通信工程毕业设计（论文）-基于无线传感器网络的温室作物监测系统设计.doc

基于无线传感器网络的温室作物监测系统设计THE DESIGN OF GREENHOUSE CROP-MONITORING SYSTEM BASED ON WIRELESS SENSOR NETWORK专 业：通信工程姓 名： 指 导 教 师：申请学位级别：学士论文提交日期：2012年6月10日学位授予单位：天津科技大学摘 要目前，温室农业正在我国蓬勃发展，每年温室面积都以几百万公顷的速度增长，温室农业已经成为我国农业中不可替代的产业，对我国经济的增长也有重大贡献，然而与我国农业大国极不相称的是我国在温室农业方面，技术落后，尤其是在温室环境监控方面，这极大的限制着我国温室农业的发展，因而，研究温室监控系统显得越来越重要。本文设计了基于无线传感器网络的温室监测系统，该系统主要由终端节点、路由节点和网关节点组成，终端节点主要作用是采集温湿度数据并且无线传输数据，硬件采用了ATMEGA 128L单片机、CC2420无线通信模块、SHT15温湿度传感器；路由节点主要作用是转发由终端节点上传的温湿度数据和由网关节点下发的命令，在硬件方面，与终端节点相同，也采用了ATMEGA 128L单片机、CC2420无线通信模块、SHT15温湿度传感器；网关节点主要作用是管理终端节点和路由节点、创建无线网络以及对上传的温湿度数据进行显示、存储和远程发送，在硬件方面，该节点采用了以S3C24lO芯片为核心的平台，包括键盘模块、液晶显示屏模块、GSM模块、U盘存储模块。关键词： 温湿度传感器； 无线传感器网络； 温室监控； 嵌入式系统； 单片机ABSTRACTCurrently, greenhouse agriculture is Chinas booming, annual greenhouse area growth rate of tens of millions of hectares of greenhouse agriculture has become irreplaceable in Chinas agricultural industry, have made significant contributions to Chinas economic growth, however, a big agricultural country with Chinas vastly disproportionateChina in greenhouse agriculture, technological backwardness, especially in the greenhouse environment monitoring, which greatly limit the development of greenhouse agriculture in China, and thus to study the greenhouse control system has become increasingly important.Designed greenhouse monitoring system based on wireless sensor networks, the system is mainly divided into two modules, the first module is a wireless sensor network is mainly composed by the wireless sensor node, the node hardware used ATMEGA 128L microcontroller, CC2420 wireless communication module, SHT15 temperature and humidity sensors, the software portion of applications specifically for wireless sensor networks, TinyOS operating system and the nesC