Intelligent Ecological Guarantee System Based on Wireless Sensor Network

許　東　高　杰

(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京　100191)

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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能生態(tài)保障系統(tǒng)

Intelligent Ecological Guarantee System Based on Wireless Sensor Network

許東高杰

(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191)

摘要：為滿足多功能、多給水條件，研究設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能生態(tài)保障系統(tǒng)。以CC2530芯片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)和給水控制節(jié)點(diǎn);以低功耗MSP430芯片結(jié)合CC2530設(shè)計(jì)了主控節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的植物種類、時(shí)間信息確定植物的生長周期，并依據(jù)感知的環(huán)境參數(shù)，針對(duì)植物的不同生長周期生成灌溉策略來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)提供了對(duì)自來水、無壓蓄水等不同給水條件的適應(yīng)能力，克服了現(xiàn)有系統(tǒng)功能單一、使用范圍小、灌溉控制不合理的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)生態(tài)保障系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境智能控制人機(jī)交互給水控制

Abstract：To meet the conditions of multi-function and multi-feed-water,the intelligent ecological guarantee system based on wireless sensor network is researched and designed.The sensor nodes and the feed water nodes are designed on the basis of CC2530 chips,and the main control node is designed by combining CC2530 chip and low power consumption chip MSP430.In accordance with the preset plant species and the time information,the growth cycle of plants can be determined by the system.In addition,based on perceived environmental parameters and different growth cycle of the plants,the irrigation strategies are generated for implementing automatic irrigation.The test result shows that the system provides the adaptability for different conditions of water supply,such as tap water,non-pressure water storage,and so on,and overcomes the shortcomings of sole function,small applying scope and unreasonable irrigation control in existing systems.

Keywords:Sensor networkEcological guarantee systemEcological environmentIntelligent controlHuman machine interaction

Feed water control

0引言

植物的生長需要合適的環(huán)境，對(duì)水分、溫度、光照等因素的有效控制是現(xiàn)代生態(tài)保障研究中的重要課題。利用保障系統(tǒng)對(duì)生態(tài)環(huán)境中溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤等環(huán)境因子進(jìn)行控制，從而達(dá)到植物生長的最佳條件[1-3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，ZigBee技術(shù)具有設(shè)備成本低、網(wǎng)絡(luò)功耗低、組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等特點(diǎn)，在生態(tài)環(huán)境保障領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。

現(xiàn)有的生態(tài)保障系統(tǒng)仍存在一定的問題，難以滿足當(dāng)前生態(tài)保障技術(shù)需求：功能單一，難以適應(yīng)復(fù)雜的生態(tài)保障要求；沒有考慮在無壓蓄水情況下的控制問題，對(duì)給水條件的要求較高；智能化程度不高，不能根據(jù)植物對(duì)水分的不同需求進(jìn)行有針對(duì)性的保障控制[7-8]。

綜上所述，亟需一種多功能、適用于多種給水條件并且能夠滿足不同種類植物在不同生長周期對(duì)水分需求的生態(tài)保障系統(tǒng)，以提高生態(tài)保障系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化水平。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

植物在不同的生長周期對(duì)水分的需求是不斷變化的，需要綜合環(huán)境溫/濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分等因素，進(jìn)行保障控制。本文設(shè)計(jì)的一種生態(tài)保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、給水控制器節(jié)點(diǎn)和主控節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)分布式部署在環(huán)境中，其攜帶溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤濕度傳感器，負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)(環(huán)境溫/濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度)數(shù)據(jù)。主控節(jié)點(diǎn)是整個(gè)生態(tài)保障系統(tǒng)的核心，存儲(chǔ)了多種植物在不同生長周期所需的最佳環(huán)境條件。主控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，通過查詢時(shí)間信息確定當(dāng)前植物所處的生長周期，制定相應(yīng)的控制策略，產(chǎn)生控制命令并發(fā)送至給水控制器節(jié)點(diǎn)。給水控制器節(jié)點(diǎn)接收主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的給水設(shè)備，完成給水控制任務(wù)，使得生態(tài)環(huán)境能夠達(dá)到植物生長所需的最佳條件。

2硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)和給水控制節(jié)點(diǎn)都是基于CC2530芯片設(shè)計(jì)的，雖然這兩種節(jié)點(diǎn)在功能上不同，但是在硬件結(jié)構(gòu)上有很多相似的地方。為了減少系統(tǒng)的復(fù)雜性并增加節(jié)點(diǎn)的通用性，可設(shè)計(jì)一塊核心板，包含兩節(jié)點(diǎn)相同的部分，留有傳感器模塊與控制器模塊接口。當(dāng)傳感器模塊接入時(shí)，為傳感器節(jié)點(diǎn)；當(dāng)控制器模塊接入時(shí)，為給水控制節(jié)點(diǎn)。

