基于无线传感器网络的温室控制系统设计

目录摘要 .Abstract .第一章 前言 .11.1 研究目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 研究内容 .2第二章 系统相关技术 .42.1 无线传感器网络 .42.2 ZigBee 无线通信技术 .42.3 GPRS 概述 .5第三章 温室参数分析和系统总体设计 .63.1 温室参数分析 .73.2 系统总体设计 .5第四章硬件设计 .64.1 微处理器模块 .74.2 无线收发模块 .104.3 数据采集模块 .114.4 报警模块 .15第五章 软件设计 .165.1 管理中心设计 .165.2 ZigBee 软件开发环境 .175.3 传感器节点设计 .185.4 汇聚节点设计 .195.5 执行结构模块设计 .20第六章 结论 .21致谢 .22参考文献 .23摘要I摘要我国的农业正在向现代化、规模化、智能化发展。温室大棚作为现代农业生产中不可缺少的部分，对温室环境的有效管理能提高温室作物生产效率和农民经济效益。 温室环境的湿度、温度、 光照强度等因数对温室作物的生长有很大的影响。针对温室控制的需要，设计了一个基于无线传感器网络的温室控制系统。该系统通过分布在温室区域内的大量传感器节点采集信息，数据以 Zigbee 无线传送方式发送至汇聚节点。 汇聚节点通过 GPRS 网络与远程服务中心通信，同时汇聚节点能接收远程服务中心发出的控制命令，控制部署在温室的控制节点，进而调节温室各参数达到合适要求。 关键词： 无线传感器网络，温室，ZigBee 技术AbstractIIAbstractChinas agriculture is to modern, large-scale, intelligent development. Greenhouse an indispensable part of modern agricultural production, the effective management of the greenhouse environment can improve the efficiency of greenhouse crop production and farmers economic benefits. Greenhouse environment, humidity, temperature, light intensity and other factors on the growth of greenhouse crops have a great impact. A greenhouse control system based on wireless sensor network is designed for the needs of greenhouse control. The system collects information through the sensor nodes distributed in the greenhouse area, and the data is sent to the sink node in ZigBee wireless transmission mode. The convergence node communicates with the remote service center through the GPRS network, and the collection node can receive the control commands issued by the remote service center to control the control nodes deployed in the greenhouse, and then adjust the greenhouse parameters to meet the requirements. The system has the advantages of low cost and convenient deployment.Key words: Wireless Sensor Network，Greenhouse， ZigBee Technology第一章 前言1第一章 前言1.1 研究目的和意义目前很多温室控制系统采用的是有线传输方式，有线传输需要铺设大量的信号传输线，由于天气和其他原因设备之间的连接线很容易坏，提高了检修和维护的难度。将无线传感器网络应用在温室控制系统中，除去了设备之间的信号传输线，不仅提高了系统的准确性，系统的扩展性也得到提高，也方便了系统的检修和维护。基于无线传感器网络的温室控制系统，能准确地监测温室内温度、湿度、光照强度等参数，大幅度提高温室作物的产量和品质。