摘要：為了有效監(jiān)控大棚環(huán)境狀況，保證大棚作物健康生長，提出一種基于WSN技術(shù)的低功耗環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對大棚溫度、濕度、光照、土壤溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)采用太陽能鋰電供電方式，并采用動態(tài)電源管理算法，結(jié)合改進路由協(xié)議，降低系統(tǒng)功耗，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可有效監(jiān)測溫室大棚的關(guān)鍵環(huán)境因子參數(shù)，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；溫室大棚；無線傳感器網(wǎng)絡；WSN技術(shù)；關(guān)鍵因子

中圖分類號： S126；TP277.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0377-03

收稿日期：2013-12-04

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（13）5066]。

作者簡介：柳軍（1984—），男，江蘇南京人，碩士研究生，助理研究員，主要從事智能農(nóng)業(yè)設施與裝備研究。Tel：（025）84390441；E-mail：nkyliu@163.com。近年來，無線通信技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及嵌入式計算等技術(shù)的不斷進步推動了低成本、低功耗無線傳感網(wǎng)絡（wireless sensor network，WSN）的發(fā)展，促使無線傳感器網(wǎng)絡成為當今的熱門研究領(lǐng)域。WSN是在一定范圍內(nèi)部署的微型傳感器節(jié)點，由這些節(jié)點通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，并將結(jié)果發(fā)送給觀察者[1]。作為種植花卉、蔬菜的重要場所，溫室大棚能夠顯著增強農(nóng)業(yè)的抗災、減災、反季節(jié)生產(chǎn)能力。溫室大棚利用WSN無線網(wǎng)絡技術(shù)的低功耗、低成本、免許可無線通信頻段等特點，改變傳統(tǒng)的有線檢測方式，避免布線，通過利用太陽能小型鋰電供給系統(tǒng)，在不利于電力線路鋪設的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測電力供給，并且節(jié)能、環(huán)保[2-3]。隨著數(shù)字化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，低功耗的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)越來越受到重視。本研究提出了基于WSN技術(shù)的低功耗大棚關(guān)鍵環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，應用于溫室大棚生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測，實時精確獲得溫室大棚環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)，對于系統(tǒng)掌握植物生長發(fā)育規(guī)律及其與環(huán)境的關(guān)系，維持溫室作物的均衡供應具有重要意義。1總體設計

本系統(tǒng)由分布在大棚各處的溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)、主控機構(gòu)成。整個WSN網(wǎng)絡通過優(yōu)化過的路由協(xié)議，改進算法并采用低功耗動態(tài)電源管理方式來達到降低全系統(tǒng)電能需求的目的。WSN網(wǎng)絡節(jié)點間通過無線通信協(xié)議建立聯(lián)系，形成無線網(wǎng)絡，設計交互命令接口以便通過主控或者上位機對全部節(jié)點進行一次性參數(shù)配置。傳感器節(jié)點與路由主控星網(wǎng)連接，即時傳遞采集信息，也可通過網(wǎng)關(guān)向上位機傳遞采集信息，實現(xiàn)遠距離對大棚環(huán)境的實時監(jiān)測，提高了整個系統(tǒng)的延展性。

2硬件設計

監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡主要由無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點、路由節(jié)點以及傳感器節(jié)點組成。這些網(wǎng)絡節(jié)點采用統(tǒng)一的硬件結(jié)構(gòu)模塊組合，再通過不同的軟件設計實現(xiàn)功能切換與配置。整體硬件結(jié)構(gòu)模塊如圖1所示。

2.1能量管理硬件模塊

本系統(tǒng)采用太陽能電池發(fā)電、鋰電池儲能的供電方式，是低功耗無線傳感能量供應方式的發(fā)展趨勢。無線網(wǎng)絡節(jié)點通常由電池供電，每個節(jié)點受電池容量限制，節(jié)點通常放置在高溫濕度的惡劣環(huán)境下，使用過程中如不能及時給電池充電或更換電池，一旦電池能量耗盡，節(jié)點就會停止工作。本系統(tǒng)能量管理模塊設計之一是通過提高電源轉(zhuǎn)換效率，盡量減少電池能量消耗，使用升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換芯片MAX1678，該芯片是低噪聲、高效芯片，滿載效率為90%，典型輸出為 3.3 V，可調(diào)輸出為2.0～5.5 V，同時具有欠壓保護、報警功能[4-5]。當?shù)竭_采集指令周期時，由電源管理模塊對傳感器電源進行供電，閑時停止對傳感器模塊、路由模塊的供電，避免浪費電源（圖2）。

