吳其洲, 姚舜才, 王忠慶

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0 引 言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫室環(huán)境的監(jiān)控是一個(gè)非常重要的內(nèi)容.溫室是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要進(jìn)行采光的建筑，因此，溫室的采光性是一項(xiàng)很重要的指標(biāo).而與此同時(shí)，溫室內(nèi)的溫度、濕度的變化也需要加強(qiáng)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(gòu)成網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，這一方法適用于便于敷設(shè)傳輸線的場(chǎng)合.然而，在很多情況下溫室現(xiàn)場(chǎng)的情況很難于敷設(shè)信號(hào)傳輸線.這樣一來，有線傳輸?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)就很難達(dá)到系統(tǒng)所要求的目的了[1].近些年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)及其接入技術(shù)有了一定的發(fā)展，并應(yīng)用在了很多場(chǎng)合.

本文運(yùn)用新型的集成傳感器(無線傳感節(jié)點(diǎn))tmote Sky對(duì)溫室的環(huán)境情況進(jìn)行采樣和檢測(cè)，構(gòu)成了小型的無線傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò).在此無線傳感檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)上，應(yīng)用專用無線傳感系統(tǒng)TinyOS及其編程語言nesC編寫了相應(yīng)的無線節(jié)點(diǎn)模塊，并使用LabWindows軟件作為用戶檢測(cè)界面，實(shí)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(tái)構(gòu)成

本溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)從本質(zhì)上來講是一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，與普通的無線傳感網(wǎng)絡(luò)一樣，如果要實(shí)現(xiàn)信號(hào)在一定距離上能夠進(jìn)行可靠的監(jiān)控，則整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要盡可能的降低能量消耗.故而，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的傳感器件，以及整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(luò)的節(jié)點(diǎn).tmote Sky是工業(yè)級(jí)，用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域的低功耗無線傳感節(jié)點(diǎn)模塊，它使用USB口線并按IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議構(gòu)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(yù)留了若干擴(kuò)展連接口線.模塊的微處理器部分由TI MSP430構(gòu)成，具有8通道的外部和內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換口，使用USB口線與上位計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)置，可在室內(nèi)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(chǔ)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(jìn)行選用.根據(jù)本系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)情況及實(shí)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(zhǔn)，同時(shí)也具有數(shù)字量輸出的功能，校準(zhǔn)參數(shù)均被存儲(chǔ)在E2PROM中.溫度和光傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示.

表1 傳感器的各項(xiàng)參數(shù)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)在進(jìn)行安裝調(diào)試之前應(yīng)該首先對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和一些必要的處理，具體的處理方法是采用節(jié)點(diǎn)廠家所提供的相關(guān)校準(zhǔn)程序以及校準(zhǔn)參數(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試，然后可利用公式(1)對(duì)溫度傳感器所采集和轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量進(jìn)行折算，這樣便得到了校準(zhǔn)后的電壓值：

(1)

在進(jìn)行溫度監(jiān)控和實(shí)施數(shù)據(jù)采樣時(shí)，該模塊規(guī)定了采樣時(shí)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(jìn)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(nèi)的需要檢測(cè)的位置，由于此時(shí)還沒有對(duì)本系統(tǒng)中傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的tmote Sky進(jìn)行編程，可先安裝夾具，并不加裝tmote Sky節(jié)點(diǎn).

2 系統(tǒng)的監(jiān)控軟件構(gòu)成

由于本系統(tǒng)是一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)上選用了一種專門針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)——TinyOS作為軟件編程平臺(tái).TinyOS嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)開源的操作系統(tǒng)，它是由美國加州大學(xué)伯克萊分校開發(fā)的，主要在無線傳感網(wǎng)絡(luò)等方面應(yīng)用, 整個(gè)軟件采用了一種基于組件的軟件架構(gòu)方式.TinyOS嵌入式系統(tǒng)在構(gòu)建一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要一個(gè)與計(jì)算機(jī)相連接的基站，以便向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息，控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并收集和處理各節(jié)點(diǎn)所采集到的相關(guān)信息.TinyOS軟件在控制臺(tái)基站發(fā)出管理和監(jiān)控的相關(guān)信息，然后由各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過樹形網(wǎng)絡(luò)以及中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(yīng)用程序(這些資源主要在tinyos-1.x/apps子目錄下)，并使用“任務(wù)排隊(duì)，事件驅(qū)動(dòng)”的編程模式[3].

