基于无线传感网络的温室环境监控系统研究

管海娃，骆秋琴，徐晓乐

GUAN Hai-wa,LUO Qiu-qin,XIU Xiao-le

（温州科技职业学院，温州 325000）

1 无线传感网络技术

无线传感网络技术将信息处理、网络通信以及传感器技术结合起来，是获得传感信息的最高效的解决方案；它由分布在一定区域内的传感节点组成，这些节点可以进行无线通信和数据处理，并能够自动组织为无线网络。一个典型的无线传感网络主要由传感器节点、汇聚节点和监控终端组成；传感器节点是无线传感网络的基础组成部分，主要完成数据的采集；汇聚节点收集并管理传感节点采集到的数据，并将这些数据传输到中央监控主机。

无线传感网络的传感节点一般采用电池供电，这无疑限制了节点的能量，从而也就限制了通信带宽和节点的存储能力等。无线传感器网络的主要特点如下[1]：1）多跳路由：传感节点有限的能量，决定了其通信范围较小，所以如果要与远距离节点通信，就必须利用中间节点进行多跳方式的路由通信；2）自组织：无需额外的网络设施去架设无线传感网络，各个传感节点可以自组织为无线传感器网络，从而进行自动通信；3）由于采用了分布式管理，无线传感网络更容易受到网络安全性威胁，所以无线传感网络的安全性问题更加突出。

相对传统的无线网络，无线传感网网络在网络体系结构上有很大的区别，网络体系结构的不同会在很大程度上影响无线网络的性能。无线传感器网络主要包括三部分：应用支撑技术、分层协议和传感器网络管理技术。应用支撑技术以分层协议和无线传感网络管理技术为基础，面向上层应用，处于无线传感器网络体系结构的最上层，主要可以提供传感节点定位以及时间同步等；节点定位的目的是确定传感节点在网络中的具体位置，应用于温室环境监控时，节点定位非常重要，可以具体控制定位节点处的温室环境，如果节点定位错误，温室环境可能产生非常大的偏差。无线传感网络主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层以及应用层五个层次；物理层直接接收无线传感信号，数据链路层将传感信号封装为可以在通信链路中传输的信息，网络层主要实现网络互连和路由功能，传输层控制在无线传感网络中传输的数据流，保证数据的传输可靠到达目的地。无线传感器网络管理技术主要包括能量管理、服务管理以及网络安全管理；众多的无线传感节点共享数据、相互协作，并且保持一种能量高效性，从而以最少的能量进行数据采集和节点通信。

2 温室无线传感节点的设计

要真正实现无线传感网络节点的功能，需要在硬件和软件上进行设计，本文在接下来的传感节点设计中，介绍了温室无线传感网络的硬件结构和软件设计。

2.1 温室无线传感网络的硬件结构

从硬件的角度来看，基于无线传感网络的温室环境监控系统由底层传感节点、中间网关以及上层PC监控层构成。

微处理器模块主要完成采集到数据的数据处理。温室系统和ZigBee协议栈对微处理器做了如下要求[2]：1）8位处理器；2）完全协议栈的只读存储器ROM要小于32K，简单协议栈的只读存储器ROM要小于6K；3）协调器要有充足的随机存储，以保存传感节点采集到的数据和路由信息。基于以上要求，本文在设计温室环境监控系统时，采用AVR系列的单片机，芯片包括ATmega128L，CC2420，DS2401P，AT45DB041以及其他的外围器件。

CC2420功耗低而且性能比较稳定，能够保证数据地正确传输，利用它开发的无线通信设备数据传输率非常高，适合多点对多点的快速组网；另外，设备的发射极部分基于直接上变频，数据在发送时先被传输到数据发送缓存内，而且无线通信硬件自动产生传输数据流的头帧和起始帧。要发送的数据流接下来被扩频送到数模转换器，经过上变频的混频后，最终被传输到天线进行发送[3]。CC2420内部包括33个控制/状态寄存器，2个寄存器用于访问先进先出缓冲区，还有15个命令选通寄存器；访问CC2420的地址信息字节最高位是访问类型，用于表明是对寄存器还是RAM的访问；

