摘 要： 針對當前溫室控制系統(tǒng)存在的擴展性差、智能化程度不高等問題，在分析了無線傳感器網(wǎng)絡特點的基礎上，設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室測控系統(tǒng)的硬件及軟件。 硬件上設計了傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點，采用溫度、濕度、光照度等傳感器，實現(xiàn)了溫室環(huán)境參數(shù)的自動采集。 軟件上基于模塊化的思想，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的獲取、處理和控制輸出等功能。 該設計具有擴展性好、實用性強、便于操作的特點。

1  引言

溫室環(huán)境控制是在充分利用自然資源的基礎上，通過改變溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等溫室環(huán)境因素參數(shù)來獲得農(nóng)作物生長的最佳條件，從而達到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。

現(xiàn)有的溫室測控系統(tǒng)主要基于有線方式，一般應用于大型溫室，表現(xiàn)出布線復雜、維護困難和投資太大等缺點，難以大規(guī)模推廣應用。 另外，傳感器節(jié)點無法靈活部署，健壯性不好，一旦節(jié)點失效，就會影響整個系統(tǒng)的性能。 無線傳感器網(wǎng)絡可以解決傳統(tǒng)溫室測控系統(tǒng)存在的缺陷，無需布線，即插即用，具有智能性強，健壯性好等優(yōu)點，且成本較小。

因此，文中提出了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室測控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并介紹了主要的硬件設計實現(xiàn)和軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。

2  溫室測控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡（ wireless sensor network ,WSN） 是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有組網(wǎng)方便，靈活性強等優(yōu)點。 其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。 基于無線傳感器網(wǎng)絡的特點，設計的溫室測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1  溫室控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點從土壤本身或周圍環(huán)境收集溫度、濕度、光照度等信息，完成給定的監(jiān)測任務，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給控制計算機進行決策，使用制動器精確控制土壤中的肥料和水分。 傳感器網(wǎng)絡的信息采集可以用來指導種植以得到最大產(chǎn)量，還可監(jiān)測并報告作物狀態(tài)。

匯聚節(jié)點是在應用環(huán)境下聯(lián)系傳感器節(jié)點和管理節(jié)點計算機的中介，利用它可以連接傳感器網(wǎng)絡與Internet 或WWW 等外部網(wǎng)絡，能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡上。

3  硬件設計與控制原理

3. 1  傳感器節(jié)點的設計

傳感器節(jié)點是為傳感器網(wǎng)絡特別設計的微型計算機系統(tǒng)，是無線傳感器網(wǎng)絡的基本單元，它負責傳感和信息預處理， 響應監(jiān)控主機的指令發(fā)送數(shù)據(jù)。 它包括五個主要的模塊：微控制器、無線射頻通信、非易失Flash 存儲器、可擴展的I/ O 接口和電源模塊。 傳感器節(jié)點的設計結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2  傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)

微控制器單元是傳感器節(jié)點的核心部件，負責處理數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。 通常選取低功耗、帶有混合型號處理能力的微控制器。 這類微控制器在單個芯片上一般具有UART、SPI、I2C 等通用接口；另外由于需要獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)，同時還應具備多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；最后，微控制必須具備電源管理功能，使得節(jié)點在不工作時可以切換到低功耗甚至超低功耗模式下運行。 本次設計最終選用了AT2MEL 公司生產(chǎn)的ATmega128L 作為微控制器單元主要出于以下兩點原因：首先，ATmega128L 采用的RISC技術(shù)使其具有較高的計算性能； 其次，AT2mega128L 的可用開源開發(fā)軟件工具成熟且TinyOS操作系統(tǒng)（傳感器節(jié)點操作系統(tǒng)） 對其支持較好。 因此為了更加快速地建立傳感器節(jié)點原型平臺，選擇ATmega128L 作為節(jié)點的數(shù)據(jù)處理單元。

作為與外界交換信息的接口，無線通信射頻模塊是傳感器節(jié)點另外一個重要的單元。 無線射頻芯片的選擇涉及到芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率、接收與發(fā)送功率、休眠的能耗、啟動穩(wěn)定時間和信號調(diào)制方式等。 出于TinyOS 已包含CC2420 驅(qū)動支持的原因，本設計選用了Chipcon 公司的CC2420 射頻芯片。