在進(jìn)行系統(tǒng)編程時(shí)，主要使用nesC(network embedded system C)編程語言，這種語言是類C的高級(jí)結(jié)構(gòu)化編程語言，是對(duì)傳統(tǒng)C語言的進(jìn)一步擴(kuò)展.nesC語言主要由“架構(gòu)” (Configuration)和“模塊” (Module)組成，此外還有各種相應(yīng)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(jì)有3個(gè)文件夾文件，其中兩個(gè)文件夾文件是分別用來進(jìn)行溫度和光照的數(shù)據(jù)信息采集和進(jìn)行無線傳送的，另外一個(gè)文件夾文件是實(shí)現(xiàn)無線傳送的中繼功能的.這是因?yàn)樵趯?shí)際的環(huán)境參數(shù)測(cè)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(diǎn)所采集的信息送至基站中控臺(tái)，必須使用中繼節(jié)點(diǎn)，以便增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度和延長(zhǎng)其傳輸?shù)木嚯x.

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

圖1 溫度采集與傳送文件的結(jié)構(gòu)圖

在將系統(tǒng)及其各模塊之間相互關(guān)系進(jìn)行合理的安排后，還必須對(duì)該系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)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(gè)模塊的核心任務(wù)主要是完成溫度檢測(cè)、越限報(bào)警以及進(jìn)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(shè)置了溫度采集和傳輸?shù)摹叭蝿?wù)”——task 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(jìn)行數(shù)據(jù)采集和節(jié)點(diǎn)地址的確認(rèn)，在確認(rèn)成功基礎(chǔ)上，將相應(yīng)的檢測(cè)值以及節(jié)點(diǎn)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(yīng)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(luò)構(gòu)成方式進(jìn)行相應(yīng)的修改[4].

圖2 光采集與傳送文件的結(jié)構(gòu)圖

在光的強(qiáng)度采集及其無線射頻傳送的文件中，同樣也包含了一個(gè)“架構(gòu)” (Configuration)以及一個(gè)“模塊” (Module)，此外還有硬件平臺(tái)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(gòu)下，光強(qiáng)度監(jiān)控文件共應(yīng)用了5個(gè)子“架構(gòu)”、2個(gè)“模塊”以及6個(gè)“接口”.整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的“架構(gòu)”及“模塊” 之間的關(guān)系如圖2所示.

在光強(qiáng)度監(jiān)控的這部分軟件程序中，需要調(diào)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(gòu)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(gè)“架構(gòu)”的硬件平臺(tái)文件、系統(tǒng)配置文件以及自述文件.在總的系統(tǒng)架構(gòu)下，本監(jiān)控系統(tǒng)共應(yīng)用了3個(gè)子“架構(gòu)”、2個(gè)“接口”.整個(gè)系統(tǒng)的“架構(gòu)”及“模塊” 之間的關(guān)系如圖3所示.

這部分的軟件指令相對(duì)來講都比較簡(jiǎn)單，茲不贅述.

圖3 中繼文件的結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的溫度監(jiān)控實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

在整個(gè)系統(tǒng)的初步編程和調(diào)試進(jìn)行完稱后，須進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn).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(zhǔn)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(luò)等特點(diǎn).本系統(tǒng)應(yīng)用這種仿真工具對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真模擬.仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常.

在系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)進(jìn)行完畢以后，就投入了整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試，系統(tǒng)總共投入20個(gè)節(jié)點(diǎn)，分布于受測(cè)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(hào)的相關(guān)指令，而對(duì)于采集回來的信號(hào)是不能夠直接直觀地表示出來的.為了使技術(shù)及管理人員對(duì)于溫室環(huán)境的總體情況有一個(gè)清晰的了解，在接收相應(yīng)的信號(hào)后，本系統(tǒng)采用由LabWindows軟件進(jìn)行編程，并提供了友好的用戶界面.該人機(jī)接口界面是基于串口通信的一種圖形化界面.進(jìn)行監(jiān)控操作時(shí)，首先須在一個(gè)tmote Sky的節(jié)點(diǎn)上下載opt/tinyos-1.x/apps/TOSBase的程序，并將改程序載入上位計(jì)算機(jī)的USB口，將上位機(jī)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(jìn)行信號(hào)采集時(shí)應(yīng)首先將基站的USB接口口虛擬為一個(gè)串行通信的接口.將系統(tǒng)所要求的波特率、采樣時(shí)間等參數(shù)按照系統(tǒng)的相關(guān)要求設(shè)定完全以后，開啟系統(tǒng)界面，就可讀出由無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)送回的溫室中溫度的實(shí)時(shí)信息，如圖4所示.同時(shí)，也可以顯示出接收到網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)送回的光強(qiáng)度實(shí)時(shí)信息，如圖5所示.

圖4 基站收到的某節(jié)點(diǎn)的溫度信號(hào)

圖5 基站收到的某節(jié)點(diǎn)的光照信號(hào)

在本系統(tǒng)中，tmote Sky的硬件平臺(tái)上雖然提供了濕度檢測(cè)單元，但由于目前在TinyOS中仍沒有相應(yīng)的調(diào)理電路模塊，因此本系統(tǒng)沒有對(duì)濕度進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控.在整個(gè)試驗(yàn)的過程中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、正常、可靠，達(dá)到了用戶所要求的各項(xiàng)指標(biāo).

參考文獻(xiàn)

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