低功耗无线传感器网络节点温室大棚监控系统的设计

高之圣，王海燕

(1.江苏省电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏淮安 223003；2.淮安信息职业技术学院，江苏淮安223003）

0 引言

作物的正常生长需要适宜的温湿度，一旦温室大棚里的环境控制不好就容易导致作物减产，甚至病变死亡。传统的温室大棚种植都是通过在温室内布置复杂的电线及相关的控制设备来实现对温室环境的调控，这给农作物进行播种施肥等活动造成了不便，在生产活动中经常会把电线弄断。随着物联网技术快速发展，将无线传感器网络技术应用到温室大棚监控，省略了布线环节，避免了传统温室大棚所遇到的问题，同时达到了对温室环境因子进行实时监控的要求。

1 系统总体结构设计

无线传感器网络节点温室大棚监控系统拓扑图，如图1所示。网络中采用传感器测量节点和具有简单执行控制功能的控制节点构成无线传感器网络。测量节点用来测量空气温度、湿度、光照强度等重要环境数据，控制节点用来接收计算机传来的远程控制信息，实现对调温、调湿等设备进行相关控制，达到对温室环境参数实时调控。测量节点采集的数据沿着其他测量节点通过多跳的方式进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个测量节点处理，信息经由多条路由后到达汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据直接上传到计算机，所有数据都由计算机进行复杂的数字信号处理，并通过数据库对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据等信息，最后这些数据还可以通过Internet与远程控制中心进行交互，从而实现温室环境的远程监控。

图1 系统拓扑结构

2 系统硬件设计

2.1 监测节点与汇聚节点的硬件结构设计

无线传感器网络监测节点的硬件结构如图2所示，主要组成包含：CC2530、LCD液晶显示模块、温湿度采集模块、光照采集模块，其中AD采样模块、无线射频模块是CC2530内部的硬件资源。

图2 监测节点的硬件结构

在图2中，测量节点采用ZigBee芯片CC2530作为微处理器，负责节点的通信与数据采集。选用DHT21传感器，实现对温室环境的温度和湿度进行采集。选用BH1750传感器，负责对光照度进行采集。系统采用OSAL操作系统抽象层来组织ZigBee无线通信协议，实现节点和协调器的通信。

CC2530单片机是TI公司（德州仪器）生产的一款专用于IEEE 802.15.4和ZigBee协议通信的片上系统解决方案。其RF内核是基于工业领先的射频通信芯片CC2420。汇聚节点主要负责接收传感节点传来的数据，调度传感节点的运行，实现采集数据的上传和用户指令。（图3所示）

2.2 温湿度传感器DHT21接口电路设计

温湿度传感器选用的是DHT21，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有较高的可靠性与稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上。单总线接口电路如图4所示。

图4 DHT21接口电路

DHT21的供电电压为5V。传感器上电后，要等待1s 以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。DATA 用于微处理器与DHT21之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间5ms左右。

2.3 BH1750光照检测传感器接口电路设计

BH1750FVI是一个I2C接口的数字式光照控测传感器，具有很宽的光度探测范围，广泛应用在移动电话、LCD电视、笔记本电脑、数码相机、汽车导航仪等数码领域，BH1750环境光传感器内置16位的模数转换器，它能够直接输出一个数字信号，不需要再做复杂的计算。通过计算电压，来获得有效的数据。这款环境光传感器能够直接通过光度计来测量。光强度的单位是流明"lx"。BH1750FVI的接口电路如图5所示。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要包括：测量节点程序、汇聚节点程序、LCD12864显示程序、传感器数据采集程序、I2C程序、系统软件架构等。

3.1 测量节点程序设计

传感器测量节点的主要功能就是接收汇聚节点（协调器）采集数据的指令采集数据，然后将采集的数据通过无线信道发送出去。传感器测量节点程序结构流程图如图6所示。

图6 测量节点流程图

3.2 汇聚节点程序设计

汇聚节点的功能就是创建无线网络，配置网络节点属性，接收传感器测量节点采集的数据，然后通过串口上传到计算机。汇聚节点程序结构流程图如图7。

3.3 温湿度采集程序

由于温湿度采集用的是DTH21单总线结构，所以在操作时只需要定义一个微理器的IO口即可进行操作，数据采集的流程如图8所示。

3.4 光照度驱动程序设计

光照度传感器是I2C接口，I2C是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。

4 测试结果与分析

图7 汇聚节点流程图

图8 温湿度采集流程如图

图9 测试环境

图9为温室测试环境，监控系统对温室大棚的温度、湿度进行现场监测，根据某天从温室取回数据进行分析，监测数据如表1所示。

表1 测试结果

从表1中可以看出，测得监测点的平均温度和湿度浓度分布稳定在18℃~30℃,85~95% RH，符合在作物黄瓜生长要求的范围内。实践验证，该装置能够在温室高温、高湿的条件下良好地运行，传感器精度达到了预期目标，可以实现对温室环境中的各项参数进行实时精确的检测、采集及控制，促进温室大棚作物增产增收。

5 结论

本文结合目前我国温室大棚的控制系统存在的问题，本文提出了基于无线传感网络技术设计开发的温室大棚环境监控系统，在环境数据采集方面利用了多种传感器检测及自动调节，实现了温室大棚的自动化控制。本监控系统具有低功耗、低成本、体积小、易于扩展、工作可靠等优点，目前已在淮安某镇温室大棚蔬菜基地投入使用，运行情况良好，大大提高了经济效益。

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