（农业电气化与自动化专业论文）温室无线传感器网络监测系统的设计研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘要 摘要 本研究是在教育部现代精细农业系统集成研究重点实验室( 中国农业大学) 的支持下完成的。 课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“农业生物环境信息获取与无线传感器网络 技术研究”( 2 0 0 6 a a i o z 2 1 回。 随着设施农业技术的进步，相关支持技术的研究也得到迅速发展，温室信息采集和相关设备 研究成为技术创新的研究方向之一本文以解决实际应用中温室环境调控信息快速采集、处理和 通信等问题为目标，本着系统集成的思想，开发了基于z i g b e e 协议的温室无线传感嚣网络监测系 统。 系统由传感器采集网络、数据汇聚中心、远程监测中, t l , - - - 部分组成。传感器采集网络由分布 在温室中的传感器节点组成，采集温度、湿度、光照等环境变量信息；数据汇聚中心是基于a r m 9 微处理器的网关节点，主要实现数据汇总和液晶显示，并通过g s m 短信息方式将数据发送到远 端的监测中心；由远程监测中心实现数据的存储和分析。 试验结果分析表明，在温室内传感器节点单跳距离在4 0 - - 6 0 米之间可进行良好的通讯，系 统稳定、可靠，能满足温室各种传感器信息的采集和发布。 关键字：设施农业，无线传感器网络，a 脚9 ，z i g b e e 技术 中国农业大学硕士学位论文 a b s l r a c t a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hw a sc a r r i e do u ti nt h em i n i s t r yo f e d u c a t i o n sk e yl a b o 俄o r yf o rm o d e m p r e c i s i o n a g r i c u l t u r es y s t e mi n t e g r a t i o nr e s e a r c ha tc h i n aa 鲥c u l t u r a lu n i v e r s i t y , a n ds u p p o r t e db yt h e n a t i o n a lh i 【g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) ：r e s e a r c ho n i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o no f a g r i c u l t u r a lb i o l o g y e n v i r o n m e n ta n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y ( 2 0 0 6 a a i o z 2 1 6 ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r e c i s i o na g r i c u l t u r eo ，a ) ，r e l a t e ds u p p o r t i n gt e c h n i q u e sa r ca d v 锄c i l l g r a p i d l y t h ed e v e l o p m e n to fa p p r o p r i a t ee q u i p m e mf o rc o l l e c t i n ge n v i r o n m e n t a ld a t ai ng r e e n h o u s e si s o n eo f t h er e s e a r c hd i r e c t i o n so f t e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n f o rt h ep u r p o s eo f s o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m s s u c ha si n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , a n dd a t ac o m m u n i c a t i o n , am o n i t o r i n gs y s t e mf o r g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t sw a sd e s i g n e db a s e do i lw i r e l e s ss c l l s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yo fz i g b e e p r o t o c 0 1 t h es y s t e mw a sc o m p o s e do f ad a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r k , ac e n t r a lc o n t r o l l e ra n da r e m o t em o n i t o r c e n t e r t h ed a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r kc o n s i s t e do f w i r e l e s ss e n s o rn o d e sd i s t r i b u t e di nag r e e n h o u s e t h e n e t w o r kw a su s e dt og a t h e re n v i r o n m e n t a lv a r i a b l e si n c l u d i n gt e m p e r a l u r e ，h u m i d i t ya n ds u n l i g h t , e t e t h ea r m 9m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dg a t e w a yn o d ew a sd e s i g n e dt oc o l l e c td a t aa n dt r a n s m i tt h ed a t at o t h er e m o t em o n i t o rc e n t e ri nt h ef o r mo fs h o r