language, the temperature and humidity data acquisition and wireless transmission function; the second module is the gateway node, the node hardware used to with chip S3C24lO as the core platform, including the keyboard module, LCD module, GSM module, U disk storage module, the software part of the application of the most popular Linux operating system, mainly the temperature upload humidity data processing, display, storage, and remote-send function.Keywords: Temperature and humidity sensor；Wireless sensor networks；Greenhouse Monitoring；Embedded systems；SCM目 录第一章绪论1第一节 该课题的研究背景1第二节 该课题的研究意义1第三节 温室监测系统的国内外现状2第四节 本文研究的主要内容4第二章 无线传感器网络概述5第一节 无线传感器网络的定义及特点5第二节 无线通信技术的相互比较6第三节 Zigbee协议简介及其特点8第三章 温室监控系统总体介绍10第一节 监控系统的特点10第二节 监控系统的结构10第三节 监控系统的工作流程11第四章 终端节点硬件和软件的设计方案13第一节 终端节点硬件的设计方案13第二节 终端节点软件的设计方案18第五章 网关节点硬件和软件的设计方案21第一节 嵌入式系统的概述21第二节 网关节点的硬件设计方案21第三节 网关节点软件的设计方案25第四节 本章小结29第六章 结论30参考文献31致谢32天津科技大学2012届本科生毕业设计第一章 绪论第一节 该课题的研究背景我国是一个人口大国，这就使得农业在我国有着特殊的地位，另外，可耕种的土地正在被大量的征用，导致很多农民无地可中，因此，提高农业的生产效率已经成为一个急需解决的重大课题。设施农业就是提高农业生产效率一个有效途径，所谓设施农业，就是指利用科学技术和各种依赖于高科技的设施改变农作物的生长环境，使其处在最优环境当中，大大的提高生产效率。大力发展现代农业，就是大力发展与农业相关的种植技术、培育技术、监测技术以及与农业相关的高科技设施。发展现代农业，是我国走向农业强国的必由之路。然而遗憾的是，国内的大多数温室的智能化情况不容乐观，它们还是以人类繁重的农业劳动、自己的种植和培育农作的经验以及各种非智能化的小机器为中心，离智能化温室还有较大距离。据相关部门的资料显示，我国温室规模越来越大，从事温室行业的家民有上千万之多，在这条产业链上的工厂或公司也已经有了很大的规模，可见我国温室产业规模巨大，它对国家的就业和经济的增长都有重大贡献，不过，目前我国的温室只是规模巨大，缺乏规范性、标准性以及相关的科学技术。我国一直致力于现代农业的发展，其中，温室监控技术就是我国发展温室农业最为主要的技术之一。近些年来，无线传感器网络（WSN）被广泛的应用于农业，已经成为农业中的信息获取的主要手段，所谓无线传感器网络，就是一种无线网络通信技术，主要应用于各个领域的监控。无线传感器网络（WSN）区别于其它各类无线通信技术，它有自己独特的特点，它包括大量的无线传感器节点，这些节点可以分布在温室的各个角落，满足温室面积大、范围广的特点。另外，无线传感器网络（WSN）除了监控农作物的生长环境，还可执行由网关节点发布的命令，功能强大。第二节 该课题的研究意义目前我国农业的发展情况与我国的综合国力极不对称，农民的生活水平也与城市务工人员有了较大差距，因而，农业成为我国发展的一个瓶颈，极大的限制了我国其他行业的发展，因而，我国政府在“十一五”“十二五”期间，也制定很多惠农的措施，并且致力于发展以科技为中心的农业。