基于无线传感器网络的温室群远程监测控制系统的设计

张校磊，陈俊丽

(山西华澳商贸职业学院 计算机科学系，太原 030000)

基于无线传感器网络的温室群远程监测控制系统的设计

张校磊*，陈俊丽

(山西华澳商贸职业学院 计算机科学系，太原 030000)

为提升温室农业生产过程中对温室环境因素监测管理的效率和效果，降低人力成本，设计了一套温室群的远程监测和控制系统。实验证明：该系统不仅可在本地对温室群进行监测和控制，而且能够通过Internet在远程查看每个温室的实时环境数据，并可做到远程控制。

温室监控；无线传感器网络；ZigBee网络

温室中的温度、湿度、光照、土壤水分和CO2浓度等环境因素对农业生产的影响较大。我国传统的温室农业生产中，对温室环境因素的把控主要依赖于生产者的经验及简单的测量设备，不仅准确性差、效率低下，而且还浪费了大量的人力[1]。本文设计了一套基于无线传感器网络的温室群远程监控系统，可实时采集温室内的各项环境信息，用户可在本地及远程对温室群进行统一的监控和管理。

1 系统总体设计

本系统的功能主要为现场数据采集、本地监测控制和远程监测控制，因此设计了3级机构以实现相应功能(如图1所示)。第1级机构为现场数据采集和控制网络，由部署在各温室中的传感器节点、温室控制器节点及外部总控制器构成。传感器节点主要负责对各温室的环境数据进行采集，并以总控制器为中心自组网络将环境数据汇集并发送至本地监测控制中心；另外，还负责将控制信息传送至温室控制机构以实现对温室的控制。第2级机构为本地监测控制中心，主要负责对各温室的环境信息进行汇聚和管理并回发控制信号至各温室；同时通过4G网络与远程监测控制终端互联。第3级机构是远程控制终端，用户可通过Internet远程实时查看温室中的环境信息并对温室群进行集中管理和控制。

系统重点是温室群的现场监控网络部分。其中，在每个温室内布放若干传感器节点，主要负责对温室内的环境信息进行采集，并将采集到的信息传输至各自温室的温室控制器。温室控制器作为本温室中无线网络的簇首，将传感器节点发送来的数据进行处理再发送至总控制器。总控制器作为现场监控网络的中枢，负责网络的组建与维护，并将接收到的数据发送至本地控制中心。此外，在每个温室中还配备有无线执行器模块，可以接收温室控制器发送来的控制信息并驱动相应的执行机构，如通风、灌溉系统等。

图1 温室群无线监控系统总体结构

2 网络方案设计

温室群监控系统需要监控的范围较大、节点数较多，而且传感器节点的位置和数量也可能随着作物的生长而有所调整。同时，由于温室自身条件的限制，系统并不一定能够得到充足的电量供应。因此，系统网络应具有较大容量、较远的单跳距离、较强的自组织自恢复性以及足够低的能耗等。

2.1 网络类型的选择

常见的无线通信网络主要有蓝牙、UWB(Ultra Wideband)、WiFi及ZigBee。

1)网络容量方面，ZigBee网络地址为16位，可容纳的节点数量最多可达65 536个，足以满足温室群监控系统的需求。而蓝牙和UWB的网络容量仅为8，WiFi仅为256。

2)能耗方面，ZigBee有着先天的优势，其原理决定了ZigBee技术在能耗方面远低于其他技术。另外，ZigBee技术可将空闲的节点转入休眠状态，进一步降低能耗，延长网络的生命周期。相关实践表明，2节普通干电池就能维持ZigBee节点工作0.5 y以上。同样的供电条件，蓝牙节点只能维持4～8 h的工作，UWB和WiFi更短，仅为1～3 h。使用ZigBee技术网络，即便有节点无法得到外部供电也可依靠板载电源工作，满足系统需求[2]。

3)传输距离方面，ZigBee的理论单跳距离达到100 m，是几种技术中单跳最远的之一，满足系统需求。

4)相较其他技术，ZigBee技术在传输速率上较低，仅为250 Kb/s，但也能满足系统需求。

综上，选择ZigBee技术建立温室群监控系统，用ZigBee协调器作为网络总控制器，在各温室内布设ZigBee路由器作为温室控制器。

2.2 网络拓扑结构设计

温室内的数据传输和温室到ZigBee协调器的数据传输是本系统网络的重点。

温室内的数据传输主要依靠传感器节点以及温室控制器节点。每个温室中的节点组建一个分簇，即温室簇。簇首固定为温室控制器，不通过选举产生，簇内成员为传感器节点。当温室面积较小时，以单跳的方式组建温室簇；面积较大时，温室内加设路由节点以组建多跳温室簇。其中，只有温室控制器可以发起温室簇的组建。第1个温室簇建立时由ZigBee协调器充当簇首组建网络，之后由各温室的温室控制器组建各自温室簇。并且各自温室中的节点只能加入本温室簇。当所有的温室簇组建完毕后，由ZigBee协调器为各温室簇分配编号以便区分。将温室号和网络地址进行绑定，并由温室簇簇首统一管理。其余节点需要在入网前预先设定好温室号，在加入温室簇时按照相应温室号入网。这样可以解决相邻温室的部分节点的归属问题。