无线传感网络的传感节点一般只可以通过电池供电，电量的不断消耗降低传感器的测量精度。可以在传感器节点上增加一个基于S812AMC30的稳压电路，并增加一节电池。另外要注意的是，传感节点处于睡眠状态时功耗电流只有7～-8 uA，因此需要选用自身功耗电流较小的LDO作为稳压装置。

在本文设计的温室环境监控系统中，传感器模块采用的是数字传感器SHT11。SHT11在一个芯片上集成了温湿度传感器、数模转换电路、传感器标定数据以及串行通信接口，可以认为是在一个芯片上的两种传感器，可以同时监控温度和湿度，所以在温室环境监控中应用较广。

2.2 温室无线传感网络的软件设计

无线传感网络的操作系统要能够高效地使用无线传感节点的各种资源，比如内存、低速、低功耗的处理器和传感器等；在面向无线传感网络的操作系统支持下，应用程序间还可以进行并行计算、并行通信等，此时要求操作系统的逻辑控制流程满足这种并发程度高、执行时间短的要求；另外，无线传感节点也有很高的模块化程度，所以应用程序要能够在不影响系统开销的情况下，比较容易地控制硬件。

在温室环境监控系统中，有些场合会用到定时器。定时器会通过调用中断服务来产生定时中断。一般而言，设计定时器时多采用软定时方式；定时器不仅包含了硬件初始化接口、软定时器设置接口，还包括中断服务程序：每隔固定的时间间隔就产生中断，并且每次中断都比较软定时器的时钟变量，一旦软定时器的时钟变量与中断时钟相匹配，定时监控程序就调用相应的模块完成定时任务。无线传感节点与中央监控主机进行串口通信时，使用的是UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）接口，UART驱动主要包括UART硬件初始化程序、UART数据包发送接口和UART数据包接收接口。

在通信协议上，为缩短监听周期，可以在CTS发送状态周期内周期性地发送SYNC帧，当源节点向目的节点发送数据包时，先生成一个SYNCRTS帧，此SYNC-RTS帧包含目的信息、同步信息以及RT S请求等。目的节点在第一个状态内收到SYNC-RTS后，生成一个SYNC-CTS帧，此帧包含目的信息、同步信息以及CTS请求。接下来源节点和目的节点开始交换数据，结束后进入睡眠。其他节点占用信道则通过CSMA/CA方式竞争获得。

3 基于无线传感网络的温室环境监控系统设计

温室环境监控系统采集的参数并不是单一的物理量，而是多元的；基于此，在分析无线传感网络通信协议时，采用了ZigBee方式。ZigBee通过组网方式可以采集多达65000个传感节点的数据，完全可以满足温室环境监控的需求；温室中传感节点间的通信距离一般在十几米之内，而ZigBee的有效通信范围介于10到70米之间，完全满足实际需要。

基于无线传感网络的温室环境监控系统由传感节点、汇聚节点、网关以及客户端组成；传感节点自组织为无线传感网络，并采集温室环境数据，然后将这些数据传输到汇聚节点；汇聚节点处理温室环境数据，并通过网关将其传输到服务器，由服务器对温室环境数据进行后续处理，并进行监控。

[1] 张武. 无线通讯模块PTR8000在温室环境监测中的应用[J]. 农业网络信息. 2009,6： 32-37.

[2] 张小斌,郑可锋,张建成,方正平. 无线传感网在浙江设施农业大棚中的应用探讨[J]. 浙江农业学报. 2011,3：25.

[3] 冯宾. 基于ZigBee无线网络技术的现代温室环境检测系统研究[D]. 安徽农业大学,2010,06,01.

[4] 冯雷,陈双双,杨凯盛,谢传奇. 基于无线传感器网络的温室草莓园监测装置[D]. 浙江大学,2011,09,28.