李興山 王曉超

摘要：針對傳統(tǒng)溫室環(huán)境監(jiān)測采用有線通信方式的不足，提出了1種基于無線通信技術(shù)的智能溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)及應(yīng)用實(shí)施方案。該系統(tǒng)以射頻芯片SI4432為基礎(chǔ)構(gòu)成短距離無線通信模塊，模塊通過配置相應(yīng)的傳感器對溫室環(huán)境中的空氣與土壤溫濕度等信息進(jìn)行采集，并將采集信息通過由SIM900A構(gòu)建的GSM模塊傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有操作簡單、部署靈活等特點(diǎn)，系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的正確率在95.0%以上。

關(guān)鍵詞：溫室；監(jiān)控；GSM網(wǎng)絡(luò)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；通信；平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP274+.2；S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）07-0426-03

智能溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要領(lǐng)域，它是指配置有計(jì)算機(jī)控制的遮陽系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、濕度控制系統(tǒng)、二氧化碳控制系統(tǒng)等構(gòu)成的自動(dòng)化設(shè)施。通常，1個(gè)智能溫室控制系統(tǒng)由基于傳感器的感知系統(tǒng)、控制中心、控制系統(tǒng)、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)關(guān)系到感知數(shù)據(jù)的自動(dòng)化監(jiān)測和自動(dòng)傳輸?shù)恼_性和有效性，是智能溫室設(shè)計(jì)中須要重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)環(huán)節(jié)。

根據(jù)信息傳輸介質(zhì)的不同，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)可分為有線通信方式、無線通信方式2種。有線通信通常采用RS485總線通信方式[1]、CAN總線通信方式[2]等，盡管該方式具有價(jià)格便宜、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，但也有明顯的不足，如須要在監(jiān)控現(xiàn)場布線，布線結(jié)束后監(jiān)控設(shè)備基本上不能再調(diào)整位置。而現(xiàn)代化溫室的整體結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，且常須要根據(jù)市場情況不斷調(diào)整所種植的植物種類，因此須要經(jīng)常調(diào)整監(jiān)控設(shè)備的位置和種類，使有線方式不能很好地適應(yīng)這種變化。與有線通信方式相比，無線通信方式則具有部署方便、維護(hù)成本較低、可以根據(jù)需要增加或減少測量節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，因此目前在智能溫室設(shè)計(jì)中正逐步取代有線通信方式。

無線通信方式可分為短距離無線通信、長距離無線通信。短距離無線通信通常是指在較小的區(qū)域內(nèi)（數(shù)百米）通過無線電波傳輸技術(shù)提供無線通信的技術(shù)。當(dāng)前，典型的用于智能溫室的無線通信方式有藍(lán)牙（Bluetooth）[3]、ZigBee技術(shù)[4]、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)[5]。長距離無線通信方式是指超過1 200 m的無線通信方式，例如數(shù)傳電臺(tái)、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）[6]等。GSM網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋區(qū)域廣、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)，可用于分布式遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，被廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)控系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，基于WSN構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)具有部署方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，并可有效實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的采集和傳輸，為溫室環(huán)境監(jiān)控提供了一種新穎的、低成本的解決方案[7]。本研究綜合長距離無線通信方式和短距離無線通信方式的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)了一種基于無線通信方式的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對溫室作物生長環(huán)境（如空氣與土壤溫濕度）的監(jiān)控。在該系統(tǒng)中，每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)配置有短距離通信模塊，節(jié)點(diǎn)間通過自組織方式形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)傳送至每個(gè)溫室的匯聚節(jié)點(diǎn)；通過GSM網(wǎng)絡(luò)，由匯聚節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測信息送至遠(yuǎn)端的監(jiān)測控制中心。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程控制中心構(gòu)成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在該系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)都配置有短距離無線通信模塊SI4432，節(jié)點(diǎn)可通過自組織方式形成層次型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)溫室形成1個(gè)以匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹狀子網(wǎng)，信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)采用“多跳”方式實(shí)現(xiàn)。每個(gè)溫室有1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)上除配置有無線通信模塊外，還配置了GSM通信模塊，用于實(shí)現(xiàn)基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要由微處理器模塊、短距離無線通信模塊、傳感器模塊、電源模塊4部分構(gòu)成。首先，通過節(jié)點(diǎn)配置的傳感器監(jiān)測溫室內(nèi)部的環(huán)境因子，經(jīng)過處理后傳送至微處理器，微處理器對該信息進(jìn)行處理后通過無線通信模塊傳給匯聚節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）微處理器模塊。微處理器模塊主要功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳送。選用的微處理器是TI公司生產(chǎn)的16位的MSP430f149[8]，工作電壓為1.8～3.6 V，休眠情況下的電流為0.8 μA，2個(gè)16位的定時(shí)器，集成12位的A/D轉(zhuǎn)換，通用的全雙工異步串行口，60 kB的片內(nèi)FLASH和2 kB RAM，具有速度快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適用于開發(fā)和設(shè)計(jì)單片系統(tǒng)。

