基于无线传感器网络的温室控制系统设计.docx
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基于无线传感器网络的温室控制系统设计
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第一章前言1
1.1研究目的和意义1
1.2国内外研究现状2
1.3研究内容2
第二章系统相关技术4
2.1无线传感器网络4
2.2ZigBee无线通信技术4
2.3GPRS概述5
第三章温室参数分析和系统总体设计6
3.1温室参数分析7
4.4报警模块15
第五章软件设计16
5.1管理中心设计16
5.2ZigBee软件开发环境17
5.3传感器节点设计18
5.4汇聚节点设计19
5.5执行结构模块设计20
第六章结论21
致谢22
参考文献23
摘要
我国的农业正在向现代化、规模化、智能化发展。
温室大棚作为现代农业生产中不可缺少的部分，对温室环境的有效管理能提高温室作物生产效率和农民经济效益。
温室环境的湿度、温度、光照强度等因数对温室作物的生长有很大的影响。
针对温室控制的需要，设计了一个基于无线传感器网络的温室控制系统。
该系统通过分布在温室区域内的大量传感器节点采集信息，数据以Zigbee无线传送方式发送至汇聚节点。
汇聚节点通过GPRS网络与远程服务中心通信，同时汇聚节点能接收远程服务中心发出的控制命令，控制部署在温室的控制节点，进而调节温室各参数达到合适要求。
关键词：
无线传感器网络，温室，ZigBee技术
Abstract
China'sagricultureistomodern,large-scale,intelligentdevelopment.Greenhouseanindispensablepartofmodernagriculturalproduction,theeffectivemanagementofthegreenhouseenvironmentcanimprovetheefficiencyofgreenhousecropproductionandfarmers'economicbenefits.Greenhouseenvironment,humidity,temperature,lightintensityandotherfactorsonthegrowthofgreenhousecropshaveagreatimpact.Agreenhousecontrolsystembasedonwirelesssensornetworkisdesignedfortheneedsofgreenhousecontrol.Thesystemcollectsinformationthroughthesensornodesdistributedinthegreenhousearea,andthedataissenttothesinknodeinZigBeewirelesstransmissionmode.TheconvergencenodecommunicateswiththeremoteservicecenterthroughtheGPRSnetwork,andthecollectionnodecanreceivethecontrolcommandsissuedbytheremoteservicecentertocontrolthecontrolnodesdeployedinthegreenhouse,andthenadjustthegreenhouseparameterstomeettherequirements.Thesystemhastheadvantagesoflowcostandconvenientdeployment.
Keywords:
WirelessSensorNetwork，Greenhouse，ZigBeeTechnology
第一章前言
1.1研究目的和意义
目前很多温室控制系统采用的是有线传输方式，有线传输需要铺设大量的信号传输线，由于天气和其他原因设备之间的连接线很容易坏，提高了检修和维护的难度。
将无线传感器网络应用在温室控制系统中，除去了设备之间的信号传输线，不仅提高了系统的准确性，系统的扩展性也得到提高，也方便了系统的检修和维护。
基于无线传感器网络的温室控制系统，能准确地监测温室内温度、湿度、光照强度等参数，大幅度提高温室作物的产量和品质。
1.2国内外研究现状
20世纪，基于总线技术包括以太网技术的温室控制系统得到了快速发展。