其间，很多与农业相关的项目也被确立下来，例如“可控环境生产技术”、“ 设施园艺可控生产技术”等等。相信，在政府的大力支持下，我国农业也肯定会迎来一个全新的发展。目前，我国温室发展的方向就是努力提高温室的智能化程度，使人类摆脱繁重的农业劳动，建立以科技为中心的温室农业。所谓温室的智能化就是农作物的种植、培育、管理和监控主要是由相关设施自动进行，人类主要任务就是操作该设施。无线监控技术就是温室智能化发展过程中一门很重要的技术，它主要的作用就是监控温室为作物提供的环境是否达到最优，不是最优就会通知相关设施，实行措施。如今，无线传感器网络（WSN）已经成为一种新的技术手段和工具，正在利用它自身的特性对社会和经济产生重大影响，它也正在成为信息获取和监控的最为主要的方式，将为我国农业的发展带来重大经济效益。在历史是，我国是以农业为主，如今，农业仍然在我国具有不可替代的地位，研究基于无线传感器网络的温室监控系统,将会极大提高我国温室的自动化、智能化和网络化，实现远程无线监控农作物的生长、实时的获得相关的环境参数和及时的采取相关措施，这些都将会极大的提高我国农业生产的科学性，大大避免因为经验造成的损失，节省了有限的资源，从而提高了效率，为我国农业实现现代化做了一定的贡献。目前，我国是世界上耕种面积最多的国家，但不是农业强国，这是由我国在农业技术方面落后的国情所决定的。这决定了发展农业将是一个长期的任务，也决定了与农来相关的高科技在我国更具有发展性和应用性。随着科学技术的日新月异，信息已经成为农业发展中一个最为重要的因素。我们要想发展农业，就必须要集中力量发展科学技术，并且将优秀的理论成果发展成为能够创造社会利益的技术，只有这样，我们才能逐渐缩小与发达国之间在农业上的差距。在这个过程当中，我们要善于应用无线传感器网络技术（WSN），利用无线传感器网络技术进行农作物生长环境的监测和管理，这既会提高温室农业中自动化、远程化和智能化的程度，也能推动无线网络技术的发展。第三节 温室监测系统的国内外现状如今农业的发展方式已经与过去有了很大的不同，过去粗犷型的发展浪费了很多的人力和物力。目前，我国农业正逐渐由粗犷型变为智能型，农业发展方式的转变为我国节约的大量的资金，促进了农业经济的发展，把农民从繁重的农业劳动中解脱出来。无线监控技术是温室农业快速发展的一项关键技术，国内外都对这个课题做了充足的研究，尤其是欧美国家，他们温室监控技术已经相当成熟，我国与这些国家的差距也比较大。1国外温室监测技术现状欧美国家大多数都是从1970开始研究这个课题的，到现在为止，他们研究出了很多成果，并且投入了实践，为本国农业创造了巨大的财富。现在，以荷兰为例，荷兰是欧洲的农业大国，荷兰的温室大棚规模大，机械化程度和智能化程度高，生产效率远远高于一般的大棚，温室大棚内的各类环境参数都能简单准确的获得，并且相应的执行设备也实现了自动化和智能化；再以美国为例，美国农业技术发达，创建了应用科技水平最高的温室，该温室可以控制阳光照射的时间和强度，应用WSN远程监控温室，采用机器人进行种植和管理，这种模式的优点显而易见，生产效率非常高，用最少的人获得了最大的输出。另外，发达国家中有很多公司一直致力于开发和研究与温室农业相关的设施，以WIN-EYE通信公司为例，它在温室农业设施方面出了很多成果，如抗干扰性强、传输速率快、基于单片机的有线监控系统、远程无线监控的摄像头、人工智能增湿系统等等；美国的science-technology公司也取得了很多成果，例如它开发的大棚远程控制系统，这个系统稳定性和可靠性极高，抗干扰性极强，该系统主要用于温室大棚的监控并且进行相应后续操作；日本的高升科技公司生产的温室控制系统成本低、功能强大，它具有对农作物全方位的监控和控制能力，从而达到最适合农作物的生长的环境。2国内温室监测技术现状国内的研究人员从在1980年左右才开始温室监测技术的开发和研究，相对于发达国家，技术差距比较大，起初，国内的研究所和各大高校仅仅是模仿国外的温室监测系统，研究已经成型的监测系统，经过几年的努力，我国的研究人员在国外监测系统的基础上，搭建了具有自主知识产权的温室监控系统，我国的温室农业也由此进入了一个新的发展阶段。