1.2 国内外研究现状20 世纪，基于总线技术包括以太网技术的温室控制系统得到了快速发展。葡萄牙的Metrolho,J. C.等人在 1999 建立了基于 CAN 总线以及 PC 机等组建的典型温室控制系统 1。 美国兴起了划时代意义的无线传感器网络技术，并尝试性地将其运用到温室监测中。由分布在监测区域内大量微型传感器节点组成，以多跳的形式自组织成网络系统，各传感器采集和分析网络覆盖区域中监测对象的信息，并发送给观察者的技术引起了人们的关注 2-3。 在无线传感器的技术这个方面，我国的温室无线控制技术仍处于起步阶段。 目前， 星型网络拓扑结构在温室控制系统中是运用最多的无线数据传输。系统中，主机直接与温室大棚中的传感器节点相连。拓扑结构相对简单，易于检修和维护。运用温室智能环境监控技术、无线传感器网络技术构成无线温室控制系统，实现温室环境的自动化、规模化控制是未来的发展方向 4-5。 1.3 研究内容本文根据温室环境参数和无线传感器网络的特点，提出温室控制系统的设计方案。设计了一个基于无线传感器网络的温室控制系统。该系统通过分布在温室里传感器节点采集信息，数据以 ZigBee 无线传送方式将信息发送至汇聚节点。 汇聚节点通过 GPRS 技术传输到远程服务中心，同时汇聚节点能接收远程服务中心发出的控制命令，控制部署在温室的控制节点，进而调节温室环境参数达到合适要求。本系统具有成本不高，部署便利等优点。第二章 系统相关技术2第二章 系统相关技术2.1 无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN ）是由部署在监测区域内大量的低成本、低功耗微型传感器节点组成，节点之间通过无线通信形成的一个多跳自组织网络系统 6。WSN 由无线传感器节点、汇聚节点、传输网络和远程控制中心组成，其基本组成结构如图 1。图 1 无线传感器网络的基本组成部分部署在被监测区域的监测节点实时、有效、准确的对监测区域进行数据采集，对数据进行存储以无线传输的方式传输到汇聚节点。汇聚节点对数据进一步的处理、分析、存储，在显示屏上显示，便于观察者查看。通过互联网传输到远程管理中心，远程管理中心可以对被监测区域发出控制任务和收集数据。2.2 ZigBee 无线通信技术目前，在短距离无线传输技术大家族中，除 ZigBee 技术外， 还有许多，如：蓝牙技术、 UWB 技术、Wi-Fi 等。表 1 给出了几种常见的短距离无线传输技术 5-6。 表 1 几种短距离无线通信技术的比较蓝牙 UWB Wi-Fi ZigBee 规范标准 802.15.1 未定 802.11b 802.15.4 工作频段 2.4GHz 3.1-10.6GHz 2.4GHz; 5GHz 868/915GHz；2.4GHz最大传输速率 1 Mb/s 110 Mb/s 54 Mb/s 250kb/s 最大功耗 1-100mW 200mW 100mW 13mW传输距离 l 0m 10m 10-100m 10-75m网络容量 8 8 256 65536 电池寿命 4-8 小时 1-2 小时 1-3 小时 半年以上 成本 低 高 低 低第二章 系统相关技术3从上面的表格可以对比得到，ZigBee 技术在温室控制系统中有如下优点：(1)成本低:相比于其他几种短距离无线通信技术，ZigBee 技术的协议栈设计相对简单， ZigBee 不收任何协议专利费。因此 ZigBee 通信模块的成本低，很适合用在无线传感器网络中。(2)容量大: ZigBee 有星型、树型、网状结构。一个主节点管理若干个子节点，一个主节点可以管理 254 个子节点，主节点可以由上层网络管理可以组成 65535 个节点。(3)低速率:从上表中可以看出 ZigBee 技术传输速率是最低的，最大为 250kb/s，在温室控制系统中，温室采集数据的周期大且数据量大，传输速率低有利于节能，适合温室应用。(4) 功耗低: 相比其他技术的功耗，ZigBee 是最低的，而且 ZigBee 技术允许设备空闲时转入睡眠功能，这有利于节点节能，减少了更换电池的次数，增加电池使用寿命。ZigBee 网络层支持星型拓扑结构、树型和网状拓扑结构，如图 2 所示。图 2 ZigBee 技术的网络拓扑机构图星型拓扑结构由一个协调器控制，协调器可以直接与远程控制中心进行数据通信，当一个节点发生故障时不会影响其他节点工作。在温室控制系统中部署在监测区域的传感器自组织成网络，以多跳传输数据。树型拓扑结构包括一个协调器和若干路由器和终端节点，通信原则是：子节点只能和父节点通信。网状拓扑结构和树型拓扑结构组成大致相同，由协调器、路由器、终端节点组成，不同的是网状拓扑结构任意节点间可以通信，并且是自动寻找一条信息传输的最优路径。ZigBee 技术可在 868MHz、915MHz、2.4GHz 三个频段上工作，这三个频段分别适用于全球、欧洲、美国，三个频段的传输速率为20kbit/s、40kbit/s、250kbit/s。