基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室群遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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方案設(shè)計(jì)

溫室群監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)控的范圍較大、節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，而且傳感器節(jié)點(diǎn)的位置和數(shù)量也可能隨著作物的生長(zhǎng)而有所調(diào)整。同時(shí)，由于溫室自身?xiàng)l件的限制，系統(tǒng)并不確定能夠得到充沛的電量供給。因此，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有較大容量、較遠(yuǎn)的單跳距離、較強(qiáng)的自組織自恢復(fù)性以及足夠低的能耗等。

2.1網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的選擇

常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)主要有藍(lán)牙、UWB（UltraWideband）、WiFi及ZigBee。

1）網(wǎng)絡(luò)容量方面，ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址為16位，可容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)量最多可達(dá)65536個(gè)，足以得志溫室群監(jiān)控系統(tǒng)的需求。而藍(lán)牙和UWB的網(wǎng)絡(luò)容量?jī)H為8，WiFi僅為256。

2）能耗方面，ZigBee有著先天的優(yōu)勢(shì)，其原理抉擇了ZigBee技術(shù)在能耗方面遠(yuǎn)低于其他技術(shù)。另外，ZigBee技術(shù)可將空閑的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，進(jìn)一步降低能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。相關(guān)實(shí)踐說(shuō)明，2節(jié)普遍干電池就能維持ZigBee節(jié)點(diǎn)工作0.5y以上。同樣的供電條件，藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)只能維持4～8h的工作，UWB和WiFi更短，僅為1～3h。使用ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，即便有節(jié)點(diǎn)無(wú)法得到外部供電也可依靠板載電源工作，得志系統(tǒng)需求[2]。

3）傳輸距離方面，ZigBee的理論單跳距離達(dá)成100m，是幾種技術(shù)中單跳最遠(yuǎn)的之一，得志系統(tǒng)需求。

4）相較其他技術(shù)，ZigBee技術(shù)在傳輸速率上較低，僅為250Kb/s，但也能得志系統(tǒng)需求。

綜上，選擇ZigBee技術(shù)建立溫室群監(jiān)控系統(tǒng)，用ZigBee協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)總操縱器，在各溫室內(nèi)布設(shè)ZigBee路由器作為溫室操縱器。

2.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳季衷O(shè)計(jì)

溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸和溫室到ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸是本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)。

溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸主要依靠傳感器節(jié)點(diǎn)以及溫室操縱器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)溫室中的節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)分簇，即溫室簇。簇首固定為溫室操縱器，不通過(guò)選舉產(chǎn)生，簇內(nèi)成員為傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)溫室面積較小時(shí)，以單跳的方式組建溫室簇；面積較大時(shí)，溫室內(nèi)加設(shè)路由節(jié)點(diǎn)以組建多跳溫室簇。其中，只有溫室操縱器可以發(fā)起溫室簇的組建。第1個(gè)溫室簇建立時(shí)由ZigBee協(xié)調(diào)器充當(dāng)簇首組建網(wǎng)絡(luò)，之后由各溫室的溫室操縱器組建各自溫室簇。并且各自溫室中的節(jié)點(diǎn)只能參與本溫室簇。當(dāng)全體的溫室簇組建完畢后，由ZigBee協(xié)調(diào)器為各溫室簇調(diào)配編號(hào)以便區(qū)分。將溫室號(hào)和網(wǎng)絡(luò)地址舉行綁定，并由溫室簇簇首統(tǒng)一管理。其余節(jié)點(diǎn)需要在入網(wǎng)前預(yù)先設(shè)定好溫室號(hào)，在參與溫室簇時(shí)按照相應(yīng)溫室號(hào)入網(wǎng)。這樣可以解決相鄰溫室的片面節(jié)點(diǎn)的歸屬問(wèn)題。