tm e s s a g e s t h er e m o t em o m t o rc e n t e rw a su s e df o rd a t a s t o r a g ea n da n a l y s i s t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tg o o dc o m m u n i c a t i o nc o u l db ea c h i e v e dw h e nt h es p a c i n gw a sa b o u t4 0 l o6 0m e t e 8b e t w e e nw i r e l e s ss e n s o rn o d e s t h es y s t e mw a ss t a b l ea n dr e l i a b l ea n dm e tt h e r e q u i r e m e n t sf o rd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：i n s t a l l a t i o na g r i c u l t u r e ，w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，a r m 9 ，z i g b c et e c h n o l o g y i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：狴毗 时间： 7 年，月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：褒娘虎时间： 硼7 年相7 日 导师签名：m 时问：肋7 年6 月7 日t， 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 i 研究背景与意义 i i 1 研究背景 第一章绪论 随着我国人口的不断地增长和可耕地面积的减少，实现农业的可持续发展，开发设施农业势 在必行。设施农业是具有一定的设施，能在局部范围改善环境气象因素，为植物生长发育提供凫 好的环境条件，而进行有效生产的产业。大力发展设施农业，是中国农业走现代化道路的一种有 效途径，对于优化产业结构，推动农业现代化建设，提高经济效益，增加农民收入。改善农业生 态环境，具有十分重要的意义i l j 例。 但到目前为止。我国大多数大棚、日光温室内环境主要仍靠人工经验来管理，缺乏系统的科 学指导。其栽培技术缺乏量化指标，主要靠管理者的经验，科技含量不足，只能被动地实现保温、 降温、遮阳和防雨，而不能主动地调节温、光，水、肥、气，成了限制温室作物高产优质种植的 主要障碍。可见，温室控制技术的发展，对于温室产业现代化进程具有深远的影响吼 随着设施农业不断发展，我国温室大棚面积逐年增加，据不完全统计，目前全国设施种植面 积达几百万公顷，温室设施产品生产企业已达上百家。温室工程为解决我国城乡居民菜篮子和农 民增收，为推进农业结构调整发挥了重要作用，温室种植已在农业生产中占有重要地位。 要实现高水平的设施农业生产和优化温室生物环境控制，信息获取手段是最重要的关键技术 之一作为现代信息技术三大基础( 传感器技术、通信技术和计算机技术) 的高度集成而形成的 无线传感器网络( ( w i r e l e 璐s e n s o rn e t 、v o r k ，简称w s n ) ，是一种全新的信息获取和处理技术。 网络由数量众多的低能源、低功耗的智能传感器节点所组成，能够协作地实时监测、感知和采集 各种环境或监测对象的信息，著对其进行处理，获得详尽而准确的信息，通过无线网络传送到目 标主机以及需要这些信息的用户，同时用户也可以将指令通过网络传送到目标节点使其执行特定 任务。 近几年来，无线传感器网络掀起了一场后p c 时代的革命。w s n 作为综合了传感器、嵌入式 计算及无线通信等3 大技术的新兴领域，可以实现人与自然界以及物与物对话的无处不在的通讯 和计算。从火星探测到野生候鸟的监测，从智能房屋到车辆监测和跟踪，从军事“智能尘埃”( s m a r d m t ) 到辅助足球裁判，从胶囊肠镜到住院病人病情监测，从森林防火到预测山洪暴发，从人体 内药物剂量控制到精细农业，广阔的应用前景掀起了国内外对w s n 的研究热潮” 1 i 2 研究意义 为适应我国农业进入新阶段后对农业高新技术的迫切需求，近年来，设施农业科技项目受到 国家前所未有的重视。在。九五”期间国家启动了工厂化农业示范项目，经过五年的示范，取得 了一定的成就，设施农业中的一个共性问题就是环境的调控问题，在“九五”期间已经引起了设 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 施农业控制领域的高度重视，专家向科学技术部提供了许多建设性的工厂化农业发展战略报告， 因此“工厂化农业关键技术研究与示范”被列入国家科技部。十五”国家重点科技攻关项且，“设 施园艺可控环境生产技术”也被首次列入国家“8 6 3 ”计划，国家自然科学基金生命科学部也设 立了“可控环境农业生产技术”等研究项目。 随着设施农业的发展，工厂化、集约化程度的不断提高，对设施农业环境工程调控技术与设 施的要求也越来越高在工厂化高效农业科技产业项冒中，建立现代化的智能温室是其重要的组 成部分。温室环境自动控制技术是现代设施农业领域中温室环境控制的核心内容，智能化温室是 集农业科技的高、精、尖技术和计算机自动控制技术于一体的先进的农业生产设施，是现代农业 科技向产业转化的物质基础，它能营造相对独立的作物生长环境，摆脱传统农业对自然环境的高 度依赖。 无线传感器网络作为一种新的通信模式，正在推动着科技发展和社会进步，已成为信息与通 信前沿高技术研究的焦点和制高点之一，也将为农业和农村信息化现代化带来新的契机。我国是 农业大国，研究无线传感器网络农业应用与示范实践，对于农业广域空间分布的资源、环境和生 产管理信息的实时采集、监测、处理、分析预测，优化资源配置和生产管理，提高农业生产的科 学性、主动性，减轻盲目投入造成的资源浪费和对生态环境的污染，促进农业可持续发展，都具 有至关重要的意义。 无线传感器网络应用于农业和环境监测领域可以带来巨大的社会效益与经济效益。随着无线 传感器网络中的异构互连，时问同步、节点定位和能耗等问题的解决，无线传感器网络以其经济 性和精度性高、鲁棒性强而可以直接推动其在环境监测领域的广泛应用，因此无线传感器网络在 国民经济与社会发展各个领域的应用效益将是非常显著的目前有很多无线传感器系统的农业应 用实例。如巴西监测1 5 0 0 公顷大面积农田灌溉的基于无线传感器网络的中央远程控制与监测系 统；养猪场监测母猪行为与个体健康状况的无线传感器网络系统；为防疫控制的动物运输与运动 过程无线实时跟踪监测系统；2 0 0 3 年在柏林召开的第一届精细畜牧业国际会议上，就有许多关于 动物运输、运动实时跟踪系统的产品展示。