到1990年左右，中国的温室农业的发展进入了一个黄金期，期间，中国展开了广泛的中外合作，其中，与以色列的合作，使我国温室农业的发展受益颇多，此后，中国便在远程控制、视频监控、人工采光等方面有了很多成果，以中国农业科学院为例，它研发了大棚整套的管理系统，从种植、管理、监控一直到收割，同时，还开发了完全有自主产权的温室监控平台，这揭开了我国温室农业发展的新篇章。另外，在20世纪90年代中期，江苏理工大学成功的开发了新一代的大棚控制系统，对当时温室农业的发展产生了重要影响，该系统强调的是动态调控，与世界先进水平又接近了一步。与此同时，中国农业机械所在温室调控方面也取得了一定的成绩，它设计的系统更多的应用了智能化的概念，将远程控制光照、远程浇地等模块添加到温室系统中。21世纪以来，更多的与温室农业相关的项目开展起来。例如，河北职业技术学院就设计了一个全新的温室，该温室可以利用计算机技术对农作物生长环境进行实时的监控，并智能的采取相关措施。到现在为止，我国已经在现代化温室农业方面做了大量的研究，温室农业也在蓬勃发展。目前，我国在大棚自动调节温度、远程控制光照和湿度、CO2浓度控制等方面取得了一定的成绩，能够简单的满足我国现阶段温室农业的要求，但离真正的现代化农业还是有很大差距。尽管我国在现代化农业方面已经取得了一定的成绩，不过，与发达国家之间的技术差距仍然比较大，与真正的现代化农业也比较远。目前，我国温室农业与国外温室农业相比，存在如下问题：对于农作物生长环境的各个参数的测量不够准确，缺乏与之相关的量化指标和理论基础；大多数温室的规模比较小，其设施简陋，不能够精确、迅速、方便的监控作物的生长情况，这导致对农作物生长环境的调节和控制能力比较弱，从而不能保证农作物在最优的环境内生长；没有适合我国农业国情的监测平台。本课题就是要设计一个温室无线监控系统，该系统采用无线传感器网络技术（WSN），可以对数据进行采集、无线传输和处理。第四节 本文研究的主要内容第一章，主要讲述了该课题的背景和意义，以及温室监控技术的国内外现关，指出，目前我国温室监控技术与国外差距较大，需要重点发展。第二章，主要讲述了研究该课题所需要的理论知识，主要涉及到了无线传感器网络和Zigbee技术。第三章，主要讲述了该系统的特点、要求以及总体的设计方案。第四章，主要讲述了无线传感节点的硬件和软件设计方案，确定了各个硬件的型号及其外围电路，描述了软件部分的流程。第五章，主要讲述了网关节点的硬件和软件设计方案，确定了各个硬件的型号及其外围电路，描述了软件部分的流程。第二章 无线传感器网络概述第一节 无线传感器网络的定义及特点近距离通信技术、计算机控制技术和处理器技术的迅速发展促进了无线传感器网络技术（WSN）在各个领域的应用，技术的发展使得节点既保持了感知信息、处理信息和传输信息的功能，又降低了节点的功耗和体积，所谓无线传感器网络，是由大量的无线传感节点构成的，这些节点被布置在不同位置，以无线网络的形式来进行相互间的信息传输，它的作用是实时的监测布置节点的区域，利用无线传感节点采集不同位置的信息，并进行简单的数据分析，再以无线传输的形式发送给上一级。通常，我们说因物网组成了我们所认为的逻辑世界，而无线传感器网络（WSN）则是逻辑世界和客观上的世界之间交换信息的一种方式。另外，无线传感器网络的研发，使得人们可以更有效的认知整个世界，提高了人类的智慧水平，无线传感器网络有着广泛的应用前景，它被广泛的应用到了农业、军事、电子等产业的监控领域。无线传感器网络（WSN）的优点在于它的实时性好、规模大、安全性高、搭建网络方便快捷且成本低，同时它与因特网不同，它是以信息为中心。目前，无线传感器网络技术在国内外受到了很大的关注，是一个研究热点。无线传感器网络技术涉及了很多领域，是一门跨学科的技术，其中主要包括单片机技术、无线组网技术、传感器技术和通讯技术等等，无线传感器网络技术，首先是由无线传感节点进行采集数据并进行简单处理，然后再通过无线网络传输到上一级，最后数据被上传到网关管理平台，进行数据的管理、存储和显示。无线传感器网络就是由数量众多的无线传感节点自组织搭建的网络，每个无线传感节点都有感知信息、处理信息和无线传输信息的功能。无线传感器网络（WSN）自身的特性如下所示：（）无线传感器网络覆盖的范围非常广。