无线传感器网络在温室大棚监测中的应用

李芳芳

(辽宁科技学院 工程实践中心，辽宁 本溪 117004)

无线传感器网络在温室大棚监测中的应用

李芳芳

(辽宁科技学院 工程实践中心，辽宁 本溪 117004)

使用无线传感器网络可以有效地降低人力消耗和对农作物环境的影响，无线传感器网络应用在温室大棚中做信息监测是最好的方法之一。文章主要阐述了ZigBee(紫蜂协议)网路对温室大棚中农作物的生长环境远距离的实时监控，通过ZigBee网络和传感器的搭配使用，有效地降低了无线传感器网络在通信上大量的能量损耗，从而获取温室大棚中作物生长的优质环境和精准信息。

无线传感器网络；信息监测；ZigBee

设计低能量消耗、测量数据精确、研发费用低，适应温室环境智能监测设备，既可以推进设施农业(在环境相对可控条件下，采用工程技术手段，进行动植物高效生产的一种现代农业方式)的现代化进程，也可以全面推进社会主义新农村建设、大力发展设施农业的迫切要求。无线传感器网络〔1〕(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络，作为一种新兴的网络技术，具有精度高、灵活性强、可靠性好、价格低廉等优点。将WSN用于农业大棚中温湿度数据监测传输，不仅弥补了已有温室环境数据监控设备存在的监测缺陷，而且在农业温室大棚数据监测传输方面实现了一个新的进展。

1 硬件设计

传感器网络系统主要由传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点三部分组成。多个传感器节点随机放置在监测区域内，自行组织成网络。传感器节点采集到的数据沿途经过多个节点进行数据传输及处理，经过多跳路由到汇聚节点，最终通过互联网到达管理节点。管理者通过管理节点对整个网络进行配置和管理，收集监测数据的同时也可以发布监测任务。

1.1 传感器节点

传感器节点是通过嵌入式系统开发的微型系统，虽然体积小，但随之带来的问题是使其处理数据、存储数据和传输数据的效率都降低了，能量来源是普通的电池，使用上会需要定时检查更换，在数据传输网构建方面，单个传感器节点作用关键，担当数据传输网中的路由与数据终端的重要角色，在采集和处理当前数据信息的同时还兼顾接受其它节点数据并进行处理、管理以及数据融合等操作，节点间协作完成数据传输与处理。

温湿度采集芯片使用SHT11，它是单芯片温湿度复合传感器，采用工业COMS过程微加工，数据传输可靠稳定，并进行了数据传输输出校准设计，适合在温室环境中进行数据监测。SHT11单芯片传感器具有高集成度、小体积、测量数据精确、响应快、性能稳定、受干扰能力强、成本低等一系列优点，适合作为传感器节点的温湿度采集芯片。图1为SHT11接口电路。

图1 SHT11接口电路

1.2 汇聚节点

汇聚节点〔2〕，也就是通常所说的基站(Sink)节点，它是WSN的网关，相对于传感节点来说在数据的处理、存储以及传输方面性能都有很大的提高，主要的功能是连通WAN与 Internet 等外部网络，顺利实现数据转发。汇聚节点具备传感节点的所有功能，由于在设计时处理器、存储器等硬件资源有限，加上无线传感网络的实时性与成本关联性大，综合考虑所有因素最终选取嵌入式系统技术实现汇聚节点的设计开发。

1.3 管理节点

管理者通过计算机终端设备，也就是通常所说的管理节点，对整个数据传输网络进行相应的配置和管理，既可以向各个汇聚节点和感知节点发布监测任务，又可以将监测到的数据进行实时的收集和处理。

2 软件设计及监测过程

2.1 软件设计

1) 无线网状(Mesh)网络拓扑结构网络的建立

协调器上电后，按指定的信道和PAN_ID建立网络，各个无线传感器节点以路由器的功能加入网络，这样一个Mesh〔3〕网络拓扑结构的网络就建立起来了。

2)无线数据传输

每隔0.5秒路由器向协调器发送地址数据、网络数据和监测数据，协调器接收到有效数据后，将这些信息进行解析并传送给终端设备(PC)，终端软件通过接收的有效信息绘制并显示网络的拓扑结构图〔4〕和监测数据曲线。