包括基于g p s 器件的动物流动定位监测装备已经开始 应用在疫情防控系统中， 我国作为世界上最大的发展中国家和传统的农业大国，农业信息技术有着巨大的应用空间和 广阔的发展前景。当今世界已经进入信息化时代，信息作为一种新的生产要素正在发挥越来越重 要的作用现代农业是与信息化同步的农业，要实现农业现代化，必须积极利用现代信息科技的 发展成果，加快农业信息化进程。在此过程中需要将成熟的信息技术逐步引入至农业生产实践中 设计和开发具有无线传感器网络功能的温室信息采集设备，符合设施农业实践中信息采集的技术 发展趋势，同时也会带动现代通讯技术等相关先进技术在农业中的应用，有利于推动温室技术设 备的大面积推广。缩小与国外技术的差距，加快我国农业现代化进程。 2 中国农业大学硬士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外温室控制系统研究现状 国外对温室环境控制技术研究较早，在荷兰、以色列、美国、英国等国家的设施农业中智 能化温室环境测控技术己得到广泛的普及与应用目前，各国温室制造公司相继研制了专用的温 室气候控制计算机及其它如灌溉、施肥计算机等。这些在温室现场的控制计算机可与远离温室的 计算机控制室进行数据和信息交换，使温室管理人员在遥远的地方就可以对温室生产的情况一目 了然。发达国家如荷兰，美国、英国等都大力发展集约化的温室产业，温室内温度、湿度、光照， c 0 2 浓度、水、气、营养液等实现计算机调控。1 9 7 8 年日本东京大学的学者研制出微型计算机温 室综合环境控制系统。目前，日本，荷兰，美国等发达国家可以根据温室作物的特点和要求，对 温室内的诸多环境因子进行环境控制1 5 1 。 在提高温室管理水平的同时。国外温室研究人员也非常重视环境因子的控制技术研究，从简 单的p i d 控制方法、到最优控制方法、到专家系统等都己广泛应用于温室的研究与生产实践中去， 如美国的q e o m e 公司，通过对温室开窗机构进行p i d 调节来控制温室内空气温度，可在恒温控 制时，一昼夜间单测点的温度波动范围偏差小于士1 5 c 。美国密执安州大学研制的温室专家系统， 可以研究温度对花卉如一品红、百合等的精确影响，并将环境控制系统与决策系统融为一体。 我国对于温室控制技术的研究较晚，始于2 0 世纪8 0 年代。国内工程技术人员在吸收发达国 家温室控制技术的基础上，掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和c 0 2 浓度等单项环境因子的控制，随后我国的温室控制技术得到了迅速发展2 0 世纪8 0 年代，我国 先后从欧美和e t 本等发达国家引进了2 1 2 h m 2 连栋温室。由于当时只注重引进温室设备，而忽略 了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产。9 0 年代初期， 中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并采用 v i s u a lb a s i c 工具开发了基于w i n d o w s 操作系统的控制软件。九五”初期，以以色列温室为代表 的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕。到9 0 年 代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我 国自主开发了一些研究性质的环境控制系统1 6 1 。1 9 9 6 年，江苏理工大学研制开发了温室软硬件控 制系统，能对营养液系统、温度、光照、c 0 2 施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控 制系统较为典型的研究成果。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统，该系统 由大棚本体及通风降温系统，太阳能贮存系统，燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数 测控系统等组成。1 9 9 7 年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成 果。在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学。中国科学院上海植物生理研究 所等单位也都侧重不同领域，研究温室设施计算机控制与管理技术。“九五”期间，国家科技攻 关项目和国家自然科学基金委。均首次增设了工厂化农业研究项目，并且在项目中加大了计算机 应用研究的力度。其中九五国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接设置了 “智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”专题。9 0 年代末，河北职业技术师范 学院研制了蔬菜大棚，其能够对温、湿度进行实时测量与控制。可以看出我国温室设施计算机应 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 用。在总体上正从消化吸收，简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。 由于我国农业现代化水平较低，农业劳动力过剩，温室的一次性投资大。资金短缺以及对操 作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室产业中的广泛应用。目前，国内的 一些大中型温室其控制系统主要采用以下两种形式：一是温室单片机控制系统。这种系统充分发 挥单片机抗干扰能力强、数据采集方便快捷，体积小、性能价格比优越等优点。华北型连栋温室 自动控制系统就是采用这种控制系统，它能很好地完成环境监测、控制、存储及通信功能二是 以工业控制计算机为核心的温室控制系统。这两种控制系统一般都位于温室现场，给管理造成不 方便。另外，国内温室自动控制系统虽能较好地完成数据采集，显示与存储功能，但对环境因子 的控制水平，控制精度还有待迸一步提高。 1 2 2 国内外无线传感器网络研究现状 无线传感器网络是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，它综合了传感器、嵌入式计算、 现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器实时采集信息，由嵌 入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。