基于无线传感器网络的温室生态智能监控系统研究

蔡 镔，马玉芳，赵振华，邱秀荣，赵小丽，顿文涛，袁 超

(1.河南农业大学，河南郑州450002;2.商丘工学院，河南商丘476000;3.中国人民解放军信息工程大学，河南郑州450001)

设施农业是近年来迅速发展起来的一种集约化程度很高的农业生产技术.设施农业借助温室及其配套装置来调节和控制作物生长的环境条件，是农业摆脱自然制约的有效手段［1，2］.以色列、荷兰等国在设施农业的研究和生产方面已达到很高水平.中国的设施农业目前已由简易塑料大棚、温室发展到具有人工环境控制设施的现代化大型温室和植物工厂.但与国外相比，中国的设施农业普遍存在科技含量低、劳动强度大、生产水平和效益低下等缺点［3，4］.信息采集与处理技术是提高设施农业水平不可或缺的重要环节.将低成本、高效率、智能化的设备应用于农业信息采集，用信息技术来改造传统农业，可推动中国农业向实质意义上的“工厂化、现代化”方向持续快速地发展［5］.目前的温室监控系统一般采用基于RS485总线的有线通信方式，这种监控系统灵活性和扩展性能差、布线繁琐、建设成本高、线路易老化，故障发生率和误报警率较高.无线传感器网络是涉及微机电系统、计算机、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合性技术.通过无线传感器网络构建温室生态监控系统，可实现对土壤水肥、作物生长和病虫灾害等信息的实时精确测量，为灌溉施肥、病虫防治和作物收种等工作带来巨大便利［3，6］.本研究针对设施农业的发展趋势及有线监控系统的缺点，设计了一种基于无线传感器网络的温室生态智能监控系统，可对温室环境参数进行实时动态监测，管理者在控制室可随时了解现场信息，从而提高农业管理的网络化、智能化水平.

1 温室生态智能监控系统的总体设计

1.1 监控需求分析及系统设计原则

作物只有在一定的环境范围内才能够生长.环境对作物生长的影响是综合的，它既可影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可通过影响有机物的合成和运输等来影响作物的生长，还可以直接影响温度、湿度，通过影响水肥的吸收和输导来影响作物的生长［3］.因此，温室生态智能监控系统的监控对象主要包括:土壤温湿度、土壤成分、pH值、空气温度、湿度、气压、光照强度、CO2浓度等.基于智能温室的特点，本着节约成本的要求，温室生态监控系统需要对以下2个重要指数进行重点监测.(1)温度、湿度的监测.作物的生长与温度、湿度有密切关系，温度、湿度的监测是温室生态监控系统最基本的监测内容之一.(2)CO2浓度的监测.农作物生长发育离不开光合作用，而光合作用又与CO2浓度有关，控制CO2的浓度，有利于作物的生长发育.温室生态智能监控系统的研发目标是设计一个应用无线传感网络实现温室生态环境信息采集的监控系统.该系统要求传感器节点在监测区域内构成网络，采集所需的数据，并将采集到的数据实时的传送给监控管理中心，使用户能够通过监控终端查询所需的数据.基于无线传感器网络的温室生态监控系统应包含以下功能:(1)具有远程访问和控制能力，管理者可以远程监控传感器网络的状态和数据.其次，要求系统监测到的信息能实时传送到监控终端，使用户能实时查询温室内的环境变化情况.(2)数据存储能力大，系统需将大量的传感数据存储到远程数据库，并能够进行离线的数据访问.(3)多种告警方式及告警级别，如本地声光告警及远程的短信及传呼报警，丰富的告警级别.(4)监控中心为图形化显示及操作界面，操作方便.

1.2 温室生态智能监控系统的网络结构

基于无线传感器网络的温室生态智能监控系统由无线传感器监测网络(传感器终端节点、汇聚节点)和监控中心(若干预警监测服务器)组成.无线传感器网络通常有星状网络、环状网络、树状网络、网格网络等拓扑形式.一般会根据区域监测对功耗、传输距离及数据率的要求，选择不同的节点网络拓扑［7］.

温室生态智能监控系统中，传感器网络采用网状拓扑结构.传感器节点分布于温室环境内，每个节点均具备采集环境信息的功能，实时采集温度、湿度、CO2浓度等环境数据，并通过Zigbee射频方式实现节点之间的通信.Zigbee是一种新兴的短距离、低功率、低速率、低成本的无线传感器网络技术，工作于2.4 GHz全球统一且无需申请的工业科学和医疗频段，传输速率为10～250 kb·s-1，传输距离为10～75 m.用于近距离无线通信，适合现场监测［8］.节点内置的嵌入式软件能够实现通信链路的保存和管理，从而实现节点的组织和路由等功能.汇聚节点具备通信和信息的路由等功能，负责收集终端节点发送的数据进行初步处理，然后通过RS-232串口或GPRS传送至给监测中心.监测中心负责数据的接收、分析及显示，当出现异常时启动报警模块.温室生态智能监控系统的网络结构如图1所示.

图1 温室生态智能监控系统的网络结构Fig.1 The network structure of greenhouse ecological intelligent monitoring system

1.2.1 数据采集 环境监测系统中，通常需要利用传感器采集数据.传感器是监测系统的触角，根据具体的应用场合，需要采集何种数据，就使用相应的传感器，实现对环境的监测.

