基于无线传感器网络的温室测控系统研究设计

摘 要： 针对当前温室控制系统存在的扩展性差、智能化程度不高等问题，在分析了无线传感器网络特点的基础上，设计了基于无线传感器网络的温室测控系统的硬件及软件。 硬件上设计了传感器节点和汇聚节点，采用温度、湿度、光照度等传感器，实现了温室环境参数的自动采集。 软件上基于模块化的思想，实现了数据的获取、处理和控制输出等功能。 该设计具有扩展性好、实用性强、便于操作的特点。

1 引言

温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上，通过改变温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等温室环境因素参数来获得农作物生长的最佳条件，从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

现有的温室测控系统主要基于有线方式，一般应用于大型温室，表现出布线复杂、维护困难和投资太大等缺点，难以大规模推广应用。 另外，传感器节点无法灵活部署，健壮性不好，一旦节点失效，就会影响整个系统的性能。 无线传感器网络可以解决传统温室测控系统存在的缺陷，无需布线，即插即用，具有智能性强，健壮性好等优点，且成本较小。

因此，文中提出了一个基于无线传感器网络的温室测控系统的体系结构，并介绍了主要的硬件设计实现和软件系统结构设计。

2 温室测控系统的体系结构

无线传感器网络（ wireless sensor network ,WSN） 是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，具有组网方便，灵活性强等优点。 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。 基于无线传感器网络的特点，设计的温室测控系统的结构如图1 所示。

图1 温室控制系统的结构

传感器节点从土壤本身或周围环境收集温度、湿度、光照度等信息，完成给定的监测任务，将监测数据传输给控制计算机进行决策，使用制动器精确控制土壤中的肥料和水分。 传感器网络的信息采集可以用来指导种植以得到最大产量，还可监测并报告作物状态。

汇聚节点是在应用环境下联系传感器节点和管理节点计算机的中介，利用它可以连接传感器网络与Internet 或WWW 等外部网络，能够实现协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络上。

3 硬件设计与控制原理

3. 1 传感器节点的设计

传感器节点是为传感器网络特别设计的微型计算机系统，是无线传感器网络的基本单元，它负责传感和信息预处理， 响应监控主机的指令发送数据。 它包括五个主要的模块：微控制器、无线射频通信、非易失Flash 存储器、可扩展的I/ O 接口和电源模块。 传感器节点的设计结构框图如图2 所示。

图2 传感器节点的硬件结构

微控制器单元是传感器节点的核心部件，负责处理数据并协调整个系统。 通常选取低功耗、带有混合型号处理能力的微控制器。 这类微控制器在单个芯片上一般具有UART、SPI、I2C 等通用接口；另外由于需要获取传感器采集的数据，同时还应具备多通道的模数转换器；最后，微控制必须具备电源管理功能，使得节点在不工作时可以切换到低功耗甚至超低功耗模式下运行。 本次设计最终选用了AT2MEL 公司生产的ATmega128L 作为微控制器单元主要出于以下两点原因：首先，ATmega128L 采用的RISC技术使其具有较高的计算性能； 其次，AT2mega128L 的可用开源开发软件工具成熟且TinyOS操作系统（传感器节点操作系统） 对其支持较好。 因此为了更加快速地建立传感器节点原型平台，选择ATmega128L 作为节点的数据处理单元。

作为与外界交换信息的接口，无线通信射频模块是传感器节点另外一个重要的单元。 无线射频芯片的选择涉及到芯片的数据传输速率、接收与发送功率、休眠的能耗、启动稳定时间和信号调制方式等。 出于TinyOS 已包含CC2420 驱动支持的原因，本设计选用了Chipcon 公司的CC2420 射频芯片。

扩展接口使用了Mica2 系列的通用51 针标准接口，该接口已成为传感器节点的与传感器模块互连的事实标准接口。 该接口包含两个相同的部分，分别安装在电路板的两侧可以实现模块堆叠扩展。 按照该接口设计出的传感器节点， 可以直接使用Crossbow 公司和各个研究机构设计的大部分传感器模块。

虽然ATmega128L 微控制器自带了4kB 的EEPROM 数据存储区域，但是对于传感器节点来说，拥有一个相对容量更多的、永久的数据存储区域是十分必要的。 例如远程节点代码的自动更新、节点配置信息的保存等都需要更多的存储空间才能得以应用。 为了实现传感器网络系统状态监测组件中的日志模块， 传感器节点的设计中使用了额外的AT45DB041B 非易失FLASH 存储器， 其大小为512kB.

传感器节点采用两节AA 电池供电，为了降低成本，模块未采用专门的监控芯片来进行掉电保护。

3. 2 汇聚节点的设计

在温室测控系统中，汇聚节点是传感器网络与管理节点或者其他外部网络通信的桥梁，在无线传感器网络中起到网关的作用。 汇聚节点的硬件结构如图3 所示。

图3 汇聚节点的硬件结构