无线传感节点理论上可以被布置在无穷广泛的区域上，因而，无线传感器网络覆盖的范围非常广，在一个区域内无线传感节点的布置密谋可以稀疏，也可以密集，可控性比较好。（）无线传感器网络的实时性。无线的传感网络会根据其它因素的变化而及时的做出调整，例如，旧的传感节点失效、环境发生的变化以及新的传感节点加入网络等等。（）无线传感器网络是传感节点自组织建立的网络。无线传感器网络要求每个无线传感节点都要具有自组织的能力、自我修复的能力、自我管理的能力，然后再利用无线网络协议搭建了无线传感器网络。（）无线传感器网络以信息为中心。现在互联网是最为关键的一个概念就是IP地址，在互联网中，地址是所有资源的唯一标志，信息的交互和传播都需要用户终端、路由器和所需资源的IP地址，一旦没有IP地址，整个互联网将陷入瘫痪。在无线传感器网络（WSN）中，每个传感节点都有编号标识，但至于节点的编号标识是不是只有一个就要取决于无线网络的协议。在无线传感器网络中，当用户要查询相关资源时，不需要确定该资源所在节点的编号，而是把自己了解的与资源相关的情况输入网络，无线传感器网络在获得该资源的相关信息后，直接定位该资源，然后再将相关资源传给用户，可见，无线传感器网络的中心是信息，而不是地址。第二节 无线通信技术的相互比较无线通信技术在最近几十年中迅速发展，每隔几年都会更新换代，由于生活节奏的加快和成本的限制，有线通信已经不能适应一些特定的场合，因此，无线通信技术逐渐成为国内外研发的热点。目前应用主流的无线通信技术主要有以下几种：Wi-Fi、红外线传输、蓝牙技术和Zigbee技术等，他们各有自己的特长，可以应用在不同的领域。（1）蓝牙通信技术所谓蓝牙技术，就是一种近距离以无线形式传输数据的技术，它主要作用就是为两个短距离的通信设备提供通信接口，使得通信设备在没有电线或其它网络的情况下也可以进行交互信息或其它的操作。蓝牙的传输频段是2.4GHz，传输的有效距离是10m左右，传输的速率为1Mbs左右。在1994年，EriCSSon在当时其它IT行业巨头的帮助下，开发了一种手机与配件之间的无线技术，该技术的特点是近距离通信、功耗低、传输速率高，这就是现在所说的蓝牙技术，在1998年，EriCSSon、Intel、Toshiba、IBM、NOKIA这五家巨大达成了一致的蓝牙通信技术协议，由此，蓝牙技术在世界范围内普及开来。由于蓝牙自身的缺陷，它的应用领域并不广泛，而它最致命的缺陷就是价格高，主要就是芯片的太贵，并且蓝牙设备的尺寸比较大，无法满足大规模应用的要求，另外，蓝牙通信技术的传输距离短、抗干扰能力强、信息安全度不高等等这些问题也限制了蓝牙技术的应用，这就导致客户不愿购买与蓝牙技术相关的一些应用。因而，蓝牙能否真正的普及还要归于是否能够降低蓝牙设备的成本和是否能够突破关键的技术。（2）Wi-Fi技术Wi-Fi技术同蓝牙技术一样，都是一种近距离无线通信的协议，官方名称是IEE802.11b。Wi-Fi的安全性要略差于略差于蓝牙，不过，Wi-Fi技术的传输速速可以达到11Mb/s，并且它的覆盖范围比较广，条件比较好的情况下，可以达到100m左右，在这些方面，Wi-Fi技术都要远远优于蓝牙技术。Wi-Fi本质就是以太网，不过是以无线的形式存在，只要存在一个接入点，那么在该接入点周围的用户能够以最高速度11Mb/s接入该网络，当然如果在同一时间有很多人接入该无线网络，那么所有的用户将平分网速，因此实际上，Wi-Fi的速度并不快，约几百kb/s，有时甚至是几十kb/s。另外，Wi-Fi的传播也会受到障碍物的阻碍，在屋内传播的有效距离将会低于在室外的传播距离。目前，Wi-Fi技术还算比较成熟，被广泛的应用在学校、火车站、酒店等公共场所，由于Wi-Fi自身的特点，Wi-Fi技术最适合的领域是宿舍、家庭、企业以及一些无法连接有线网络的区域。在企业中，Wi-Fi技术已经应用的很广泛了。例如在整个企业中，可以为每一个科室安装一个接入点，这样就不必在楼层中铺设电线，既方便、美关，又可以为企业节省大量资源。（3）红外线技术红外线技术诞生于1993年，刚开始的时候，采用红外线技术的无线通信设备仅仅能以115kb/s的速度传输1m的距离，不久，随着技术的发展，传输速度有了很大的改观，达到了16Mb/s。