2.2無線網(wǎng)關(guān)路由的硬件模塊設計

無線網(wǎng)關(guān)用于選擇通信信道、網(wǎng)絡標示符，啟動時建立并維護網(wǎng)絡節(jié)點聯(lián)系，允許其他節(jié)點設備加入網(wǎng)絡，同時允許多跳路由。

2.2.1主控MCU選擇主控MCU對數(shù)據(jù)的可靠性要求很高，由于采用電池供電，因此對功耗的要求也很苛刻。數(shù)據(jù)處理單元的微控制器主要側(cè)重于多項功能的開發(fā)，選擇時主要從功能、抗干擾、功耗、速度等幾個方面進行考慮。C8051F930是 Silicon Labs公司推出的高性能、低功耗9系列單片機中的一款。該系列單片機具有集成度高、速度快、混合模擬信號處理、低壓低功耗及兼容8051 指令集等特點，是儀表、手持設備主控制器的理想選擇。

2.2.2Si4432射頻控制接口Si4432 與主機 MCU 之間的通信是通過 SPI 總線實現(xiàn)的，主要涉及 SCLK、SDI、SDO、nSEL 4個引腳[6-7]。Si4432中 SCLK 串行時鐘信號的速率可靈活設定，最大可達 10 MHz。Si4432 主要存在于SHUTDOWN、IDLE、TX、RX 4種狀態(tài)中（表1），在 SHUTDOWN狀態(tài)下功耗最低。主控MCU有5種不同的 IDLE模式，主控可以根據(jù)不同的應用靈活選擇。這些狀態(tài)或模式可以通過操作模式、功能控制寄存器 07H設定。通過在寄存器 07H 中設定 txon/rxon 控制位可以從 IDLE 狀態(tài)中的任意模式自動轉(zhuǎn)移到 TX/RX 狀態(tài)。通過主控對不同模式/狀態(tài)下靈活轉(zhuǎn)換，基于整個網(wǎng)絡狀態(tài)判斷調(diào)節(jié)所處狀態(tài)，可以大大降低網(wǎng)關(guān)及整個傳感網(wǎng)絡因數(shù)據(jù)傳輸帶來的功耗損失。表1無線網(wǎng)關(guān)路由硬件模塊不同模式/狀態(tài)下轉(zhuǎn)換所需要的時間、功耗

狀態(tài)/模式xtalpllwtLBD/TS響應時間發(fā)送接收當前狀態(tài)/模式下電流值關(guān)閉狀態(tài)XXXX16.21 ms16.21 ms10 nA空閑狀態(tài)待機模式00001.21 ms1.21 ms400 nA休眠模式0010[8]800 nA傳感器模式00X1〖8〗1 μA預備模式10XX210 μs210 μs600 μA調(diào)諧模式11XX200 μs200 μs9.5 mA發(fā)送狀態(tài)11XXNA200 μs80 mA@+20 dBm27 mA@+11 dBm接收狀態(tài)11XX200 μsNA18.5 mAendprint

2.3傳感器節(jié)點

該節(jié)點設計主要由無線收發(fā)模塊、AD模塊、微控制器模塊、存儲器模塊、傳感器等組成。微控制器模塊采用C8051F930完成傳感信息初處理，模擬信號數(shù)字化解釋任務。無線收發(fā)射頻模塊核心為Si4432收發(fā)器，實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸與路由任務。AD模塊負責將傳感器信號由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

3軟件設計

軟件設計主要包括數(shù)據(jù)采集配置、無線傳感網(wǎng)絡建立、無線收發(fā)機制、HMI處理等。本系統(tǒng)首先由網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡ID標識建立起無線傳感網(wǎng)絡，傳感節(jié)點、控制節(jié)點再相繼加入網(wǎng)絡。成功建立網(wǎng)絡后，傳感節(jié)點將上次采集的參數(shù)進行配置，通過路由網(wǎng)關(guān)發(fā)送至主控節(jié)點進行識別，確認后進行采樣。

3.1優(yōu)化節(jié)點路由協(xié)議

由于低功耗傳感器網(wǎng)絡采集節(jié)點供電方式為太陽能-電池供電，節(jié)點能量非常有限，節(jié)點之間的通信距離、存儲空間都受能量限制，為了降低能耗，采樣節(jié)點本身不增加存儲功能，同時本系統(tǒng)設計了采樣時間，節(jié)點間默認間隔10 min蘇醒1次，之后15 s內(nèi)保持清醒，與整個傳感網(wǎng)絡建立連接，主控與路由如果修改了采樣時間，就在蘇醒的15 s內(nèi)反饋給采樣節(jié)點。為保證溫室大棚環(huán)境采樣數(shù)據(jù)的準確性，采樣節(jié)點蘇醒時間隔2 s完成3次采樣，取中間值為有效值上傳至主控。

