基于wsn的温室大棚监测系统的设计

基于基于 WSNWSN 的温室大棚监测系统的设计的温室大棚监测系统的设计 摘要：介绍了基于 WSN 的传感器节点自组网、数据采集与数据传输等设计 方法，实现了温室大棚内温湿度的实时采集、数据处理与传送。尤其是利用 DSl305 外部中断解决了 WSN 中的低功耗设计与时间同步问题，并且应用移动平 滑滤波算法对温湿度值进行数字滤波处理，提高了检测数据的精确度。该系统 解决了温室内的复杂布线问题，具有成本低、可靠性高、精确度高、实用性强 等优点。 关键词：无线传感器网络；移动平滑滤波算法；温室大棚监测系统 0 引言 温室农业随着大中城市对新鲜蔬菜的需求日益高涨而得到了迅速发展。现 有的温室数据采集系统大多是采用人工的或预先布线的有线采集方式。人工方 式加大了工作量且难以保证数据的实时性和有效性；采用有线数据采集的监测 系统受地理位置、物理线路和复杂环境因素的影响具有明显的局限性。温室大 棚内的环境温湿度参数对农作物的生长起着至关重要的作用，为此采用新兴的 无线传感器网络技术结合先进的计算机技术、微处理器控制技术和智能传感数 据采集技术设计了农业温室大棚温湿度监测系统。 随着农业科技的发展，以及国家对三农的的高度重视，特别是国家 2012 农业国家一号文件颁发后。国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构企业 积极寻求在良种培育、节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、 加工贮运、循环农业、海洋农业、农村民生等方面的高新技术，力求突破现存 的农业技术瓶颈，真正实现现代化农业。 浙江托普仪器有限公司和浙江大学合作积极响应科技兴农政策突出农业科 技创新重点，研发出农业物联网智能控制系统通过通过射频识别（rfid） 、红外 感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备等新型技术将农业和互联 网连接起来提大大提高了农业生产的工作效率和精细管理，避免了“瘦肉精” 、 “毒辣椒粉” 、 “红心鸭蛋”等问题的再次发生，保证了食品的安全和产量。目 前此物联系统已在全国多家科技园、示范园区、农场、科研所、院校等区域成 功运行，技术稳定成熟，功能齐全。为在农业种植业、畜牧养殖业等领域的生 产关键环节建立智能化控制、信息化管理的现代农业项目提供了强有力的技术 支持。物联网的实施将大大提高国家推进科技创新增强农产品的步伐。农业物 联网将开启农业生产腾飞的新篇章。 托普农业物联网系统主要包括三个层次： 感知层：采用各种传感器（如温湿度、光照、CO2、风向、风速、雨量、土 壤温湿度等）获取植物的各类信息。 传输层：信息通过无线网络传输系统和信息路由设备传到控制中心，各个 节点可以自由配对、任意监控、互不干扰。 应用层：根据 WSN 获取植物实时生长环境。图温湿度、光照参数等，收集 各个节点的数据，进行存储和管理实现整个测试点的信息动态显示，并根据各 类信息进行自动灌溉、施肥、喷药、降温补光等控制、对异常信息进行自动报 警。加装摄像头可以对每个大棚和整个园区进行实时监控。 1 WSN 简介 一个典型的无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)结构，包 括传感器节点(Sensor Node)、汇聚节点(SinkNode)和管理节点(Management Node)。有时候为了通讯距离的需要，网络中可以存在一定数量的中继节点 (Relay Node)。大量的 Sensor Node 随机部署在检测区域内，这种具有无线通 信与数据处理能力的微小的 Sensor Node 通过自组网方式，构成自主完成指定 任务的分布式智能化监测网络，并以协作的方式实现感知、采集和处理网络覆 盖区域中的环境参数信息，最后通过多跳的方式将 Sensor Node 检测到的数据 经由 Sink Node 链路传送到 Management Node反之，用户可以通过 Management Node 对 WSN 进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据口。 2 监测系统体系结构 基于 WSN 的温室大棚温湿度监测系统由 WSN 和监控主机组成。