葡萄牙的Metrolho,J.C.等人在1999建立了基于CAN总线以及PC机等组建的典型温室控制系统[1]。
美国兴起了划时代意义的无线传感器网络技术，并尝试性地将其运用到温室监测中。
由分布在监测区域内大量微型传感器节点组成，以多跳的形式自组织成网络系统，各传感器采集和分析网络覆盖区域中监测对象的信息，并发送给观察者的技术引起了人们的关注[2-3]。
在无线传感器的技术这个方面，我国的温室无线控制技术仍处于起步阶段。
目前，星型网络拓扑结构在温室控制系统中是运用最多的无线数据传输。
系统中，主机直接与温室大棚中的传感器节点相连。
拓扑结构相对简单，易于检修和维护。
运用温室智能环境监控技术、无线传感器网络技术构成无线温室控制系统，实现温室环境的自动化、规模化控制是未来的发展方向[4-5]。
1.3研究内容
本文根据温室环境参数和无线传感器网络的特点，提出温室控制系统的设计方案。
设计了一个基于无线传感器网络的温室控制系统。
该系统通过分布在温室里传感器节点采集信息，数据以ZigBee无线传送方式将信息发送至汇聚节点。
汇聚节点通过GPRS技术传输到远程服务中心，同时汇聚节点能接收远程服务中心发出的控制命令，控制部署在温室的控制节点，进而调节温室环境参数达到合适要求。
本系统具有成本不高，部署便利等优点。
第二章系统相关技术
2.1无线传感器网络
无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN）是由部署在监测区域内大量的低成本、低功耗微型传感器节点组成，节点之间通过无线通信形成的一个多跳自组织网络系统[6]。
WSN由无线传感器节点、汇聚节点、传输网络和远程控制中心组成，其基本组成结构如图1。
图1无线传感器网络的基本组成部分
部署在被监测区域的监测节点实时、有效、准确的对监测区域进行数据采集，对数据进行存储以无线传输的方式传输到汇聚节点。
汇聚节点对数据进一步的处理、分析、存储，在显示屏上显示，便于观察者查看。
通过互联网传输到远程管理中心，远程管理中心可以对被监测区域发出控制任务和收集数据。
2.2ZigBee无线通信技术
目前，在短距离无线传输技术大家族中，除ZigBee技术外，还有许多，如：
蓝牙技术、UWB技术、Wi-Fi等。
表1给出了几种常见的短距离无线传输技术[5-6]。
表1几种短距离无线通信技术的比较
蓝牙
UWB
Wi-Fi
ZigBee
规范标准
802.15.1
未定
802.11b
802.15.4
工作频段
2.4GHz
3.1-10.6GHz
2.4GHz;5GHz
868/915GHz；2.4GHz
最大传输速率
1Mb/s
110Mb/s
54Mb/s
250kb/s
最大功耗
1-100mW
200mW
100mW
1~3mW
传输距离
l0m
10m
10-100m
10-75m
网络容量
8
8
256
65536
电池寿命
4-8小时
1-2小时
1-3小时
半年以上
成本
低
高
低
低
从上面的表格可以对比得到，ZigBee技术在温室控制系统中有如下优点：
（1）成本低:
相比于其他几种短距离无线通信技术，ZigBee技术的协议栈设计相对简单，ZigBee不收任何协议专利费。
因此ZigBee通信模块的成本低，很适合用在无线传感器网络中。
（2）容量大:
ZigBee有星型、树型、网状结构。
一个主节点管理若干个子节点，一个主节点可以管理254个子节点，主节点可以由上层网络管理可以组成65535个节点。
（3）低速率:
从上表中可以看出ZigBee技术传输速率是最低的，最大为250kb/s，在温室控制系统中，温室采集数据的周期大且数据量大，传输速率低有利于节能，适合温室应用。
（4）功耗低:
相比其他技术的功耗，ZigBee是最低的，而且ZigBee技术允许设备空闲时转入睡眠功能，这有利于节点节能，减少了更换电池的次数，增加电池使用寿命。
ZigBee网络层支持星型拓扑结构、树型和网状拓扑结构，如图2所示。
图2ZigBee技术的网络拓扑机构图
星型拓扑结构由一个协调器控制，协调器可以直接与远程控制中心进行数据通信，当一个节点发生故障时不会影响其他节点工作。
在温室控制系统中部署在监测区域的传感器自组织成网络，以多跳传输数据。
树型拓扑结构包括一个协调器和若干路由器和终端节点，通信原则是：
子节点只能和父节点通信。
网状拓扑结构和树型拓扑结构组成大致相同，由协调器、路由器、终端节点组成，不同的是网状拓扑结构任意节点间可以通信，并且是自动寻找一条信息传输的最优路径。