在国防安全、 工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控 制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值。具有十分广阔的应用前景。 无线传感嚣网络技术作为信息科学技术颁域的前沿性技术，已经引起了学术界和工业界的广 泛关注。国外的许多大学和研究机构纷纷投入大量研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研 究工作，最具代表性的是美国加州大学伯克利分校( u c b e r k e l e y ) 和英特尔公司( i n t e l ) 联合成 立的“智能尘埃( s m a r t d u s t ) ”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内自 治地完成感知和通信功能的设备原型系统( a u l o n o m o u ss e n s i n ga n dc o m m u n i c a t i o ni nac u b i c m i l l i m e t e r ) ，也就是无线传感器网络节点的研制。这项工作从1 9 9 8 年开始到2 0 0 1 年结束，受到 了美国国防预先研究计划局( d a r p a ：t h e d e f e n s e a d v a n c e d r e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y ) 的支持。 在随后的几年里。加州大学伯克利分校有多个实验室开始了关于无线传感器网络及其相关的工 作，如：n e s t ( n e t w o r ke m b e d d e ds y s t e m st o c l m o l o g y ) ，w e b s ( w i r e l e s se m b e d e ds y s t e m ) 、 b a r w a n m a y a r e a r e s e a r c h w i r e t e s s a c c e s s n e t w o r k ) 、b w g c 0 3 e r k e l e y w i r e l e s s r e s e a r c h c e n t e r ) 等实验室，从不同的角度对无线传感器网络进行了大量具有开创性的研究。 美国其它大学也在无线传感器网络方面开展了大量研究工作。如加州大学洛杉矶分校 ( u c l a ) 的c e n s ( c e n t e rf o re m b e d d e dn e t w o r k e ds e n s i n g ) 实验室、w i n s ( w i r e l e s si n t e g r a t e d n e t w o r ks e n s o r s ) 实验室、n e s l ( n e t w o r k e da n de m b e d d c ds y s t e m sl a b o r a t o r y ) 实验室、l e c s ( l a b o r a t o r yf o re m b e d d e dc o l l a b o r a t i v es y s t e m s ) 实验室、i r l ( i n t e r a c tr e s e a r c hl a b ) 等。另外。 麻省理工学院( m i t ) 获得了a r p a 的支持，从事着极低功耗的无线传感器网络方面的研究，被 业界广泛关注的s p i n ( s o n s e t p r o t o c o l s f o r i n f o r m a t i o n v i a n e g o t i a t i o n ) 协议也是出自m i t ；奥本 大学( a u b u r nu n i v e r s i t y ) 也获得d a r p a 支持。从事了大量关于自组织传感器网络方面的研究， 并完成了一些实验系统的研制；宾汉顿大学( b i n g h a m m nu n i v e r s i t y ) 计算机系统研究实验室在 移动自组织网络协议、传感器网络系统的应用层设计等方面做了很多研究工作；州立克利夫兰大 学( 俄亥俄州) ( c l e v e l a n d s t a t e u n i v e r s i t y , o h i o c s u o h i o ) 的移动计算实验室在基于l p 的移 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 动网络和自组织网络方面结合无线传感器网络技术进行了研究。另外，北亚利桑那大学( n o r t h e r n a r i z o n au n i v e r s i t y ) 的无线网络研究实验室( w i r e l e s sn e t w o r kr e s e a r c hl a b 。w n e l ) 、莱斯大学 ( r i c eu n i v e r s i t y ) 多媒体通信实验室的无线个人局域网工作组；斯坦福( s t a r t f o r d ) 大学的无线 传感器网络实验室、新泽西( n e wj 郇哪) 州立大学的无线传感器网络实验室、伊利诺伊大学厄 本那一香槟分校( u i u c ) 的t i m e l y 实验室、南加州大学的r e s l ( t h er o b o t i ce m b e d d e ds y s t e m s l a b o r a t o r y ) 实验室、佛蒙特大学( u n i v e r s i t y o f v e r m o n t ) 的无线自组织网络实验室、西密西根大学 ( w e s t e r nm i c h i g a nu n i v e r s i t y ) 的无线传感器网络实验室此外新加坡国立大学( n u s ) 的无线 传感器网络实验室等也有关于无线传感器网络方面的研究【”。 国外研究人员已经开展无线传感器网络在农业领域的应用研究，其中一些技术还得到了成功 实践。根据应用环境不同，无线传感器环境监测网络可划分为果园应用，温室应用和农田应用。 在果园应用中，美国加州的c a m a l i e 家族葡萄园( 2 0 0 5 ) 采用了c r o s s b o w 公司的m i c e 2 d o t 节点 组建了一个温湿度监测网络如图l - l 所示。网络覆盖区域4 4 英亩，部署节点2 0 个，监测土壤温 度和湿度变化，同时还监测葡萄酒窖内的储存温度变化节点每隔1 0 分钟发送一次数据，用户 可以进行数据的远程浏览和管理。