1.2.2 数据传输 在环境监测系统中，数据传输由两部分构成.第1部分是由终端节点传输到汇聚节点，第2部分是由汇聚节点传输到监控中心.在汇聚节点收集数据的过程中，系统采用Zigbee技术;当数据由汇聚节点传输到监控中心时，采用RS-232串口或GPRS传输技术.

1.2.3 数据分析与存储 数据的分析与存储是通过数据中心的软件来实现的，数据中心的上位机软件在接收到传感器网络发送过来的检测数据后，需要对数据进行存储，并通过相关的技术对数据进行分析处理，得出相应的结论，从而实现对监测区域的实时监测.

2 无线传感器网络节点的硬件设计

无线传感器网络节点通常采取模块化结构设计，由传感器模块、处理模块、通信模块、电源管理模块构成(图2).传感器模块负责采集监视区域的信息并完成A/D转换，采集的信息包含温度、湿度、CO2浓度等;处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位以及任务管理等;通信模块负责与其他节点进行无线数据交互，传输控制消息和收发采集数据;电源管理模块负责功耗管理.随着芯片设计的发展，目前处理器模块和无线射频模块可以集成在同一个芯片中，大大简化了射频电路的设计.

图2 无线传感器网络节点的结构Fig.2 The structure of the wireless sensor network node

CC2430在单个芯片上整合了Zigbee射频(RF)前端、内存和微控制器，大小仅为7 mm×7 mm，设备集成度高、外围器件很少、外形极小.它使用1个8位MCU(8051)，具有128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、定时器(Timer)，AES-128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer)，32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown Out Detection)，以及21个可编程I/O引脚［9，10］.在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA.CC2430支持4种休眠机制，可以大大地降低功耗.同时，CC2430工作在2.4 GHz的免费频段.

温湿度传感器选用SHT11，用于检测温室内部作物冠层温度及环境湿度，SHT11将温度测量和湿度测量集合在一个传感器中，简化了电路、节约了功耗.芯片内部集成了14位A/D转换器，且采用数字信号输出，测量精度较高.SHT11的性能指标是:湿度测量范围0～100%;温度测量范围-40～123.8℃;测湿精度为±3%;测温精度为±0.4℃(在25℃时);电源电压范围为2.4～5.5 V;电流消耗:测量时为550 μA，平均为28 μA，休眠时为3 μA;类12C总线数字输出.SHT11接口简单，提供二线数字串行接口SCK和DATA.

CO2传感器选用CDM4161，用于检测温室内部CO2浓度.该传感器内部集成了CO2气体传感器TGS4161和 PLC16LF88单片机，体积小、寿命长、稳定性高.CDM4161的主要性能指标是:测量范围400×10-6～4 000×10-6;使用寿命2 000 d;检测精度±30×10-6±5%;电源输入5 V;消耗电流50 mA(平均值)，250 mA(峰值);工作环境温湿度-10～50℃、相对湿度5% ～95% .

SHT11采用二线数字串行接口和CC2430进行数据通信，SCK数据线负责SHT11和CC2430的通讯同步;DATA用于数据的读取.为避免信号冲突，CC2430应驱动DATA在低电平，同时需要1个外部的上拉电阻将信号提拉至高电平.CDM4161的VCONC负责CO2浓度测试输出.传感器模块与CC2430的连接如图3所示.

图3 传感器模块与CC2430的连接Fig.3 The connection diagram of sensor module with CC2430

3 温室生态智能监控系统软件的实现

温室生态智能监控系统的软件设计也坚持模块化设计原则.本系统从下至上分为参数设置、数据传输、数据处理3个层次.参数设置模块，实现各节点、汇聚节点、监控中心的参数设置，如节点的工作模式、工作频度等.数据传输模块，实现监测数据的发送、接收，存储;数据处理模块，负责对监测数据的处理，包括数值计算、逻辑判断、存储查询、分析统计等.另外还有系统维护模块，主要实现对日志文件的处理、系统配置信息、管理信息、控制信息、节点列表等信息的控制维护，以及对报警信息作出反应.监控系统软件结构如图4所示.

传感器节点的主要功能是信息的采集和简单融合后通过串口发送到监控中心(PC机)，或通过GSM/GPRS传输到Internet.同时汇聚节点也可接收来自监控中心的指令信息.汇聚节点的软件设计包括2部分:(1)从传感器节点到汇聚节点的数据传输，系统采用Zigbee无线传感器网络技术.(2)从汇聚节点到监控中心的数据传输，可采用串口或GPRS技术.

图4 温室生态智能监控系统的软件结构Fig.4 The software structure of greenhouse ecological intelligent monitoring system

图5 汇聚节点软件设计流程图Fig.5 Flow chart of software design for sink nodes

4 结语

无线传感器网络技术近年来飞速发展，应用前景十分广阔.本研究提出了一种基于无线传感器网络的温室生态智能监控系统，在核心部件传感器节点的设计中，采用成熟的SHT11及CDM4161传感器和基于Zigbee技术的CC2430无线传输模块，以低成本的设计方案实现对温室环境的实时动态监测，并上传至监控中心，使用户通过监控终端就能查询所需的数据.降低了工作量，有效解决了有线监测网络的建设周期长、投资大、维护困难等问题，使温室生态环境的监控变得更为方便、快捷，提高了农业管理的智能化水平.并且该系统具有较强的延展性和可复制性，推广应用前景较好.

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