ZigBee技术可在868MHz、915MHz、2.4GHz三个频段上工作，这三个频段分别适用于全球、欧洲、美国，三个频段的传输速率为20kbit/s、40kbit/s、250kbit/s。
通信延迟时间在15ms-30ms之间，它的传输距离在10-75m之间，用干电池供电。
适合与温室控制系统的短距离传输，低功耗的特点。
2.3GPRS概述
GPRS（GeneralPacketRadioService）是通用分组无线服务技术的简称。
英国BTCellnet公司于1993年提出在GSM发展新的分组数据承载业务GPRS，作为向第三代移动通信（3G）过渡的一种技术，是GSMPhase2+规范实现的内容之一。
GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及TDMA帧结构，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接，从而为用户同时提供语音与数据业务[9-11]。
从外部看，GPRS同时又是Internet的一个子网。
GPRS网络主要有以下特点:
●实时在线，管理中心与汇聚节点实时保持通信，方便用户查阅温室大棚数据。
●按量计费，只有传输数据是才会产生流量费用，没有数据传输，用户可以挂在网上，不会产生任何费用。
●高速传输，GPRS采用分组交换技术，数据传输速率最高可达171.2kbps。
本文采用GPRS技术进行WSN与监控中心之间的通信。
第三章温室参数分析和系统总体设计
3.1温室参数分析
●温度对作物的影响
农作物生长与温度有密切的关系，在农作物适宜温度范围内，温度越高，呼吸作用和光合作用越旺盛，农作物的生长就越好。
而温度过低低，农作物呼吸作减弱，生长缓慢。
晚上农作物只进行呼吸作用，呼吸作用消耗有机物质。
在一定温度范围内，晚上温度越低呼吸作用越弱，消耗的有机物就少。
因此对温室大棚的温度控制特别重要，对温室温度的实时监测有利于提高农作物产量，增加农民收入。
●湿度对作物的影响
温室内的空气湿度是由土壤水分的蒸发、灌溉补充水分和植物的蒸腾作用在设施密闭情况下形成的[12]。
温室内作物代谢旺盛、生长旺盛、作物叶面积指数高,蒸腾作用释放出大量的水蒸气。
同时,由于温室大棚的空间小、密闭性强、空气流通比较稳定,温室大棚内水蒸气经常超标,保持温室大棚湿度在一个适宜范围非常重要。
●光照度对作物的影响
农作物想要旺盛的生长，适宜的光照强度必不可少。
光以光照强度对农作物产生影响，光照强度太低或者太高对农作物的生长都有很大的影响。
太低，光合作用效率低；太高，效率也会降低。
光照强度太高会导致农作物气孔关闭，光合作用受阻。
3.2系统总体设计
温室控制系统的目的是对温室内环境参数的的采集，以及根据监测的数据控制相应的控制节点来控制设备调整温室大棚的环境参数，使其达到农作物的生长的适宜环境。
用户可以根据采集到的参数对农作物适宜生长参数进行调整，使温室作物产量达到最高，农民的收入最大化。
温室系统的具体要求如下：
（1）传感器器节点实时、准确的监测温室环境参数是温室控制必须达到的要求，也是非常关键的部分。
（2）汇聚节点可以实时接收传感器节点发送的数据，能准确的显示在显示屏上，并且还要准确无误的传输到远程服务中心，远程服务中对接收到的数据进行分析、存储、并和原始数据比较，得出最佳的温室环境参数。
（3）远程服务中心收到汇聚节点传输的数据与原始数据比较，高出或低于原始设置数据，发出控制命令，控制装置做出相应反应，调节温室环境参数达到适宜的生长环境。
（4）提供客户端远程管理软件，方便用户方便实时读取温室环境参数，查询历史环境参数数据，发送控制命令。
本文设计的系统主要包括无线传感器节点、控制装置、汇聚节点或者基站，远程服务器，远程管理。
总体框架如下图3所示。
图3系统总体结构
根据应用需求，将大量微型廉价的传感器节点合理分布在被监测区域中，被监测区域有大量的传感器节点和一个汇聚节点，部分节点带有控制设备，控制天窗、遮阳网、热风机、湿帘风机、灌溉装置、补光光源继电器的开启和关闭来调节环境参数。
传感器节点对温室大棚内的温度、湿度、光照强度等信息进行采集，用ZigBee无线通信模块传输至汇聚节点，汇聚节点通过GPRS网络将数据传输给管理中心。
同时汇聚节点可以接收管理中心传输来的控制命令并将命令转发给相应的控制节点，控制节点驱动相应的阀门设备调整环境参数。
管理中心接收数据、分析数据、存储数据并做出控制命令，发送控制命令给汇聚节点，汇聚节点通过ZigBee发送到控制节点。
控制相应设备做出反应。
第四章硬件设计