应用监控网络后，经济效益显著提高，2 0 0 5 年的葡萄产量较 2 0 0 4 年翻了一倍，达到4 吨，英亩，到了2 0 0 6 年又达到了9 吨，英亩，葡萄酿酒的品质也得到改善， 同时节省了灌溉用水。 图1 - 1 美国加州的c 孤a li e 家族葡萄园湿度传蓥器节点监测网络 国内在无线传感器网络领域的研究也已经在很多研究所和高校展开。中科院上海微系统所凭 借其在微系统和微型机电系统( m e m s ) 技术方面良好的基础，自从1 9 9 8 年就对无线传感器网 络进行了跟踪和研究，已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发。其中很多工 作都是与c d m a 和o p s 技术应用相关，从某种程度上说已经超越了无线传感器网络技术；中科 院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感或 控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少；浙江大学现代控制工程研究所 成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统 关键技术及协调控制理论方面的研究；山东省科学院于2 0 0 4 年l o 月正式启动了关于无线传感器 网络节点操作系统的研究；另外中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学，清华大学、中 国科学技术大学、哈尔滨工业大学，北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网 络方面也都有一定的工作从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的水平相对国外落后， 5 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 在点上的研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少。 中国科学院计算机研究所宁波中科集成电路设计中心组建的u ) p 无线传感器网络项目组，也 正在从事具有自主知识产权的无线传感器网络的研究与开发，已经推出几款型号的无线传感器网 络节点产品及上位机监测软件，并在一些领域中得到应用，如慈溪蔬菜开发公司大棚温湿度土壤 酸碱度远程控制监测、招宝山大桥斜拉索震动监测。目前，在国内无线传感器网络的研究中，l p p 项目组的研究成果处于比较领先的地位，具有自主知识产权，能够与市场上的主流节点产品兼容， 具有一定的技术优势和较好的市场潜力，但是与国外产品还存在一定差距，产品仍在不断研发和 完善中。中科院计算所的无线传感器网络项目l p p ( l o w p o w e r p r o c e s s o r ，低功耗处理器) ，正在 研制具有自主知识产权的低功耗微处理器和基于该微处理器的软硬件协同的低功耗无线传感器 网络系统。 1 3 研究目标与研究内容 1 3 1 研究目标 传统温室监测系统一般由基于5 1 单片机的采集控制仪构成，为了便于集中监测，采集控制 仪通过现场总线与负责监测的p c 机连接并进行数据通讯。它在一定程度上满足了中小型温室自 动化生产的需要，促进了生产力的发展，但同时也存在不足之处，主要表现在采用p c 机来解决 上述问题。体积较大不利于安装，布线比较复杂，成本高，不利于产业化应用推广等。 本研究根据现代无线技术的发展，提出了一种新型的基于无线传感器网络的温室监测系统， 通过无线传感器网络采集温室中各种传感器数据，避免了温室中布线的繁琐，同时设备具有体积 小，可重复利用，便于安放等优点 温室无线传感器网络系统设计包括三部分，第一部分为温室监测网络，由众多无线传感器节 点分布在温室内，采集温室中各种环境变量信息，并通过z i g b e e 无线通讯协议把数据发送到数据 汇聚中心的网关节点上；第二部分为数据汇聚中心，由a r m 9 为微处理器的网关节点对监测中心 的节点数据的进行汇总和融合，并通过g s m 短消息模式发送给远程监测中心；第三部分为远程 监测中心，远程监测人员可实时接收到温室环境变量的信息，并可通过上位机软件对数据进行存 储和处理。 1 3 2 研究内容 本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 无线传感器网络节点的设计； ( 2 ) 无线通信z i g b e e 协议的组网实现； ( 3 ) 基于a r m 9 微处理器的网关节点的设计； ( 4 ) 基于g s m 短信方式远程数据的发布 本文主要介绍了温室中无线佳感器网络系统的设计，课题研究包括设计传感器节点和网关节 点硬件解决方案，编写软件应用程序在研究的过程中对嵌入式微处理的结构和功能、嵌入式操 6 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 作系统、嵌入式系统的编程、无线传感器t i n y o s 操作系统，z i g b e e 协议等相关技术进行深入的 研究。 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络的设计 第二章无线传感器网络的设计 2 1 无线传感器网络技术 2 1 1 无线传感器网络概述 一、无线传感器定义 微电子技术，计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展， 使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络就是由 部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织 的网络系统，其目的是协作地感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察 者传感器，感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素如果说i n t c m e t 构成了逻辑上的 信息世界，改变了人与人的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上 的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感网络直接感知客观世 界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和m 1 t 技术评论在预 测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 l 世纪最有影响的2 l 项技术和改变世界 的l o 大技术之一无线传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科 技产业i s 。 