擴展接口使用了Mica2 系列的通用51 針標準接口，該接口已成為傳感器節(jié)點的與傳感器模塊互連的事實標準接口。 該接口包含兩個相同的部分，分別安裝在電路板的兩側(cè)可以實現(xiàn)模塊堆疊擴展。 按照該接口設計出的傳感器節(jié)點， 可以直接使用Crossbow 公司和各個研究機構(gòu)設計的大部分傳感器模塊。

雖然ATmega128L 微控制器自帶了4kB 的EEPROM 數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，但是對于傳感器節(jié)點來說，擁有一個相對容量更多的、永久的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域是十分必要的。 例如遠程節(jié)點代碼的自動更新、節(jié)點配置信息的保存等都需要更多的存儲空間才能得以應用。 為了實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測組件中的日志模塊， 傳感器節(jié)點的設計中使用了額外的AT45DB041B 非易失FLASH 存儲器， 其大小為512kB.

傳感器節(jié)點采用兩節(jié)AA 電池供電，為了降低成本，模塊未采用專門的監(jiān)控芯片來進行掉電保護。

3. 2  匯聚節(jié)點的設計

在溫室測控系統(tǒng)中，匯聚節(jié)點是傳感器網(wǎng)絡與管理節(jié)點或者其他外部網(wǎng)絡通信的橋梁，在無線傳感器網(wǎng)絡中起到網(wǎng)關(guān)的作用。 匯聚節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3  匯聚節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)

作為一款ARM 處理器，PXA270 采用基于AR2MV5TE 的XScale 架構(gòu)，提供了強大的處理功能。 與PXA25X系列處理器相比， PXA270 在XScale 微架構(gòu)基礎上增加了Intel Wireless MMX 技術(shù)，提高了處理多媒體的效率，優(yōu)化了處理器的功耗，同時添加了針對移動終端設備設計的新功能。 它的主要特性如下：

（1） 內(nèi)部集成豐富的外設接口，如USB Host 控制器、PCMCIA/ SD/ MMC 卡控制器、I2C 接口、串口、實時時鐘， SSP 串行接口等，因而采用PXA270設計的系統(tǒng)集成度非常高；（2） 計算能力強大，最高主頻達到624MHz ;（3） 無線SpeedStep 電源管理技術(shù)使系統(tǒng)可以根據(jù)CPU 的性能要求動態(tài)地調(diào)節(jié)功耗，可以動態(tài)調(diào)節(jié)CPU 的電壓和頻率來節(jié)省電源。 電源管理上，它支持多種運行模式。 包括一種正常操作電源模式（運行模式） 和五種低電源模式來控制電源消耗（空閑模式、深度空閑模式、等待模式、睡眠模式、深度睡眠模式） .匯聚節(jié)點實現(xiàn)了USB HOST、網(wǎng)絡、串口、GSM接口，以及一個自定義的51 針擴展接口，用來連接在目前無線傳感器網(wǎng)絡中廣泛使用的MICA 及MI2CA2 節(jié)點，或者作其他功能擴展整個系統(tǒng)的電源部分較為復雜，CF、GSM 都是單獨設立電源供應。

其他的具體硬件實現(xiàn)如下：

FLASH:采用Intel 公司的快速頁面讀取模式的St rataFlash ,28F128J3A ,工作電壓為3. 3V , 32Bit數(shù)據(jù)寬度， 4 片Intel 的28F128J3A Flash 組成的64MB 內(nèi)存；SDRAM: 采用三星SDRAM , K4S281632E -TC/ L75 ,32Bit 數(shù)據(jù)寬度，存儲時間為10ns ,由兩片K4S281632E - TC/ L75 構(gòu)成64MB SDRAM 內(nèi)存；網(wǎng)絡接口：由CS8900A 芯片實現(xiàn)，CS8900A 可以設計成ISA 總線的網(wǎng)卡，本系統(tǒng)則是將它與處理器直接連接實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，使用nCS2 作為片選使能信號；FFUART:用來連接GSM 模塊，實現(xiàn)GSM 通信功能；BTUART :調(diào)試串口。

另外匯聚節(jié)點不需要LCD 顯示和鍵盤接口，這些GPIO 通過軟件設置，大部分用來實現(xiàn)一個自定義的51 針擴展接口，對于其他沒有用到的GPIO ,則定義為輸出以減少功耗。