如今，红外线技术已经比较成熟，与之相关的硬件和软件也被广泛的应用在各个领域，例如，现在市场上主流的笔记本、手机都支持红外线技术，红外线通信技术也已经成为平时传输文件的常用的技术之一。红外线通信技术是两台设备之间的通信，必须实现点对点的对接，红外线技术的优势在于功耗比较低、使用的方法比较简单和快捷、相关的通信设备体积小、安全性比较高，另外，红外线技术所使用的传输频是免费的，不需要申请，这也就使得红外线技术的门槛比较低。红外线技术的主要缺陷就在于它要求必须是视距传输，即两台通信设备中间不能存在其它物体，要直接对准，由此导致红外线技术所创建网络的规模比较小，有且只有两台通信设备，而蓝牙就可以进行多台设备的连接，并且基本不受阻碍物的影响。（4）Zigbee通信技术Zigbee技术主要是在那些传输距离近并且对传输速度要求低的通信设备之间进行无线传输信息。与蓝牙、Wi-Fi和红外线技术的协议相比，Zigbee协议可谓是简单快捷。Zigbee技术与蓝牙最为相似，它传输的频段与蓝牙相同，都是2.4GHz，同时，两者都应用了跳频技术，但是，Zigbee技术比蓝牙技术功耗更低、传输的速率更低、传输的成本更低以及传输的范围更大。Zigbee技术传输范围与传输速率有关，它的正常传输速率是250kb/s，当传输速率降低时，其传输范围也会变大，最大可到134m，同时，安全性也会明显增强，综上，Zigbee技术在很多方面都要优于蓝牙技术，能够在家庭无线网络、自动化产业、游戏等产业中将无线通信的优势发发挥的更好。这四种无线通信技术各有所长，如下表所示，大多数技术都是高速率传输，都超过了1Mbps，并且还在寻求更高的速度；而Zigbee技术的特点是传输的速率不快，但它覆盖的范围广、网络的安全性和可靠性比较高、成本低，这也使得它在低速率无线传输的市场上在受欢迎。在如今的市场中，由于Zigbee技术的成本低以及能够形成大规模的无线网络这些特点，Zigbee技术在无线网络市场中占有了很大的市场份额，但是目前在无线通信市场中，各类无线通信技术由于具备各自的特点，因而在相当长的时间内会共存于市场中。表2-1 无线通信技术的相互比较无线通信技术通信频段传输距离（m）功耗传输速度（kb/s）蓝牙技术2.4GHz10低10000Wi-Fi技术2.4GHz100高11000红外线技术不限1低16000Zigbee技术2.4GHz10-75低250结论：综以上所述，我们看到每一种无线通信技术都有各自的特点，有自己应用的领域。结合目前我国温室具体的情况，Zigbee技术具有成本低、组网简单且高度灵活、易升级和维护、安全性较高的特性，因而，采用Zigbee技术作为温室监测系统中无线传感器网络的组网和通信技术。第三节 Zigbee协议简介及其特点Zigbee网络协议本质就是一种近距离的无线网络技术，其主要特点是传输速率低、功耗低、简单方便、规模大、。Zigbee的标准规范是由IEE.802.15.4小组和Zigbee Alliance共同制定的。IEE802.15.4小组是在2000年正式成立的，它主要涉及物理层与媒体存取控制层的规范制定，在2003年，通过了IEE802.15.4规范。而Zigbee联盟是在2002年由Philips、Mitsubishi、Invensys、Motorola、Honeywell这几家行业巨头一起成立的，Zigbee联盟主要涉及安全管理、应用界面和网路层的规范制定，到现在为止， 1.0规范已经被发布，而Zigbee联盟也已经有160多个会员。Zigbee协议以IEE802.15.4为规范，实现了数以千计的无线传感节点之间的无线通信。无线传感节点获得少量的电能就可以以多跳的形式在节点之间进行无线通信，因而Zigbee协议是一种经济效益高、工作效率高、功耗较低的无线技术，有着广泛的应用前景。Zigbee协议的特点如下所示： 低功耗：由于Zigbee技术接收、发送信息的功耗比较低并且工作的时间短，大部分时间都处在休眠状态，因而，Zigbee技术的功耗低，在基于Zigbee技术的无线传感器网络中，可以确保两节干电池至少用半年的时间。 