（2）無線通信模塊。無線通信模塊的主要功能是將節(jié)點(diǎn)信息通過無線方式傳送出去。選用的是美國SiliconLaboratories公司生產(chǎn)的SI4432芯片[9]，該芯片是一款CMOS的ISM無線射頻收發(fā)器，頻段240～930 MHz連續(xù)可調(diào)，工作電壓為1.8～3.6 V，接收模式的電流為18.5 mA，提供SPI接口與微處理器相連。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，考慮到433 MHz具有較好的穿越障礙的能力，配置SI4432工作在433 MHz。

無線通信模塊可工作在4種狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑、休眠。由于空閑狀態(tài)與收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的能耗較高，所以設(shè)計(jì)中根據(jù)監(jiān)測需求設(shè)置無線通信模塊處于休眠狀態(tài)以降低電源消耗。

（3）傳感器模塊。傳感器模塊的功能是對溫室內(nèi)部的關(guān)鍵環(huán)境因子（空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳、光照度）進(jìn)行檢測。

設(shè)計(jì)中空氣溫濕度采用的是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT75，供電電壓為2.4～5.5 V，提供I2C總線與微處理器交換數(shù)據(jù)。與微處理器的接線方式如圖3所示。

土壤溫度傳感器采用的是DS18B20，工作電壓為3.0～5.5 V，采用一線總線與微處理器交換數(shù)據(jù)。

土壤濕度傳感器選用的是L2610281，工作電壓為（12.0±2.4 ）V，輸出信號(hào)為0～5 V的模擬量。二氧化碳傳感器選用MG811，工作電壓（6.0±0.1） V，輸出信號(hào)為30～50 mV的模擬量。光照度傳感器選用TSL2561，工作電壓2.7～3.5 V，輸出信號(hào)是數(shù)字量，可通過I2C總線與微處理器交換數(shù)據(jù)。

（4）電源模塊。考慮到部分節(jié)點(diǎn)的供電電壓需要12 V，設(shè)計(jì)中采用市電與普通干電池聯(lián)合供電的方式。

3 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)不僅需要收集處理探測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而且需要向遠(yuǎn)端處理中心傳送數(shù)據(jù)，因此，與傳感器節(jié)點(diǎn)相比，匯聚節(jié)點(diǎn)需要更強(qiáng)的處理能力和運(yùn)行速度，設(shè)計(jì)中采用了具有豐富片上資源的三星公司開發(fā)的基于ARM9的嵌入式芯片S3C2440。S3C2440芯片配置有LCD控制器、3通道UART、2通道SPI、1通道I2C，工作頻率可達(dá)400 MHz，在休眠模式可工作，是一款高性能、體積小、低功耗的微處理器芯片。匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。〗