2.1核心板設(shè)計(jì)

核心板主要由無線處理器模塊、電源模塊、傳感器模塊和控制器模塊構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　核心板結(jié)構(gòu)框圖

無線處理器采用TI公司的CC2530芯片。CC2530的主要特點(diǎn)如下：采用了增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051MCU，具有高達(dá)256 kB可編程閃存和8 kB的RAM；結(jié)合了一個(gè)高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心與IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議；具有4種電源管理模式，可靈活配置系統(tǒng)工作模式以降低系統(tǒng)功耗，工作電流損耗僅為29 mA。因此，CC2530具有體積小、功耗低、成本低等特性，完全滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求[9]。

考慮到系統(tǒng)應(yīng)用在無人看守的野外或者室外，采用2～3節(jié)5號(hào)干電池供電。利用升壓芯片TPS61032將干電池升壓至5 V，然后通過AMS1117芯片降壓得到3.3 V的電壓，以滿足系統(tǒng)的電壓要求。

2.2傳感器模塊設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)中，針對(duì)生態(tài)保障的要求，需要對(duì)環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度4個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)合CC2530的特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)的要求，傳感器模塊選用SHT11溫濕度傳感器、BH1750FVI光照傳感器和濕敏土壤傳感器。

SHT11是一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。它接口非常簡(jiǎn)單，工作電壓范圍為2.4～5.5 V，默認(rèn)的測(cè)量溫度和相對(duì)濕度的分辨率分別為14位、12位，通過狀態(tài)寄存器可降至12位、8位[10]。

BH1750FVI芯片是一種支持IIC總線接口的16位數(shù)字輸出型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器集成電路。其分辨率高，可探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化(1～65 535 lx)，具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，光源依賴性弱，受紅外線影響小，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)定[11]。

濕敏土壤傳感器采用濕敏電阻實(shí)現(xiàn)土壤濕度的測(cè)量，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)可將濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，根據(jù)測(cè)量的電壓值計(jì)算土壤的濕度值。該土壤濕度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，十分利于普及和推廣[12]。

2.3控制器模塊設(shè)計(jì)

控制器模塊主要是提供直流電源輸出接口，通過電源輸出接口的通/斷電完成設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。該接口能夠驅(qū)動(dòng)不同設(shè)備。本文所設(shè)計(jì)的輸出接口既可驅(qū)動(dòng)電磁閥控制自來水，也可驅(qū)動(dòng)小功率水泵控制無壓蓄水，能夠適用于不同給水條件的應(yīng)用。在驅(qū)動(dòng)設(shè)備時(shí)需要幾百毫安的大電流，這就需要對(duì)該接口進(jìn)行隔離處理，否則會(huì)燒毀控制芯片?？紤]以上因素，選用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003完成接口驅(qū)動(dòng)。

2.4主控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的核心，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。主控節(jié)點(diǎn)包括處理器芯片、時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊、按鍵模塊、無線通信模塊和電源模塊。

處理器芯片采用TI公司的MSP430F169，MSP430F169是一款16位超低功耗的混合信號(hào)控制器，具有4種超低功耗模式和5種節(jié)電模式，是目前功耗最低的單片機(jī)。它具有高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊，內(nèi)部集成看門狗定時(shí)器、12位ADC、DMA控制器、液晶驅(qū)動(dòng)器、串行通信(UART、IIC、SPI)等，還自帶多達(dá)2 kB的RAM和60 kB的Flash存儲(chǔ)器，這些性能使得它被應(yīng)用于各類智能儀器儀表中[13]。

圖3　主控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

時(shí)鐘模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)間參考，通過讀取時(shí)鐘模塊的時(shí)間信息，可判斷植物所處的生長周期，從而能夠制定出該生長周期的控制策略。存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)了多種植物在不同生長周期所需的最佳環(huán)境數(shù)據(jù)。顯示模塊和按鍵模塊提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互方式，通過按鍵模塊可以操作主控節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行功能的選擇和信息的查詢。

無線通信模塊采用上文已設(shè)計(jì)的CC2530核心板，主要負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令到給水控制節(jié)點(diǎn)。電源模塊為主控節(jié)點(diǎn)提供能量。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象和目的選擇