通信延迟时间在 15ms-30ms 之间，它的传输距离在 10-75m 之间，用干电池供电。适合与温室控制系统的短距离传输，低功耗的特点。2.3 GPRS 概述 GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线服务技术 的简称。英国 BT Cellnet公司于 1993 年提出在 GSM 发展新的分组数据承载业务 GPRS，作为向第三代移动通信(3 G)过渡的一种技术，是 GSM Phase2+规范实现的内容之一。GPRS 采用与 GSM 相同的频段、频第二章 系统相关技术4带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及 TDMA 帧结构，面向用户提供移动分组的 IP 或者 X.25 连接，从而为用户同时提供语音与数据业务 9-11。从外部看，GPRS 同时又是Internet 的一个子网。GPRS 网络主要有以下特点: 实时在线，管理中心与汇聚节点实时保持通信，方便用户查阅温室大棚数据。 按量计费，只有传输数据是才会产生流量费用，没有数据传输，用户可以挂在网上，不会产生任何费用。 高速传输，GPRS 采用分组交换技术，数据传输速率最高可达 171.2kbps。本文采用 GPRS 技术进行 WSN 与监控中心之间的通信。第三章 温室参数分析和系统总体设计5第三章 温室参数分析和系统总体设计3.1 温室参数分析 温度对作物的影响农作物生长与温度有密切的关系，在农作物适宜温度范围内，温度越高，呼吸作用和光合作用越旺盛，农作物的生长就越好。而温度过低低，农作物呼吸作减弱，生长缓慢。晚上农作物只进行呼吸作用，呼吸作用消耗有机物质。在一定温度范围内，晚上温度越低呼吸作用越弱，消耗的有机物就少。因此对温室大棚的温度控制特别重要，对温室温度的实时监测有利于提高农作物产量，增加农民收入。 湿度对作物的影响温室内的空气湿度是由土壤水分的蒸发、 灌溉补充水分和植物的蒸腾作用在设施密闭情况下形成的 12。温室内作物代谢旺盛、生长旺盛、作物叶面积指数高, 蒸腾作用释放出大量的水蒸气。同时,由于温室大棚的空间小、密闭性强、空气流通比较稳定,温室大棚内水蒸气经常超标, 保持温室大棚湿度在一个适宜范围非常重要。 光照度对作物的影响农作物想要旺盛的生长，适宜的光照强度必不可少。光以光照强度对农作物产生影响，光照强度太低或者太高对农作物的生长都有很大的影响。太低，光合作用效率低；太高，效率也会降低。光照强度太高会导致农作物气孔关闭，光合作用受阻。 3.2 系统总体设计 温室控制系统的目的是对温室内环境参数的的采集，以及根据监测的数据控制相应的控制节点来控制设备调整温室大棚的环境参数，使其达到农作物的生长的适宜环境。用户可以根据采集到的参数对农作物适宜生长参数进行调整，使温室作物产量达到最高，农民的收入最大化。温室系统的具体要求如下： (1)传感器器节点实时、准确的监测温室环境参数是温室控制必须达到的要求，也是非常关键的部分。(2)汇聚节点可以实时接收传感器节点发送的数据，能准确的显示在显示屏上，并且还要准确无误的传输到远程服务中心，远程服务中对接收到的数据进行分析、存储、并和原始数据比较，得出最佳的温室环境参数。(3)远程服务中心收到汇聚节点传输的数据与原始数据比较，高出或低于原始设置数据，发出控制命令，控制 装置做出相应反应，调节温室环境参数达到适宜的生长环境。(4)提供客户端远程管理软件，方便用户方便实时读取温室环境参数，查询历史环境参数数据，发送控制命令。本文设计的系统主要包括无线传感器节点、控制装置、汇聚节点或者基站 ，远程服务器，远程管理。总体框架如下图 3 所示。 第三章 温室参数分析和系统总体设计6图 3 系统总体结构根据应用需求，将大量微型廉价的传感器节点合理分布在被监测区域中，被监测区域有大量的传感器节点和一个汇聚节点，部分节点带有控制设备，控制天窗、遮阳网、热风机、湿帘风机、灌溉装置、补光光源继电器的开启和关闭来调节环境参数。传感器节点对温室大棚内的温度、湿度、光照强度等信息进行采集，用 ZigBee 无线通信模块传输至汇聚节点，汇聚节点通过 GPRS 网络将数据传输给管理中心。同时汇聚节点可以接收管理中心传输来的控制命令并将命令转发给相应的控制节点，控制节点驱动相应的阀门设备调整环境参数。管理中心接收数据、分析数据、存储数据并做出控制命令，发送控制命令给汇聚节点，汇聚节点通过 ZigBee 发送到控制节点。控制相应设备做出反应。第四章 硬件设计7第四章 硬件设计汇聚节点接收监测节点发送的数据并进行分析、存储、显示通过 GPRS 技术传输到远程管理中心，汇集节点还可以接收管理中心的控制命令，发送给控制装置调节温室环境参数。汇聚节点由微处理器模块、无线收发模块、报警模块构成。现场监测节点由控制模块、无线收发模块、数据采集模块组成。4.1 微处理器模块在本设计中微处理器模块主要由以下模