各温室与ZigBee协调器的通信依靠各温室的温室控制器和ZigBee协调器自组建ZigBee网络。当其中某个温室控制器不能正常工作时，网络将自动重新组建，数据按照固定的最短路径传输。个别温室距其他温室较远时，可在适当位置布设中继路由节点。

3 系统硬件设计

系统采用模块化设计，即系统硬件由通用模块加专用模块构成，主要包括传感器节点、温室控制器、ZigBee协调器和无线执行器等。这些硬件都需要具备无线通信及信息的处理功能，因此，首先设计了具有信息处理和传输功能的通用硬件模块并提供了标准接口，然后在通用模块的基础上加入相应的专用模块，以构成相应的硬件。

3.1 通用模块的设计

通用模块是整个系统的核心，其主要功能是无线通信及数据处理，主要由处理器、无线收发模块、串口通信模块及电源模块构成，如图2所示。

处理器模块选用的是JN5121-001系列处理器模块组。它集成了一款32位的RISC微处理器，配备有可以工作在2.4 GHz频段的射频收发模块，可兼容ZigBee协议和IEEE 802.15.4协议。其拥有类型丰富的接口，完全满足系统需求。另外，该模组自带ROM和RAM，ROM中存储了通讯协议栈，RAM支持路由功能和控制器功能[3]。这种集成化的设计，不仅降低了研发成本，更缩短了研发周期。

图2 通用模块硬件结构

在电源方面，设计了板载电源和外部电源2种供电模式，可根据实际工作场景灵活选择。

为方便通用模块和计算机等其他设备通信，将JN5121中的UART0接口与RS232接口进行了连接，如图3所示。

图3 通信串口连接

ZigBee协调器是整个现场网络的控制中心，主要负责无线网络的组建维护和数据通信。通用模块具备这些功能，因此通用模块无需任何改进便可实现ZigBee协调器功能。

3.2 温室控制器硬件设计

在单个温室中，各节点均为固定工作，没有移动的需求，因此无线网络组建后便形成稳定的网络结构。温室控制器作为单个温室簇的簇首，主要负责接收温室内的传感器节点发送来的数据信息和向温室控制器发出控制指令；同时将部分信息实时显示，并可以实施简单的控制[4]。通用模块已具备数据及控制指令的传输功能，因此，在通用模块上增加了显示器模块及控制按键等设备，即可完成温室控制器功能，如图4所示。

液晶显示器模块选用了BARTON公司生产的STF单色液晶显示屏，由128×64点阵组成，UC1601驱动模块驱动。

图4 温室控制器结构

3.3 无线传感器节点设计

无线传感器节点的主要任务是采集温室内的各类环境信息，并将数据发送至温室控制器。数据通信功能由通用模块完成。数据采集是由加装在通用模块上的各类环境信息传感器完成，如温度传感器、空气湿度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器和pH值传感器等。由于传感器种类较多，但各类型传感器与通用模块的连接方式相似，因此，下面以温度传感器和光照传感器与通用模块的连接来说明无线传感器节点的设计。

传感器选择了SHT11温度传感器和TSL2550光照传感器。二者均为数字传感器，可直接输出数字信号，无需经过数模转换便可传输至通用模块。在实际的连接过程中，将传感器上的数据通信引脚和时顺控制引脚连接至数字输入DIO接口[5]。由于温室内采集温度和光照强度的采集点可以重合，且通用模块的数据处理和传输能力都足以应付2种环境信息的采集。因此，将温度传感器和光照传感器同时连接在一个通用模块上，形成一个双数据传感节点，连接方式如图5所示。

图5 传感器节点连接

3.4 无线执行器节点设计

无线执行器节点的功能是接收温室控制器发来的控制信号并控制相应执行机构，如卷帘及喷淋灌溉系统等。其由通用模块和执行模块组成。通用模块负责控制信息的接收；执行模块负责对调节机构的控制。

执行模块与通用模块中的4个DIO接口相连并传输控制信号，这样可以控制4组调节机构的控制开关。通用模块与执行模块共同组成无线执行器节点，其硬件结构如图6所示。

图6 无线执行器节点硬件结构

4 系统软件设计

4.1 ZigBee协调器软件设计

ZigBee协调器的首要功能是网络的组建与维护，之后再将各温室的环境信息数据发送至本地控制中心，并将本地控制中心发送给各温室的控制信息发送至相应的温室控制器。

在网络的组建阶段，系统会先通过扫描选择到能量较高且空闲的信道。之后允许温室控制器节点加入建立起新的网络并对其进行标识[6]。然后进行网络维护、接收数据并向本地控制中心的发送以及控制信息的回传。其软件流程如图7所示。