3.2主控軟件設計

啟動主程序時，首先初始化軟硬件設置，建立無線傳感器網(wǎng)絡連接，啟動電源管理策略，開始進入采集環(huán)境關(guān)鍵因子循環(huán)。有針對性地預先設置環(huán)境因子對比庫，根據(jù)經(jīng)驗設置閾值、參數(shù)對比邏輯，設置不同的溫室大棚數(shù)值，每次采樣信息數(shù)據(jù)均須進行存儲，以便進行后續(xù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析。用戶可根據(jù)作物的實際情況設定關(guān)鍵環(huán)境因子的閾值，執(zhí)行操作后繼續(xù)觀測反饋狀態(tài)，如進入了報警范圍則啟動故障報警及信息處理功能模塊（圖3）。

4低功耗電源管理算法設計

常用的電源管理策略有靜態(tài)電源策略、動態(tài)電源策略2種。靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過程中的電源低功耗管理技術(shù)。動態(tài)電源策略是指CPU運行過程中的低功耗技術(shù)。調(diào)整程序運行頻率，當系統(tǒng)忙時提高CPU運行速度，系統(tǒng)空閑時CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I/O口的平均電流、電壓，電流、電壓不變時減少供電時間，從而降低系統(tǒng)功耗。本系統(tǒng)采用動態(tài)電壓電源管理（dynamic power management，DPM）技術(shù)，確保節(jié)點在主控芯片的控制下，始終能夠在節(jié)能模式運行，有必要的事件發(fā)生時可以讓主控芯片接管電源模塊[8-10]。系統(tǒng)主要DPM對象有電池、傳感器接口、射頻模塊、主控MCU。當檢測到電池電量不足時，對同一網(wǎng)路ID節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)請求降低響應頻率。傳感器接口AD模塊的電源管理，主控掃描啟動后會分析當前狀態(tài)，區(qū)分正常電壓模式、自動掉電模式、自動待機模式3個模式。在正常電壓模式下，至少有一路AD在工作。當主控判斷當前所有AD接口均處于不采樣狀態(tài)時，自動掉電模式啟動，關(guān)閉AD以及傳感器電源。

5結(jié)論

為解決現(xiàn)場布線難、供電難的現(xiàn)狀，結(jié)合目前大棚環(huán)境監(jiān)測需求的實際情況，筆者研制了基于WSN技術(shù)的低功耗大棚關(guān)鍵環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，達到降低全系統(tǒng)電能需求的目的，實際測試中，4 500 mA的鋰電滿電能供應溫度、濕度、光照3參數(shù)單節(jié)點正常運行10 d左右，配備太陽能充電模塊，可長期在設施大棚中工作而不斷電。同時，系統(tǒng)主控與傳感網(wǎng)絡通過串口連接，具有易擴展、易操作的優(yōu)點。本系統(tǒng)組網(wǎng)速度快、節(jié)點現(xiàn)場布置靈活、性能穩(wěn)定可靠，可長期有效監(jiān)測溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]暴建民. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用導論[M]. 北京：人民郵電出版社，2011：53-55.

[2]馮友宏，麻金繼，楊凌云，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)和LabVIEW高效環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（2）：128-130，134.

[3]楊璽. 面向?qū)崟r監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡[M]. 北京：人民郵電出版社，2010：5-7.

[4]邵汝峰，張彪，張矢，等. 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能技術(shù)的研究[J]. 傳感器世界，2007（7）：40-43.

[5]伍春，陳雪冬，江虹，等. 基于藍牙的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計與實現(xiàn)[J]. 計算機應用與軟件，2010，27（4）：74-76，101.

[6]李正民，王建輝，劉偉偉.基于Si4432的無線射頻通信模塊的設計與實現(xiàn)[J]. 測控技術(shù)，2012，31（4）：40-43.

[7]趙虎，王三根，王紀元.Si4432無線芯片在普適農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應用[J]. 農(nóng)機化研究，2011（2）：158-162.

[8]盧可義，關(guān)鵬，張文超. 智能生命信息無線傳感器低功耗研究[J]. 生命科學儀器，2007，5（2）：28-33.