4  軟件設計與功能分析

為使操作人員能夠直觀地看到溫室中各種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)以及分配任務等，人機接口全部采用友好的圖形界面。 系統(tǒng)軟件由五大模塊組成：參數(shù)設置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析和處理模塊、控制輸出模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4  系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

（1） 參數(shù)設置模塊。

管理員在使用溫室測控系統(tǒng)時，要使用賬號密碼登陸，如果密碼錯誤，則禁止進入系統(tǒng)。 由于不同的作物在不同的生長時期對環(huán)境參數(shù)的要求不同，同一作物在不同發(fā)育期也對環(huán)境要求不同，所以把環(huán)境參數(shù)作為控制參數(shù)向數(shù)據(jù)實時采集控制模塊中發(fā)送，能夠更好地滿足生物生長所需環(huán)境。 系統(tǒng)參數(shù)設置功能主要用于設定人為要求的環(huán)境因子的適宜數(shù)值。 系統(tǒng)中默認的可向數(shù)據(jù)實時采集控制模塊發(fā)送的控制參數(shù)有溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度等環(huán)境參數(shù)。

（2） 數(shù)據(jù)采集模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)同步采集、波形實時顯示以及數(shù)據(jù)存儲功能。 以動態(tài)曲線或表格的形式顯示環(huán)境因子參數(shù)的實時變化。

信號采集的任務就是將傳感器采集的電壓信號通過各采集通道經(jīng)過網(wǎng)關(guān)處理輸入到計算機中，最后再實時地顯示出來。 被采集的信號能否再實現(xiàn)真實信號，與采樣方式的選擇和采樣時間的確定有很大關(guān)系。 本系統(tǒng)選用實時采樣方式。

（3） 數(shù)據(jù)處理模塊。

數(shù)據(jù)處理就是從原始數(shù)據(jù)中產(chǎn)生信息的過程。

在系統(tǒng)中，模擬量經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量送入網(wǎng)關(guān)，此數(shù)字量在進行顯示、報警和控制之前，還必須根據(jù)需要進行一些加工處理，如：數(shù)字濾波、標度變換、數(shù)值計算、邏輯判斷等，以滿足系統(tǒng)的不同需要。

（4） 控制輸出模塊。

本系統(tǒng)的控制部分主要是實現(xiàn)溫室內(nèi)各環(huán)境因子的調(diào)控。 根據(jù)計算機的數(shù)據(jù)顯示和報警信號，可以在執(zhí)行機構(gòu)界面進行操作以滿足作物適宜的生長環(huán)境。

（5） 數(shù)據(jù)管理模塊。

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲是以天為單位的。 將采集到的24h 的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以文件的形式進行數(shù)據(jù)的存儲，存儲的數(shù)據(jù)文件以數(shù)據(jù)采集的日期作為文件的名稱，數(shù)據(jù)采集的時間和數(shù)據(jù)作為文件存儲的內(nèi)容，這樣可以方便地滿足對文件的操作。 同時可以分析、統(tǒng)計和打印。

5  結(jié)束語

我國幅員遼闊，氣候類型多樣，從南到北，橫跨南熱帶到北溫帶等9 個氣候帶和1 個高原氣候大區(qū)，但是由于我國的日光溫室建設起步較晚，研究工作有限，還缺乏對日光溫室結(jié)構(gòu)與采光性能的系統(tǒng)的研究，一些溫室的采光性能不佳，不利于作物的成長，從而導致溫室生產(chǎn)沒有產(chǎn)生應有的效益。 隨著我國設施園藝的發(fā)展，近年來節(jié)能日光溫室在西北地區(qū)推廣的面積越來越大，溫室控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等在溫室的發(fā)展方面起到了舉足輕重的作用。 溫室環(huán)境測控系統(tǒng)可對溫室內(nèi)外環(huán)境進行自動檢測、顯示；可按不同作物的要求，進行多因子綜合調(diào)節(jié)與控制；同時還能對溫室內(nèi)各環(huán)境因子的數(shù)據(jù)長期存儲，滿足科研和生產(chǎn)的需要，為智能農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的開發(fā)積累豐富的資料數(shù)據(jù)。 基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室測控系統(tǒng)，更是克服了傳統(tǒng)溫室在結(jié)構(gòu)和性能上的一些不足，對建立大型的智能溫室群也有一定的借鑒作用。