图7 ZigBee协调器软件流程

4.2 温室控制器软件设计

温室控制器是整个ZigBee网络中的路由节点，可向ZigBee协调器发送入网请求。同时也是本温室网络簇的簇首，负责管理本温室内的传感器节点和执行器节点。其软件流程为：先向ZigBee协调器发送加入网络的请求，当请求被允许后加入ZigBee网络并进行初始化成为网络中的路由节点并将本温室内的传感器节点和执行器节点加入到网络中。另外，温室控制器还可以通过显示屏模块显示各传感器节点的数据，通过按键进行切换显示。这部分的软件过程为温室控制器接收传感信息，再将传感信息发送至显示模块显示。当接收到按键信号时，切换下一节点的传感信息显示。最后，将传感信息发送至ZigBee协调器。其软件流程如图8所示。

图8 温室控制器软件流程

4.3 无线传感器节点软件设计

无线传感器节点负责采集环境信息并传输给温室控制器，其工作流程如图9所示：首先请求加入网络并获得网络地址，然后读取传感信息，处理后发送至温室控制器，此过程经休眠后重复。

图9 温室控制器软件流程

4.4 无线执行器节点软件设计

无线执行器节点的主要功能是接收控制信号并驱动调节机构，是网络中的终端节点，无需路由功能。在工作过程中，其首先请求加入网络，被允许后网络地址并进入网络；然后便进入休眠状态，等待控制指令；当控制指令到来时执行器被唤醒，然后判断指令的正确性，若指令正确，则立即执行。若不正确，则发送重发请求，然后延时等待。在等待期内若接收到重发的控制指令信息，则重新进入指令正确性判断阶段，若超过延时等待期仍未接收到重发的控制指令信息，则再次进入休眠状态。其工作流程如图10所示。

图10 无线执行器节点软件流程

5 结语

无线传感网络在农业自动检测方面有着先天的优势，监控区域大、监控数据实时准确并且有着较高的可靠性[7]。本文设计了一套基于无线传感器网络的温室群监控系统，并为系统设计了通用模块。其具有较高的可靠性和较强的扩展性，可方便地改装成系统中的各种硬件节点，不仅极大降低了系统成本，更利于安装和维护，提高了系统的扩展性和使用维护的便利性。整个系统实现了对温室群的实时、自动和远程的监测和控制，降低了温室群监测和管理成本并提升了温室群管理效率。

[1] 聂兵.我国精准农业的实施路径及其方向选择[D].泰安:山东农业大学,2009.

[2] 蔡文科,俞阿龙,李将,等.基于WSN的大区域农田土壤远程监测系统设计[J].农机化研究,2015(9):77-81．

[3] MCKINION J M,TUMER S B,WILLERS J L,et al.Wireless technology and satellite internet access for high-speed whole farm connectivity in precision agriculture[J].Agriculture System,2004,81(3):201-212．

[4] 秦怀斌,李道亮,郭理.农业物联网的发展及关键技术应用进展[J].农机化研究,2014(4):246-248.

[5] 吕立新,汪伟,卜天然.基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计[J].计算机系统应用,2009,18(8):5-9．

[6] 牛孝国,朱桂芝,夏宁,等.基于无线传感器网络的农业现场数据采集研究进展[J].中国农学通报,2009,25(24):515-519．

[7] 刘淑珍,苗香雯,崔绍荣.设施农业与农业可持续发展战略[J].农机化研究,2003(4):16-19.

A WSN-based Design of a Greenhouse Remote Monitoring System

ZHANGXiaolei*,CHENJunli

(Department of Computer Science ,China Australia Business College of Shanxi,Taiyuan 030000,China)

It is essential to monitor all factors in greenhouse environment in the process of greenhouse production. In this paper, a design of greenhouse remote monitoring system based on WSN is presented in order to get both efficiency and quality of monitoring and management improved and labor cost reduced. In this way, the process of monitoring can be done any time and anywhere; users, as well, have a remote access to all data in the greenhouse environment.

greenhouse monitoring; WSN(Wireless Sensor Networks); ZigBee

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.013

2016-10-24

张校磊(1983— ),男(汉族),山西太原人，讲师，硕士,研究方向：传感器网络、物联网，通信作者邮箱：tq01cmm@163.com。 陈俊丽(1984— ),女(汉族),山西运城人，讲师，硕士,研究方向：物联网、大数据。

S126

A

2095-5383(2016)04-0050-05