[9]胥琳，朱藝華，胡華. 無線局域網(wǎng)中時延感知的電源管理策略[J]. 計算機科學，2011，38（10）：113-116.

[10]白斌，韓國棟，姜玲玲. 基于隊列的動態(tài)電源管理策略[J]. 計算機工程與設計，2009，30（21）：4875-4877，4959.楊業(yè)娟，屠莉. 基于蟻群算法的水果圖像分割技術(shù)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2014，42（9）：380-382.endprint

2.3傳感器節(jié)點

該節(jié)點設計主要由無線收發(fā)模塊、AD模塊、微控制器模塊、存儲器模塊、傳感器等組成。微控制器模塊采用C8051F930完成傳感信息初處理，模擬信號數(shù)字化解釋任務。無線收發(fā)射頻模塊核心為Si4432收發(fā)器，實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸與路由任務。AD模塊負責將傳感器信號由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

3軟件設計

軟件設計主要包括數(shù)據(jù)采集配置、無線傳感網(wǎng)絡建立、無線收發(fā)機制、HMI處理等。本系統(tǒng)首先由網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡ID標識建立起無線傳感網(wǎng)絡，傳感節(jié)點、控制節(jié)點再相繼加入網(wǎng)絡。成功建立網(wǎng)絡后，傳感節(jié)點將上次采集的參數(shù)進行配置，通過路由網(wǎng)關(guān)發(fā)送至主控節(jié)點進行識別，確認后進行采樣。

3.1優(yōu)化節(jié)點路由協(xié)議

由于低功耗傳感器網(wǎng)絡采集節(jié)點供電方式為太陽能-電池供電，節(jié)點能量非常有限，節(jié)點之間的通信距離、存儲空間都受能量限制，為了降低能耗，采樣節(jié)點本身不增加存儲功能，同時本系統(tǒng)設計了采樣時間，節(jié)點間默認間隔10 min蘇醒1次，之后15 s內(nèi)保持清醒，與整個傳感網(wǎng)絡建立連接，主控與路由如果修改了采樣時間，就在蘇醒的15 s內(nèi)反饋給采樣節(jié)點。為保證溫室大棚環(huán)境采樣數(shù)據(jù)的準確性，采樣節(jié)點蘇醒時間隔2 s完成3次采樣，取中間值為有效值上傳至主控。

3.2主控軟件設計

啟動主程序時，首先初始化軟硬件設置，建立無線傳感器網(wǎng)絡連接，啟動電源管理策略，開始進入采集環(huán)境關(guān)鍵因子循環(huán)。有針對性地預先設置環(huán)境因子對比庫，根據(jù)經(jīng)驗設置閾值、參數(shù)對比邏輯，設置不同的溫室大棚數(shù)值，每次采樣信息數(shù)據(jù)均須進行存儲，以便進行后續(xù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析。用戶可根據(jù)作物的實際情況設定關(guān)鍵環(huán)境因子的閾值，執(zhí)行操作后繼續(xù)觀測反饋狀態(tài)，如進入了報警范圍則啟動故障報警及信息處理功能模塊（圖3）。

4低功耗電源管理算法設計

常用的電源管理策略有靜態(tài)電源策略、動態(tài)電源策略2種。靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過程中的電源低功耗管理技術(shù)。動態(tài)電源策略是指CPU運行過程中的低功耗技術(shù)。調(diào)整程序運行頻率，當系統(tǒng)忙時提高CPU運行速度，系統(tǒng)空閑時CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I/O口的平均電流、電壓，電流、電壓不變時減少供電時間，從而降低系統(tǒng)功耗。本系統(tǒng)采用動態(tài)電壓電源管理（dynamic power management，DPM）技術(shù)，確保節(jié)點在主控芯片的控制下，始終能夠在節(jié)能模式運行，有必要的事件發(fā)生時可以讓主控芯片接管電源模塊[8-10]。系統(tǒng)主要DPM對象有電池、傳感器接口、射頻模塊、主控MCU。當檢測到電池電量不足時，對同一網(wǎng)路ID節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)請求降低響應頻率。傳感器接口AD模塊的電源管理，主控掃描啟動后會分析當前狀態(tài)，區(qū)分正常電壓模式、自動掉電模式、自動待機模式3個模式。在正常電壓模式下，至少有一路AD在工作。當主控判斷當前所有AD接口均處于不采樣狀態(tài)時，自動掉電模式啟動，關(guān)閉AD以及傳感器電源。