监控主机为 一台 PC 机，用来显示、存储与处理环境温湿度数据，对 WSN 发送采集命令等。 托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。 WSN 则负责采集网络的构建以及环境温湿度数据的采集，它由 sink Node，Relay Node 和 Sen 一 80r Node 组成。一个典型的基于 WSN 的温室大棚 温湿度监测系统如图 1 所示。 Sink Node 负责网络的构建并对其管理和维护，包括对新加入的 Sensor Node 分配网络地址，节点的加入和离开，网络的安全密钥的分发更新等，并且 将汇聚的各节点的数据通过串口上传给监控主机。当监控主机不便于长期在现 场使用时，监测数据也可通过 GPRS 接入 Intemet 网络，将数据远传给监控主机 或者将监控主机的命令在网络中发送出去，实现远程监控；SensorNode 主要用 来挂接各种传感器(温度和湿度传感器)，采集数据并传给 Rehy Node，经 Sink Node 最终传给监控主机。 31 传感器网络节点 传感器网络节点是 WSN 中部署到研究区域中收集和转发信息，协作完成指 定任务的对象。因此，对于每个 Sensor Node，除了应具有采集、处理数据功 能外，还应具有无线通信的功能。因此，其硬件部分主要由微处理器模块、无 线通信模块、传感器数据采集模块以及其他一些外围电路和模块组成 Do，体系 结构如图 2 所示。 微处理模块采用低功耗片上系统芯片 CC2430，该芯片采用低功耗的 CMOS 工艺生产，电流损耗低(接收时：27 mA，发送时：25 mA)6-7。射频模块使用 单极天线，具备 14 波长(A4)的单极天线，长度由式(1)给定： (1) f L 7125 式中 f 的单位为 MHz，L 的单位为 cm Sink Node 和 Relay Node 不需挂接传感器，除不具有数据采集功能外，其 余和图 2 所示的结构体系完全相同。 32 温湿度传感器 系统所选用的传感器为 DSl8820 数字温度传感器和 GY-HR006 湿敏传感器。 其中，数字式温度传感器 DSl8820 的测温范围为一 50110 oC，精度误差在 01 oC 以内，且采用单总线形式与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有 低成本、测温精度高和控制性能良好等特点。但是湿敏电阻 GYHR006 却需要 频率为 502000 l-lz 的交流电来供电，可以通过软件控制单片机 IO 口的高 低电平不断变化从而产生交流电，然后通过电阻分压得到电压值，并将其送入 ADC 转换口进行 AD 转换。两传感器均挂接于 Sensor Node，按照监控主机设 定好的采样频率进行温湿度采集并发送。 4 软件实现 托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。 系统软件开发平台为 IAR73B，通信协议栈采用 ZStackl43 110，为简化描述，软件流程将 Relay Node 的转发功能略去。该温湿度监 测系统的软件主流程见图 3。 首先，Sink Node 发起网络的构建，等待 Sensor Node 的加入。Sensor Node 查询已有网络并申请加入 Sink Node 所构建的网络，若加入成功，Sensor Node 则经 Sink Node 向监控主机发送网络拓扑数据包，监控主机收到该网络拓 扑数据包后经 Sink Node 向 Sensor Node 发送校时和定时指令。对于 Sensor Node 而言，在收到 Sink Node 发送来的校时和定时指令后，首先进行一次温湿 度数据的采集与处理，具体过程如图 4 所示。 图 4 中的传感器数据采集与处理机制充分利用时间间隙进行能量的低功耗 调度。如果定时时间到达，节点在外部中断下唤醒，首先监测自身是否还在网 络中，若监测到网络的存在，则经 Sink Node 向监控主机发送网络拓扑数据包， 之后的流程如前所述监控主机向下通讯的过程。 如图 3 右侧所述，提出了一种 WSN 通讯定程度上不可靠的解决对策，即 Sensor Node 加入网络未成功或者未及时接收到上位机发来的校时与下次唤醒 时间的指令。Sensor Node 会根据通讯正常时的采样频率自动设置 Sensor Node 的下次唤醒时间，从一定程度上增强了监测系统的鲁棒性。 