3)传感器数据显示

单击终端软件上的汇聚节点，弹出对应的传感器数据采集的显示界面，在实验过程中移动感知节点的监测位置，在显示界面会清晰的看到监测数据的实时变化。协调器开始工作时，先进行设备初始化，判断数据接收情况，如果收到数据，将数据传输至液晶屏显示，同时LED3绿灯闪烁，如果没有收到数据则LED3绿灯只是闪烁，液晶屏上无显示。当路由器开始工作时，先进行设备初始化，请求接收传感器数据，如果顺利收到数据，则将收到的数据发送给协调器，LED3蓝灯闪烁并且延时闪烁0.5秒，如果没有接收到传感器传输的数据那么LED3灯不会闪烁。如图1为协调器与路由器工作流程图。

图1 协调器与路由器流程图

2.2 使用温湿度无线传感器节点对黄瓜温室大棚进行温湿度监测实验

黄瓜栽培大棚进行的温湿度监测实验，综合了日光温室的设计要求，具有良好的采光和保温效果，测量时由于天窗和地风均属于开放的状态，温室里面基本上处于恒温状态，温度没有外面露天场地上那么燥热，很是适合黄瓜秧苗的生长。在这个温室的不同位置放置了温湿度无线传感节点，实时监测温湿度的变化。基于黄瓜大棚中作物分布密集情况及大棚的建筑结构可能对信息传输造成的影响，我们采取以下三种方式进行实验。

1)一个大棚中的实验

将传感器节点置于一个大棚中进行试验，在无作物遮挡的情况下，信号有效传输距离为34m，在这个最大范围之内均可以保证控制节点可以接收到温湿度传感节点传输回来的温湿度实时测试数据，将无线传感器节点放置在作物中间较为密集的地方，大约在1.4～1.5m的距地距离之间移动传感节点，观察控制节点，可接受到温湿度信号的最远距离为28.5m。得出结论：在一个大棚中，信号传输的远近只与作物的密集程度有关，即在作物遮挡严重的地方，信号的有效传输距离减小。

2)相邻的两个大棚间实验

将传感器节点分别放置在相邻的大棚中进行接收信号有效距离的测试，测试结果为如果只隔着两个温室大棚的墙体的话，不会阻挡信号的接收。得出结论：相邻大棚间只存在墙体间隔的情况下，对信号传输影响不大。

3)在两棚间加一道塑料薄膜的阻隔实验

将传感器节点分别放置在中间有额外的附棚的两个大棚中，相当于传输的信号多经过一道塑料薄膜的阻隔，控制器将收不到传感器发送的信号。测试结论，只有将无线传感节点固定放置一段时间才可以连续的接收到其传送回来的温湿度数据，实验者在拿着它走动的过程中，信号时有时无，或者根本就接收不到信号。

表1为温湿度测量实验数据整理表，表中只截取了实时监测数据的一部分，可以显示出此装置数据监测的实时性。

表1 温湿度测量实验数据整理表

续表

3 结论

本文在对WSN应用于温室大棚监测系统中的国内外现状分析下，选择了CC2530无线芯片，通过ZigBee网络和传感器的搭配使用，有效地降低了无线传感器网络在通信上大量的能量损耗，从而获取温室大棚中作物生长的优质环境和精准信息。温湿度监测节点电路接口简单，测量过程中数据传输稳定，在此设计基础上还可以通过添加其它传感器进行功能的扩充，此装置同样可以应用于果园、茶田等作物生长领域，对实时改变栽培措施来提高作物产量具有实用价值。

〔1〕寇海洲.基于无线传感器网络的智能水产养殖生态信息监测系统〔J〕.科技信息,2008,(4):26-30.

〔2〕肖同松.无线传感网络综述〔J〕.中国科技信息,2008,(23):105-105.

〔3〕李萍萍,王纪章.温室环境信息智能化管理研究进展〔J〕.农业机械学报,2014,45(4):236-243.

〔4〕杜晓明,陈岩.无线传感器网络在温室农业监测中的应用〔J〕.农机化研究,2009，(6):141-144.

Application of Wireless Sensor Network to Monitoring the Hothouse

LI Fang-fang

(EngineeringPracticalCenter,LiaoningInstituteofScienceandTechnology,BenxiLiaoning, 117004China)

The paper expounds that the network Zigbee is used in hothouses to monitor the growth environment for plants.It effectively reduce the energy loss for Zigbee network to pair up with sensors.Thereby, we get a large number of precise information from hothouse

Wireless sensor networks; Information monitoring; Zigbee

1008-3723(2017)03-013-03

10.3969/j.issn.1008-3723.2017.03.006

2017-04-06

李芳芳(1988-)，女，山西晋中人，辽宁科技学院工程实践中心助教，硕士.

G434

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