5結(jié)論

為解決現(xiàn)場布線難、供電難的現(xiàn)狀，結(jié)合目前大棚環(huán)境監(jiān)測需求的實際情況，筆者研制了基于WSN技術(shù)的低功耗大棚關(guān)鍵環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，達到降低全系統(tǒng)電能需求的目的，實際測試中，4 500 mA的鋰電滿電能供應溫度、濕度、光照3參數(shù)單節(jié)點正常運行10 d左右，配備太陽能充電模塊，可長期在設施大棚中工作而不斷電。同時，系統(tǒng)主控與傳感網(wǎng)絡通過串口連接，具有易擴展、易操作的優(yōu)點。本系統(tǒng)組網(wǎng)速度快、節(jié)點現(xiàn)場布置靈活、性能穩(wěn)定可靠，可長期有效監(jiān)測溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]暴建民. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用導論[M]. 北京：人民郵電出版社，2011：53-55.

[2]馮友宏，麻金繼，楊凌云，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)和LabVIEW高效環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（2）：128-130，134.

[3]楊璽. 面向?qū)崟r監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡[M]. 北京：人民郵電出版社，2010：5-7.

[4]邵汝峰，張彪，張矢，等. 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能技術(shù)的研究[J]. 傳感器世界，2007（7）：40-43.

[5]伍春，陳雪冬，江虹，等. 基于藍牙的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計與實現(xiàn)[J]. 計算機應用與軟件，2010，27（4）：74-76，101.

[6]李正民，王建輝，劉偉偉.基于Si4432的無線射頻通信模塊的設計與實現(xiàn)[J]. 測控技術(shù)，2012，31（4）：40-43.

[7]趙虎，王三根，王紀元.Si4432無線芯片在普適農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應用[J]. 農(nóng)機化研究，2011（2）：158-162.

[8]盧可義，關(guān)鵬，張文超. 智能生命信息無線傳感器低功耗研究[J]. 生命科學儀器，2007，5（2）：28-33.

[9]胥琳，朱藝華，胡華. 無線局域網(wǎng)中時延感知的電源管理策略[J]. 計算機科學，2011，38（10）：113-116.

[10]白斌，韓國棟，姜玲玲. 基于隊列的動態(tài)電源管理策略[J]. 計算機工程與設計，2009，30（21）：4875-4877，4959.楊業(yè)娟，屠莉. 基于蟻群算法的水果圖像分割技術(shù)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2014，42（9）：380-382.endprint

2.3傳感器節(jié)點

該節(jié)點設計主要由無線收發(fā)模塊、AD模塊、微控制器模塊、存儲器模塊、傳感器等組成。微控制器模塊采用C8051F930完成傳感信息初處理，模擬信號數(shù)字化解釋任務。無線收發(fā)射頻模塊核心為Si4432收發(fā)器，實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸與路由任務。AD模塊負責將傳感器信號由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

3軟件設計

軟件設計主要包括數(shù)據(jù)采集配置、無線傳感網(wǎng)絡建立、無線收發(fā)機制、HMI處理等。本系統(tǒng)首先由網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡ID標識建立起無線傳感網(wǎng)絡，傳感節(jié)點、控制節(jié)點再相繼加入網(wǎng)絡。成功建立網(wǎng)絡后，傳感節(jié)點將上次采集的參數(shù)進行配置，通過路由網(wǎng)關(guān)發(fā)送至主控節(jié)點進行識別，確認后進行采樣。

3.1優(yōu)化節(jié)點路由協(xié)議

由于低功耗傳感器網(wǎng)絡采集節(jié)點供電方式為太陽能-電池供電，節(jié)點能量非常有限，節(jié)點之間的通信距離、存儲空間都受能量限制，為了降低能耗，采樣節(jié)點本身不增加存儲功能，同時本系統(tǒng)設計了采樣時間，節(jié)點間默認間隔10 min蘇醒1次，之后15 s內(nèi)保持清醒，與整個傳感網(wǎng)絡建立連接，主控與路由如果修改了采樣時間，就在蘇醒的15 s內(nèi)反饋給采樣節(jié)點。為保證溫室大棚環(huán)境采樣數(shù)據(jù)的準確性，采樣節(jié)點蘇醒時間隔2 s完成3次采樣，取中間值為有效值上傳至主控。