設(shè)計(jì)中，采用4.3寸的LCD觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制，采用USB卡存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)等信息。遠(yuǎn)程通信使用的GSM模塊采用的是英國SIMCOM公司的SIM900A，工作電壓為 3.2～4.8 V，支持頻段900/1 800 MHz，可采用單電源供電。具有較高的集成度且使用簡單，只需要添加電源、SIM和通信接口等外圍接口電路，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信功能。通過向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息提供了快速、可靠的傳輸。SIM900A可通過芯片自帶的串行口與S3C2440進(jìn)行信息交換。短距離無線通信使用的射頻通信模塊是SI4432。鑒于匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件有LCD觸摸屏、GSM模塊等功耗較高的模塊，因此采用“市電-蓄電池”聯(lián)合供電模塊供電。市電通過充放電控制電路與12V/38AH蓄電池相連。當(dāng)有市電時(shí)，通過市電對匯聚節(jié)點(diǎn)供電；當(dāng)無市電時(shí)，可通過蓄電池經(jīng)電源控制電路向匯聚節(jié)點(diǎn)供電。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)上的軟件采用C語言編程實(shí)現(xiàn)。主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、收發(fā)子程序等。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成對無線通信模塊的設(shè)置，系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置；然后開始對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。為了提高節(jié)點(diǎn)能量的使用效率，傳感器節(jié)點(diǎn)的工作模式為：休眠、喚醒、正常工作3種狀態(tài)。在休眠狀態(tài)下，MSP430f149進(jìn)入低功耗狀態(tài)，射頻模塊處于低電流的接收狀態(tài)。在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部設(shè)置定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到后，節(jié)點(diǎn)被喚醒，開始監(jiān)測發(fā)送數(shù)據(jù)，并將鄰居節(jié)點(diǎn)傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)工作時(shí)間結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)（圖5）。

4.2 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用Linux作為操作系統(tǒng)。匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)分為驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層（圖6）。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化；然后調(diào)用驅(qū)動(dòng)層程序讀取傳感器數(shù)據(jù)，對接收到的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)設(shè)置執(zhí)行繼電器開合、報(bào)警、顯示等工作。

4.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

根據(jù)溫室內(nèi)部結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用了樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。構(gòu)建數(shù)據(jù)匯集樹的步驟如下：系統(tǒng)上電后首先由匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播幀，廣播幀中包含到匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息（初始值為0）和節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到該幀后，提取跳數(shù)信息，如果比記錄的跳數(shù)信息大1，則修改跳數(shù)字段和剩余能量字段向外轉(zhuǎn)發(fā)。如果收到的廣播幀跳數(shù)字段與自己記錄的跳數(shù)字段相同，則不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一段時(shí)間后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可得到自己距離匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)。然后，根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量及跳數(shù)，選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為自己的下一跳節(jié)點(diǎn)。此外，將形成一個(gè)以匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集樹。最后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)樹的高度和自己連接的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置定時(shí)時(shí)間，按定時(shí)時(shí)間進(jìn)行休眠、喚醒、工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

5 測試結(jié)果

根據(jù)文中的設(shè)計(jì)，在中國南部省份的1個(gè)溫室大棚中進(jìn)行了測試。10個(gè)節(jié)點(diǎn)（含匯聚節(jié)點(diǎn)）部署在1個(gè)24 m×60 m的溫室大棚中。設(shè)置節(jié)點(diǎn)每1 h采集1次數(shù)據(jù)。報(bào)警溫度下

限設(shè)置為10 ℃，相對濕度報(bào)警下限設(shè)置為50%，測試時(shí)間10 d。信息包在測試時(shí)間期中總的數(shù)據(jù)包傳輸率如表1所示。從表中可知，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸成功率在95%以上，能保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。用戶接收到的短信報(bào)警信息如圖7所示。

6 結(jié)論

本研究針對溫室環(huán)境監(jiān)控的需要，設(shè)計(jì)了一種基于無線通信方式的溫室環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采用短距離無線通信芯片SI4432和遠(yuǎn)程無線通信芯片SIM900A構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅有效克服了傳統(tǒng)有線通信方式部署不靈活的缺點(diǎn)，而且具有低成本、低功耗、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，將為溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的選擇提供參考。

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