǒng)沒有對濕度進行相應的監(jiān)控.在整個試驗的過程中，無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、正常、可靠，達到了用戶所要求的各項指標.

參考文獻

[1] M. Rabbat and R. Nowak. Distributed Optimization in Sensor Networks[Z]. IPSN, Berkeley, CA, 2004.

[2] http://www.moteiv.com[EB/OL],2010-09-20.

[3] http://www.crossbow.com[EB/OL],2010-11-17.

[4] R. Willett, A. Martin, R. Nowak. Backcasting: Adaptive Sampling for Sensor Networks[R]. Proceedings of IPSN, 2004.

[5] J. Aldrich, C. Chambers, D. Notkin. Architectural Reasoning in ArchJava[R].European Conference on Object Oriented Programming (ECOOP),2002.

[6] R. Szewczyk, A. Mainwaring, J. Polastre,etal. An Analysis of a Large Scale Habitat Monitoring Application[R]. Proc. of SenSys ′04, 2004.