汇聚节点接收监测节点发送的数据并进行分析、存储、显示通过GPRS技术传输到远程管理中心，汇集节点还可以接收管理中心的控制命令，发送给控制装置调节温室环境参数。
汇聚节点由微处理器模块、无线收发模块、报警模块构成。
现场监测节点由控制模块、无线收发模块、数据采集模块组成。
4.1微处理器模块
在本设计中微处理器模块主要由以下模块构成:
微控制器、数据存储模块、实时时钟模块、按键及显示模块。
微控制器用于对传感器节点采集的环境参数处理与传输，本设计选用MSP430F149芯片作为微控制器芯片，MSP430系列单片机是美国德州仪器生产的一种16位超低功耗的混合处理器。
数据存储模块用于存储传感器节点采集的数据，实时时钟模块主要用于提供系统的实时时钟，按键及显示模块主要用于操作显示被监测区域的温度、湿度、光照强度等环境参数，显示模块还能显示时间，电池电量，方便用户对温室进行控制和观察。
ZigBee无线通信模块用于汇聚节点与温室内传感器节点之间的无线数据通讯，GPRS网络模块用于汇聚节点与管理中心之间的远程无线数据传输，执行机构模块用于对温室内环境参数的控制，使农作物处于适宜的生长环境，报警模块用于系统发生故障或者电池电量低需要更换电池时的报警，通知用户及时处理。
●数据存储模块设计
FM24CL64是采用先进铁电工艺生产的一个保存时间很长的存储器，在断电的情况下存储的数据可以保存45年，具有64kb的容量，操作电源为2.7V~3.6V，最大工作电流40µA。
最大读写频率为1MHz，具有快速的两线串行接口。
FM24CL64采用I2C总线进行数据传输，I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。
它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息[13]。
由于温室控制系统一次传输的数据量相对较小，1片FM24CL64可完成系统数据存储，FM244CL6与MSP430F149单片机的接口电路如图4所示。
图4数据存储模块电路图
单片机MSP430F149接收到传感器节点传输的数据，传输到FM24CL64进行存储时，需要占用MSP430F149三个引脚，使用起来很方便。
SDA是串行数据引脚，数据的输入、输出、传送地址信息等操作用SDA引脚。
SCL是串行同步时钟引脚。
WP写保护引脚，WP为‘0’时有效，WP为‘1’时，单片机无法向存储单元写入数据，只有当WP为低电平时，单片机才可以对存储模块进行读写。
●实时时钟模块设计
本系统的实时时钟模块采用DS1302时钟芯片设计。
DS1302S是一个低功耗、高性能自带存储器的实时时钟芯片。
DS1302通过SPI（是一种高速的，全双工同步的通信总线）三线接口完成与CPU之间的同步通信，DS1302可对时、分、秒、年、月、日、星期进行计时，当出现闰年和一个月不足30或多于30天时可自行调整。
DS1302有主电源和备用电源供电，可设置备用电源进行涓流充电[14]
即串行时钟线SCLK、数据线I/O和复位线RST。
DS1302和MSP430F149的连接电路图需要三条线即串行时钟线SCLK、数据线I/O和复位线RST4。
如图5
图5实时时钟模块电路图
DS1302有两个电源，VCC2是主电源，VCC1引脚上连接一个0.5F电容作后备电源，系统正常工作是，VCC1处于充电模式，当主电源断电时是，后备电源继续供电。
DS1302读取MSP430F149写入的时间，进行时间调整，MSP430F149再从DS1302里读取时钟信息。
RST是复位，当RST输入高电平时数据开始传输。
X1、X2是振荡源外接32768Hz晶振，SLCK为时钟输入端，I/O口为串行数据输入输出端。
●按键及显示模块设计
在汇聚节点处，设计按键及显示模块，显示数据显示温室内不同区域的温度、湿度、光照强度、时间、系统报警及更换电池等信息。
操作模块主要操作显示上述数据。
系统的按键模块提供了K1、K2、K3、K4分别表示“选项”、“确定”、“左”、“右”四个按键。
按键模块的电路设计如图6所示。
图6按键模块电路图
液晶显示如图7所示。
图7液晶显示图
液晶显示模块采用具有低成本、低功耗、多功能的HT1621，与MSP430F149单片机连接仅需4根线。
集成HT1621芯片的液晶显示模块完全满足本设计的显示模块需求。
HT1621写模式时序图如图8所示。
图8时序图
HT1621只有CS，RD，WR和DATA共4个引脚与MSP430F149单片机相连接。
CS负责串行接口电路初始化、中断通信。
CS为高电平时，MSP430F149与HT1621之间不工作，当CS为低电平是进行数据传输。