各溫室與ZigBee協(xié)調(diào)器的通信依靠各溫室的溫室操縱器和ZigBee協(xié)調(diào)器自組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)其中某個(gè)溫室操縱器不能正常工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)重新組建，數(shù)據(jù)按照固定的最短路徑傳輸。個(gè)別溫室距其他溫室較遠(yuǎn)時(shí)，可在適當(dāng)位置布設(shè)中繼路由節(jié)點(diǎn)。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)硬件由通用模塊加專(zhuān)用模塊構(gòu)成，主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、溫室操縱器、ZigBee協(xié)調(diào)器和無(wú)線(xiàn)執(zhí)行器等。這些硬件都需要具備無(wú)線(xiàn)通信及信息的處理功能，因此，首先設(shè)計(jì)了具有信息處理和傳輸功能的通用硬件模塊并供給了標(biāo)準(zhǔn)接口，然后在通用模塊的根基上參與相應(yīng)的專(zhuān)用模塊，以構(gòu)成相應(yīng)的硬件。

3.1通用模塊的設(shè)計(jì)

通用模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要功能是無(wú)線(xiàn)通信及數(shù)據(jù)處理，主要由處理器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、串口通信模塊及電源模塊構(gòu)成，如圖2所示。

處理器模塊選用的是JN5121-001系列處理器模塊組。它集成了一款32位的RISC微處理器，配備有可以工作在2.4GHz頻段的射頻收發(fā)模塊，可兼容ZigBee協(xié)議和IEEE802.15.4協(xié)議。其擁有類(lèi)型豐富的接口，完全得志系統(tǒng)需求。另外，該模組自帶ROM和RAM，ROM中存儲(chǔ)了通訊協(xié)議棧，RAM支持路由功能和操縱器功能[3]。這種集成化的設(shè)計(jì)，不僅降低了研發(fā)本金，更縮短了研發(fā)周期。

在電源方面，設(shè)計(jì)了板載電源和外部電源2種供電模式，可根據(jù)實(shí)際工作場(chǎng)景生動(dòng)選擇。

為便當(dāng)通用模塊和計(jì)算機(jī)等其他設(shè)備通信，將JN5121中的UART0接口與RS232接口舉行了連接，如圖3所示。

ZigBee協(xié)調(diào)器是整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的操縱中心，主要負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建維護(hù)和數(shù)據(jù)通信。通用模塊具備這些功能，因此通用模塊無(wú)需任何提升便可實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能。

3.2溫室操縱器硬件設(shè)計(jì)

在單個(gè)溫室中，各節(jié)點(diǎn)均為固定工作，沒(méi)有移動(dòng)的需求，因此無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組建后便形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)布局。溫室操縱器作為單個(gè)溫室簇的簇首，主要負(fù)責(zé)接收溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息和向溫室操縱器發(fā)出操縱指令；同時(shí)將片面信息實(shí)時(shí)顯示，并可以實(shí)施簡(jiǎn)樸的操縱[4]。通用模塊已具備數(shù)據(jù)及操縱指令的傳輸功能，因此，在通用模塊上增加了顯示器模塊及操縱按鍵等設(shè)備，即可完成溫室操縱器功能，如圖4所示。

液晶顯示器模塊選用了BARTON公司生產(chǎn)的STF單色液晶顯示屏，由128×64點(diǎn)陣組成，UC1601驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)。

3.3無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是采集溫室內(nèi)的各類(lèi)環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至溫室操縱器。數(shù)據(jù)通信功能由通用模塊完成。數(shù)據(jù)采集是由加裝在通用模塊上的各類(lèi)環(huán)境信息傳感器完成，如溫度傳感器、空氣濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器和pH值傳感器等。由于傳感器種類(lèi)較多，但各類(lèi)型傳感器與通用模塊的連接方式好像，因此，下面以溫度傳感器和光照傳感器與通用模塊的連接來(lái)說(shuō)明無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

傳感器選擇了SHT11溫度傳感器和TSL2550光照傳感器。二者均為數(shù)字傳感器，可直接輸出數(shù)字信號(hào)，無(wú)需經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換便可傳輸至通用模塊。在實(shí)際的連接過(guò)程中，將傳感器上的數(shù)據(jù)通信引腳和時(shí)順操縱引腳連接至數(shù)字輸入DIO接口[5]。由于溫室內(nèi)采集溫度和光照強(qiáng)度的采集點(diǎn)可以重合，且通用模塊的數(shù)據(jù)處理和傳輸才能都足以應(yīng)付2種環(huán)境信息的采集。因此，將溫度傳感器和光照傳感器同時(shí)連接在一個(gè)通用模塊上，形成一個(gè)雙數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)，連接方式如圖5所示。