3.2主控軟件設計

啟動主程序時，首先初始化軟硬件設置，建立無線傳感器網(wǎng)絡連接，啟動電源管理策略，開始進入采集環(huán)境關(guān)鍵因子循環(huán)。有針對性地預先設置環(huán)境因子對比庫，根據(jù)經(jīng)驗設置閾值、參數(shù)對比邏輯，設置不同的溫室大棚數(shù)值，每次采樣信息數(shù)據(jù)均須進行存儲，以便進行后續(xù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析。用戶可根據(jù)作物的實際情況設定關(guān)鍵環(huán)境因子的閾值，執(zhí)行操作后繼續(xù)觀測反饋狀態(tài)，如進入了報警范圍則啟動故障報警及信息處理功能模塊（圖3）。

4低功耗電源管理算法設計

常用的電源管理策略有靜態(tài)電源策略、動態(tài)電源策略2種。靜態(tài)電源策略是指系統(tǒng)在初始化過程中的電源低功耗管理技術(shù)。動態(tài)電源策略是指CPU運行過程中的低功耗技術(shù)。調(diào)整程序運行頻率，當系統(tǒng)忙時提高CPU運行速度，系統(tǒng)空閑時CPU處于睡眠狀態(tài)；降低I/O口的平均電流、電壓，電流、電壓不變時減少供電時間，從而降低系統(tǒng)功耗。本系統(tǒng)采用動態(tài)電壓電源管理（dynamic power management，DPM）技術(shù)，確保節(jié)點在主控芯片的控制下，始終能夠在節(jié)能模式運行，有必要的事件發(fā)生時可以讓主控芯片接管電源模塊[8-10]。系統(tǒng)主要DPM對象有電池、傳感器接口、射頻模塊、主控MCU。當檢測到電池電量不足時，對同一網(wǎng)路ID節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)請求降低響應頻率。傳感器接口AD模塊的電源管理，主控掃描啟動后會分析當前狀態(tài)，區(qū)分正常電壓模式、自動掉電模式、自動待機模式3個模式。在正常電壓模式下，至少有一路AD在工作。當主控判斷當前所有AD接口均處于不采樣狀態(tài)時，自動掉電模式啟動，關(guān)閉AD以及傳感器電源。

5結(jié)論

為解決現(xiàn)場布線難、供電難的現(xiàn)狀，結(jié)合目前大棚環(huán)境監(jiān)測需求的實際情況，筆者研制了基于WSN技術(shù)的低功耗大棚關(guān)鍵環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)，達到降低全系統(tǒng)電能需求的目的，實際測試中，4 500 mA的鋰電滿電能供應溫度、濕度、光照3參數(shù)單節(jié)點正常運行10 d左右，配備太陽能充電模塊，可長期在設施大棚中工作而不斷電。同時，系統(tǒng)主控與傳感網(wǎng)絡通過串口連接，具有易擴展、易操作的優(yōu)點。本系統(tǒng)組網(wǎng)速度快、節(jié)點現(xiàn)場布置靈活、性能穩(wěn)定可靠，可長期有效監(jiān)測溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]暴建民. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用導論[M]. 北京：人民郵電出版社，2011：53-55.

[2]馮友宏，麻金繼，楊凌云，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)和LabVIEW高效環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（2）：128-130，134.

[3]楊璽. 面向?qū)崟r監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡[M]. 北京：人民郵電出版社，2010：5-7.

[4]邵汝峰，張彪，張矢，等. 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能技術(shù)的研究[J]. 傳感器世界，2007（7）：40-43.

[5]伍春，陳雪冬，江虹，等. 基于藍牙的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計與實現(xiàn)[J]. 計算機應用與軟件，2010，27（4）：74-76，101.

[6]李正民，王建輝，劉偉偉.基于Si4432的無線射頻通信模塊的設計與實現(xiàn)[J]. 測控技術(shù)，2012，31（4）：40-43.

[7]趙虎，王三根，王紀元.Si4432無線芯片在普適農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應用[J]. 農(nóng)機化研究，2011（2）：158-162.

[8]盧可義，關(guān)鵬，張文超. 智能生命信息無線傳感器低功耗研究[J]. 生命科學儀器，2007，5（2）：28-33.

[9]胥琳，朱藝華，胡華. 無線局域網(wǎng)中時延感知的電源管理策略[J]. 計算機科學，2011，38（10）：113-116.

[10]白斌，韓國棟，姜玲玲. 基于隊列的動態(tài)電源管理策略[J]. 計算機工程與設計，2009，30（21）：4875-4877，4959.楊業(yè)娟，屠莉. 基于蟻群算法的水果圖像分割技術(shù)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2014，42（9）：380-382.endprint