DATA负责串行数据的输入与输出，RD为读操作，数据在RD下降沿时输出到DATA，在RD上升沿和RD下降沿之间时，MSP430F149读出数据。
WR为写操作，WR为高电平写入DATA上的命令、地址以及数据
显示模块电路如图9所示。
图9显示模块电路图
液晶显示具有低功耗的特点，只有当按键按下时才开启，60s内无操作液晶显示屏自动黑屏。
液晶显示模块显示温室环境内的温度、湿度、光照强度参数和电池过低报警、系统异常。
4.2无线收发模块
CC2530是TI公司推出一款符合ZigBee技术的SOC芯片，使用IEEE802.15.4标准，具有较高的数据传输灵敏度和较强的抗干扰能力。
CC2530集成了RF收发器、8kBRAM、系统内可编程闪存存储器、增强型8051MCU及许多其它强大功能，可以在不同的模式下运行，适用于系统要求低功耗的场合。
CC2530各个运行模式可以在较短的时间内进行转换，实现低能源消耗[15]
●运行条件
CC2530的最佳运行条件
最小值
最大值
单位
运行环境温度
-40
125
℃
运行供电电压
2
3.6
V
表2运行条件
●功能介绍
–适应2.4-GHzIEEE802.15.4的RF收发器
–极高的接收灵敏度和抗干扰性能
–可编程的输出功率高达4.5dBm
–只需极少的外接元件
–只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要
–6-mm×6-mm的QFN40封装
4.3数据采集模块
●温湿度监测单元设计
本设计采用DHT11作为本系统的温湿度传感器，供电电压3.3-5.5VDC,温湿度测量范围20-90%RH、0-50℃。
它具有别的传感器不具备的稳定高效的性能，具有反应快，价格便宜性能优越的特点，DHT11是集传统的数据采集功能和温度传感器技术于一身的现代化温湿度传感器。
DHT11由电阻式感湿元件和测温元件组成，这就决定了其具有稳定性强，受环境影响弱的优点。
在正常的温室环境中DHT11的精确度很高，湿度±5%RH，温度±2℃。
这样的精度完全满足温室的设计准则，再加上其体积小，能耗低，功率大等特点，使其成为温湿度传感器的不二选择。
即使在同类产品繁多的市场上也是最佳选择。
DHT11与CC2530接线图如图10
图10DHT11与CC2530接线图
DHT11引脚说明
表3引脚说明
pin
名称
注释
1
VDD
供电3－5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极
温湿度传感器DHT11与无线传输模块的数据传输是通过DATA引脚完成的，完整的一次传输大概需要4ms。
传输的数据总和为40为，传输的数据包括整数和小数两个部分，前四个字节是温度和湿度的整数部分和小数部分，后一个字节是前面四个字节相加，主要用于检查传输的正确性。
●光照强度监测单元设计
光敏传感器是运用广泛和最常见的传感器，光敏传感器主要是利用光敏元件将光照强度转换成电信号输出，由输出电流的强弱判断光照的强度。
光敏传感器包括光电管、光敏电阻、紫外线传感器、光敏三节管等传感器。
本文选用具有低功耗、低成本的硫化镉（CDS）光敏电阻器UR-74A。
UR-74A具有以下特性:
光照强度与光电流正相关与电阻值负相关，即所受光照强度越强，产生的光电流越大，电阻值越小。
接收光照后，光电流上升到正常值的63%时所用的时间称为“上升时间”，结束光照后，光电流下降到正常值的63%时所用的时间称为“衰弱时间”，通常为10ms至数秒;负载电阻越大，则上升时间越短，衰弱时间越长[17]。
光照强度检测电路如图11所示。
图11光照强度监测电路图
光敏电阻受光的照射，电阻值发生变化，使输入CC2530芯片P0.7端口的电压发生改变，即可得出被测区域所受的光照强度。
温室环境的光照采用模拟自然光或者直接用自然光，光敏电阻具有很快的反应速度，监测的数据具有很高的准确性，光敏电阻器不仅操作简单而且成本和功耗也特别低，符合温室系统的特性。
4.4控制模块
当系统监测的数据与设定的农作物适宜生长参数阈值有差别时，汇聚节点会自动对控制节点发出命令，通过开启或关闭天窗、遮阳网、热风机、湿帘风机、灌溉装置、补光光源等执行子系统对环境参数进行调节。
远程控制中心有时候也会认为的发出控制命令调节温室内参数。
执行子系统的设计如下:
（1）温度控制设计
部署在温室大棚内的温度传感器监测温室环
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