3.4無(wú)線(xiàn)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的功能是接收溫室操縱器發(fā)來(lái)的操縱信號(hào)并操縱相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如卷簾及噴淋澆灌系統(tǒng)等。其由通用模塊和執(zhí)行模塊組成。通用模塊負(fù)責(zé)操縱信息的接收；執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)對(duì)調(diào)理機(jī)構(gòu)的操縱。

執(zhí)行模塊與通用模塊中的4個(gè)DIO接口相連并傳輸操縱信號(hào)，這樣可以操縱4組調(diào)理機(jī)構(gòu)的操縱開(kāi)關(guān)。通用模塊與執(zhí)行模塊共同組成無(wú)線(xiàn)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，其硬件布局如圖6所示。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器的首要功能是網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù)，之后再將各溫室的環(huán)境信息數(shù)據(jù)發(fā)送至本地操縱中心，并將本地操縱中心發(fā)送給各溫室的操縱信息發(fā)送至相應(yīng)的溫室操縱器。

在網(wǎng)絡(luò)的組建階段，系統(tǒng)會(huì)先通過(guò)掃描選擇到能量較高且空閑的信道。之后允許溫室操縱器節(jié)點(diǎn)參與建立起新的網(wǎng)絡(luò)并對(duì)其舉行標(biāo)識(shí)[6]。然后舉行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、接收數(shù)據(jù)并向本地操縱中心的發(fā)送以及操縱信息的回傳。其軟件流程如圖7所示。

4.2溫室操縱器軟件設(shè)計(jì)

溫室操縱器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)，可向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)苦求。同時(shí)也是本溫室網(wǎng)絡(luò)簇的簇首，負(fù)責(zé)管理本溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。其軟件流程為：先向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送參與網(wǎng)絡(luò)的苦求，當(dāng)苦求被允許后參與ZigBee網(wǎng)絡(luò)并舉行初始化成為網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)并將本溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)參與到網(wǎng)絡(luò)中。另外，溫室操縱器還可以通過(guò)顯示屏模塊顯示各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)按鍵舉行切換顯示。這片面的軟件過(guò)程為溫室操縱器接收傳感信息，再將傳感信息發(fā)送至顯示模塊顯示。當(dāng)接收到按鍵信號(hào)時(shí)，切換下一節(jié)點(diǎn)的傳感信息顯示。結(jié)果，將傳感信息發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器。其軟件流程如圖8所示。

4.3無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息并傳輸給溫室操縱器，其工作流程如圖9所示：首先苦求參與網(wǎng)絡(luò)并獲得網(wǎng)絡(luò)地址，然后讀取傳感信息，處理后發(fā)送至溫室操縱器，此過(guò)程經(jīng)休眠后重復(fù)。

4.4無(wú)線(xiàn)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收操縱信號(hào)并驅(qū)動(dòng)調(diào)理機(jī)構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，無(wú)需路由功能。在工作過(guò)程中，其首先苦求參與網(wǎng)絡(luò)，被允許后網(wǎng)絡(luò)地址并進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)；然后便進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待操縱指令；當(dāng)操縱指令到來(lái)時(shí)執(zhí)行器被喚醒，然后判斷指令的正確性，若指令正確，那么立刻執(zhí)行。若不正確，那么發(fā)送重發(fā)苦求，然后延時(shí)等待。在等待期內(nèi)若接收到重發(fā)的操縱指令信息，那么重新進(jìn)入指令正確性判斷階段，若超過(guò)延時(shí)等待期仍未接收到重發(fā)的操縱指令信息，那么再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。其工作流程如圖10所示。

5結(jié)語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)自動(dòng)檢測(cè)方面有著先天的優(yōu)勢(shì)，監(jiān)控區(qū)