所設(shè)計(jì)的生態(tài)保障系統(tǒng)要解決的問題：針對(duì)植物處于不同生長周期時(shí)所需的水分不同，通過控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種變化的環(huán)境需求。選取番茄為實(shí)驗(yàn)植物，并通過控制其生長過程中對(duì)水分的需求，給出所設(shè)計(jì)的生態(tài)保障系統(tǒng)的工作原理和控制結(jié)果。

番茄的生長周期分為發(fā)芽期、幼苗期、果實(shí)膨大期和盛果期。具體的生長周期如表1所示。該表也反映了番茄在不同的生長周期對(duì)于環(huán)境中土壤濕度的需求是不同的[14]。

表1　番茄生長周期與土壤濕度需求表

3.2主控節(jié)點(diǎn)程序

主控節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖4所示。主控節(jié)點(diǎn)上電初始化后建立無線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送采集命令給傳感器節(jié)點(diǎn)并接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，再通過讀取系統(tǒng)時(shí)間信息，判斷番茄處于何種生長周期，并制定與該生長周期對(duì)應(yīng)的控制策略。根據(jù)已制定的控制策略，處理環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生控制命令，并發(fā)送給給水控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，保障土壤濕度處于最佳條件。

圖4　主控節(jié)點(diǎn)流程圖

3.3傳感器節(jié)點(diǎn)程序

傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。

圖5　傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

該程序的主要作用：將傳感器節(jié)點(diǎn)接入主控節(jié)點(diǎn)建立的無線網(wǎng)絡(luò)，接收主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集命令，分析采集命令，根據(jù)采集命令讀取各傳感器，獲得環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。將所測(cè)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集并簡(jiǎn)單融合后，發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)，供主控節(jié)點(diǎn)決策。

3.4給水控制節(jié)點(diǎn)程序

給水控制節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖6所示。

圖6　給水控制節(jié)點(diǎn)工作流程圖

給水控制節(jié)點(diǎn)的主要作用是將給水控制節(jié)點(diǎn)接入主控節(jié)點(diǎn)建立的無線網(wǎng)絡(luò)，接收主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令。當(dāng)有控制命令由主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來時(shí)，分析控制命令，根據(jù)控制命令對(duì)給水控制節(jié)點(diǎn)上的直流電源接口進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)電磁閥或者水泵工作，完成土壤需水量的供給?？刂仆瓿珊螅瑢⒖刂频那闆r反饋到主控節(jié)點(diǎn)，供主控節(jié)點(diǎn)參考決策下一次控制命令。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

將系統(tǒng)部署在測(cè)試環(huán)境中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。每日每隔4 h對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并以日均數(shù)據(jù)作為決策數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表

由表1可知，番茄處于發(fā)芽期時(shí)，最佳土壤濕度為80%，利用采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，經(jīng)智能決策，3月23日不需要進(jìn)行控制；3月24日根據(jù)智能決策結(jié)果，需要進(jìn)行給水控制，計(jì)算控制時(shí)間，需要完成1 min的水分補(bǔ)給控制。當(dāng)番茄處于幼苗期時(shí)，最佳土壤濕度為50%，利用采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，經(jīng)決策此時(shí)滿足環(huán)境要求，不需要進(jìn)行控制。

5結(jié)束語

如何保障植物在不同生長周期所處的環(huán)境是最佳的，一直是生態(tài)環(huán)境保障方面的一個(gè)難題。本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能生態(tài)保障系統(tǒng)，通過利用系統(tǒng)時(shí)間為參考，判別植物處于何種生長周期，進(jìn)而制定合理的控制策略進(jìn)行保障控制，從而滿足植物對(duì)于環(huán)境的變化要求。通過測(cè)試不同生長周期的番茄對(duì)于土壤濕度的需求，結(jié)果說明系統(tǒng)工作良好，能夠保障番茄在不同生長周期總處于最佳的土壤濕度環(huán)境中。該系統(tǒng)不僅能保障文中所測(cè)試的土壤濕度，還能保障光照、CO2濃度等環(huán)境因子，具有廣泛的應(yīng)用性，可應(yīng)用于無人看守的果園、溫棚、蔬菜基地等。

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中圖分類號(hào)：TP273;TH86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602010

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：4122044)。

修改稿收到日期：2015-08-20。

第一作者許東(1973-)，男，2002畢業(yè)于東南大學(xué)模式識(shí)別與智能系統(tǒng)專業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授；主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。