无线传感器网络是大规模网络、自组织网络，动态性网络、可靠的网络、与应用相关的网络 和以数据为中心的网络。传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研 究热点领域。传感器网络综合了传感器技术，嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术，分布 式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或 监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继 方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。 二，无线传感器网络体系结构 传感器网络结构如图2 - 1 所示，传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、网关节 点( g a t e w a yn o d e ) 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域( s e n s o rf i e l d ) 内部和附近。 能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在 传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到网关节点，最后通过互联网或者卫 星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测 数据。 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络的设计 围2 - 1 传感器网络体系结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统它的处理能力、存储能力和通讯能力相对较弱， 通过携带能量有限的电池供电从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路 由器双重功能，除进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管 理和融合等处理，同时对其他节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是传感 器网络研究的重点 网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与i n t e r n e t 等 外部网络，实现两种协议之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据 转发到外部网络上。网关节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更 多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能，仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 三，无线传感器网络的特点 无线传感器网络是集成随机分布的传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组 织的方式构成的无线网络。 无线传感器网络具有如下的特点： 1 、网络规模大 传感器节点可以分布在很大的地理区域内。网络的覆盖范围很大，部署密集，在单位面积上 可以部署大量的传感器节点 2 、动态性网络 网络的拓扑结构可以根据很多因素的改变而变化。比如，环境因素，新节点的加入或已有节 点失效等。 3 、自组织网络 无线传感器网络的动态性，要求传感器节点需要具有自组织能力，能够自动进行配置和管理， 通过拓扑机制和网络协议自动形成能够转发数据的多跳无线网络系统。 4 、以数据为中心的网络 在目前的互联网中，网络设备用网络中唯一的i p 地址来标识，资源定位和信息传输依赖于 终端，路由器，服务器等网络设备的i p 地址。如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资 9 中国农业大学硕士学位论文第二章无线传感器网络的设计 源的服务器i p 地址。可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。但是，在无线传感器网 络中，节点采用编号标识，节点编号是否需要全网唯一，取决于网络通信协议的设计。用户使用 无线传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节 点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。因此说无线传感器网络是一个以数据为中心的网 络。 四、无线传瘟器网络与现有网络的区别 无线传感器网络与其他网络如移动通信网、a dh o c 网络，因特网等相比有着如下区别： 1 、无线传感器网络中的节点数目更为巨大，密度更高，且节点不一定具有全球唯一的地址 标识； 2 、无线传感器网络中的节点一般不进行快速移动，但节点可能会随时加入或离开，因而网 络的拓扑变化很快； 3 、无线传感器网络大都采用点对点通信方式； 4 、无线传感器网络中节点的电池能量、计算能力和存储能力相当有限。 五，无线传感器网络的应用 虽然无线传感器网络的大规模商业应用。由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年， 随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使 用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域： 1 、环境的监测和保护 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器 网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来 的侵入式破坏比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将3 2 个小型传感器连进互联网。