5 时间同步关键技术突破 在分布式系统中，不同的 Sensor Node 都有自己的本地时钟，而分布式系 统的协同工作需要 Sensor Node 间的时间同步，因此时间同步机制是分布式系 统基础和框架的一个关键技术。 在该温室大棚温湿度监测系统中，Sensor Node 均外接实时时钟芯片 DSl305，在网络构建完成后，Sink Node 会立刻接收监控主机发来的时间同步 指令，然后将该信息广播给网络中的 Sensor Node，Sensor Node 会通过这一指 令信息完成本地时钟初始化。待所有的 Sensor Node 时钟同步初始化之后，设 定 DSl305 的下次唤醒时间，定时时间到则 DSl305 输出中断信号，将 Sensor Node 唤醒，响应上位机指令，完成数据的采集和发送，之后 Sensor Node 再次 转入长时间休眠，等待下一次 DSl305 的中断唤醒信号。每次唤醒时，节点的工 作时序如图 5 所示。 托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。 在该温湿度监控系统实际运行过程中，可以在每天固定的时刻(比如晚上 0 点)唤醒网络中所有节点，Sink Node 会发送时钟校准信号，各 Sensor Node 收 到校准信号，重新初始化本地时钟，从而完成整个网络的时间重新校准，进而 实现整个网络的时间同步。 6 监测系统上位机设计 监控中心控制软件以 LabwindowsCVl 工具作为开发环境一，分为用户界 面模块、数据库模块、通信模块 3 大模块。其中用户界面可以实时显示温室大 棚内的温湿度参数、超限报警、历史数据的记录和分析及报表的打印输出、传 感器网络拓扑显示。数据库模块实现数据库的创建以及对数据库读写操作、查 询等访问操作；通信模块可以实现与网关节点进行 GPRS 通信，从而实现数据的 传输，以及将数据链接 Intemet 实现远程数据共享。监控主界面如图 6 所示。 该上位机设计的一个创新点在于自主开发了 WSN 网络拓扑结构上位机显示 界面，可以实时显示网络拓扑结构及各节点的温湿度值、电池电量等节点信息， 方便、直观、可视性强，而且具有历史数据存储功能。上位机的网络拓扑结构 见图 7。 7 结果测试与数据处理 针对该监控系统的通讯性能进行了测试，采用 3dbi 的单级天线在广场和楼 道内进行_测试，测试结果如表 1 所示。显然无论是在窄旷的广场还是狭窄的 托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。 楼道内，该监测系统的无线传输能力应用在温室大棚有限的相对有限的空间内 是足够的。 此外，温湿度传感器工作时受温室大棚内环境和自身输入输出非线性因素 的影响，所以有必要在监测系统中添加对数据的平滑性处理，即对输入或输出 数据序列的平均化，以压缩随机干扰，减少统计误差，提高信噪比，从而改善 检测数据的质量，提高测量处理准确度。为此采用了移动平滑法对采集到的数 据进行处理。其数学表达式为 由于该监控系统中的使用的数字式温度传感器的精度相对较高，但是湿敏 电阻的精度仅在 5左右，故这里仅针对监测系统采集到的湿度值做数据平滑 处理。 如表 2 所示，给出温湿度监控系统所采集到的部分湿度值。 托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。 图 9 则针对采集到的原始湿度值分别做了三点与五点平滑处理。由图 9 可 以得出，未对采集到的湿度数据处理前，其上下波动在 5左右，然后对采集 到的数据进行平滑化处理，并且随着取样点数的增加，信号的噪声衰减率将增 大，同时该滤波方法滤出高频噪声的能力将进一步提升，但带来的负面影响是 增加了数据处理的时间。由于 WSN 的一个突出优势就在于节点的低功耗，所以 这就存在一个动态平衡问题，在追求采集数据精确度的同时还要考虑网络节点 的功耗问题，所以最终选择哪一层次的移动平滑滤波算法可由需要来定，针对 表 2 中的相对湿度数据，如果监测系统可以允许 3一 4的误差波动存在，那 么只需要对采集到的数据进行三点平滑处理即可满足要求，相比之下如果允许 误差波动在 2或者更小时，那么数据处理程序则至少需要五点曲线平滑处理。 同时，从微处理器在数据计算处理方面的局限