以读出 缅因州大鸭岛上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫 的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋，大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用 在精细农业中，来监浏农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 2 、医疗护理 无线传感器网络在医疗研究，护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传 感器创建了一个智能医疗房间。使用s m a r td u s t ( 微尘传感器) 来测量居住者的重要征兆，睡觉姿 势以及每天2 4 小时的活动状况英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术该技术 是做为探讨应对老龄化社会的技术项目c e n t e rf o ra g i n gs e r v i c e st e c h n o l o g i e s ( c a s t ) 的一 个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器。帮助 老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生括利用无线通信将各传感器联网可高效 传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保 险研究的董事e r i ed i s h m a n 称，在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的 领域 3 、军事领域 由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点。使其非常适合应用于恶劣的战场环境中， 1 0 中国农业大学硕+ 学位论文 第二章无线传感器网络的设计 包括侦察敌情、监测兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划 研究局已投资几千万美元，帮助大学进行智能尘埃。传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔 门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2 0 0 4 年的1 0 0 0 万美元增加到2 0 1 0 年的 几十亿美元。 4 、其他用途 无线传感器网络还被应用于其他一些领域比如一些危险的工业环境如井矿，核电厂等，工 作人员可以通过它来实施安全监测也可以用在交通领域作为车辆监测的有力工具。此外和还可 以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由4 0 台机器上的2 1 0 个传感器组成，这样组成的监测系统将可以大大改善工厂的运作条件。它 - 7 p a 大 幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并 延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应 用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。传感器网络有着巨大的应用 前景，被认为是将对2 l 世纪产生巨大影响力的技术之一 2 1 2 无线通讯技术比较 网络及通信技术的飞速发展，人们对无线通信的要求越来越高，近距无线技术正在成为关注 的焦点。目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙( b l u e t o o t h ) ，无线局域网8 0 2 1 1 佃i - f i ) 和红外数据传输( i r d a ) 、超宽频( u l t r a w i d e b a n d ) ，短距通信( n f c ) 、z i g b e e 等。它们都有其立 足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单 一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的 需求。 1 、蓝牙技术 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设 备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种 设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段 为全球公众通用的2 4 g h zi s m 频段，提供1 m b p s 的传输速率和l o m 的传输距离。 蓝牙技术诞生于1 9 9 4 年，e r i c s s o n 当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立 手机及其附件间的通信。该技术还陆续获得p c 行业业界巨头的支持。1 9 9 8 年，蓝牙技术协议由 e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a ，t o s h i b a 等5 家公司达成一致。 蓝牙协议的标准版本为8 0 2 1 5 1 ，由蓝牙小组( s l g ) 负责开发。8 0 2 1 5 1 的最初标准基于 蓝牙1 1 实现，后者己构建到现行很多蓝牙设备中新版8 0 2 1 5 1 a 基本等同于蓝牙1 2 标准。 具备一定的q o s 特性，并完整保持后向兼容性 蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力 不强、传输距离太短、信息安全问题等等。这就使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设 备因此，业内专家认为，蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的 规模。 2 ，_ i - f i 技术 中国农业大学硕士学位论文第二章无线传感器网络的设计 w i - f i ( 霄i r e l e s sf i d e l i t y 。无线高保真) 也是一种无线通信协议，正式名称是i e e e 8 0 2 1 i b ， 与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。i i - f i 速率最高可达l l 硼o s ，虽然在数据安全性方面 比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达1 0 0 m 左右 w i - f i 是以