兼容性比较好：Zigbee技术可以和现在主流的网络进行连接，可以利用网络协调器搭建无线网络，以CSMA-CA的的形式存取无线信道。 网络规模大：目前，每个Zigbee网络可以包括60000多个从设备，另外，100多个基于Zigbee协议的无线网络可以在同一时间同一地区存在，并且网络之间几乎不受影响。 可靠性比较好：Zigbee协议采取了免碰撞的方式，另外，它还为宽带业务提供了专用的时隙，这两种方法都保证了Zigbee网络在传输信息时不会发生冲突。 成本低：基于于Zigbee技术的硬件模块价格低廉，约在1.5-2.5美元，并且Zigbee协议不需要任何费用，是完全免费的，另外，Zigbee协议实现的要求也比较低，这些都确保了Zigbee协议的低成本。 时延小：Zigbee协议对设备的敏感性做了改进，从休眠中醒来的时延与通信时延都比其它网络大大减小。从休眠状态中激活的时延是15ms，寻找通信设备的时延是30ms，接入通信设备信道的时延是15ms。第三章 温室监控系统总体介绍无线传感器网络技术（WSN）在各行各业都有广泛的应用，本文会就是利用无线传感器网络技术监测温室中的温湿度，再利用单片机对温室度数据进行处理，而本章将会简单的介绍基于WSN的温室监控系统。第一节 监控系统的特点设计无线监控温室农作物系统的目的就是准确、迅速、方便的获取相关的参数，实现远程数据采集、无线传输数据、智能监测农作物生长。根据系统的目的和我国的现实情况，该系统要具有以下特点：（1）该系统要能够采集与农作物生长环境的温湿度，并且具备准确、实时、方便的特点，以保证农作物每时每刻都处在最优的生长环境中。（2）扩展性能要良好：因为每种农作物生长的环境不尽相同，所需要测量的数据也就不尽相同，因而可能需要不同种类的传感器，扩展性好可以保证能满足各类接口的传感器。（3）在软件方面，要确保人性化：既要保证采集数据的准确性和方便性，又要确保对采集到的信息要易于管理和分析，易于管理人员进行操作。（4）无线传感器节点要经常暴露在外面，因而其质量要有保证。（5）该系统还要有报警的功能：当采集到的参数超过预定值时，系统要及时的报警，通知管理人员出现异常情况。该系统要符合如下几个技术指标：表3-1 监控系统的技术指标通信的频段2.4GHz采用通信的协议标准IEEE 802.15.4有效的通信距离50100m传感器湿度的精确程度￥2.0%RH传感器温度的精确程度￥0.3￥电源标准传感器节点应使用2节干电池，使用时间为至少半年第二节 监控系统的结构无线温室作物监测系统主要包括无线传感器节点和网关节点。无线传感器节点以一定的规律分布在大棚中，它们将会自组织搭建无线网络，并且会及时的将与农作物生长环境相关的参数无线传输到网关管理平台，保证了管理人员及时、准确的获得相关数据。监测系统的结构如图3-1所示。终端节点1网关节点路由节点1终端节点2终端节点3路由节点2终端节点4路由节点3终端节点5终端节点6图3-1 监控系统的结构图网关节点的作用就是将从无线传感器网络所上传的信息进行管理、分析和融合，然后再进行显示和存储，具备人机交互的工能，是本地的管理人员直接进行操作的平台；网关节点的能力要强于一般的传感器节点，拥有更强的分析能力、管理处理能力和通信能力，监控系统主要依靠网关节点处理无线传感器网络无线传感的网络数据，并把结果反馈给管理人员，与此同时网关节点还要管理终端节点和路由节点，可见，它既是普通传感器节点的加强版，又是拥有无线通信能力的通信设备。Zigbee终端节点就是普通的传感器节点，与网关节点相比，它在处理数据、分析数据和无线通信的能力上比较差，一般通过干电池供电。在整个无线传感器网络中，终端节点主要作用是对与农作物生长环境相关的数据进行采集和处理。终端节点将会按一定规律分布在温室中，实时的采集相关数据，进行简单的处理再进行上传，它的特点是低耗、功能相对简单、有效通信距离短。第三节 监控系统的工作流程在温室农业中，每一个温室都可以看成是一个无线传感器网络覆盖的一个区域，无线传感器网络中节点间采用多跳的形式进行传输，它还包括了各种类型的传感器节点和具备较强能力的控制节点，该网络主要是在当地采集相关的数据，以无线的形式在各个节点之间进行交互信息和传输信息，然后再上传到网关节点，这样温室监测系统拥有了准确、智能和远程操作的特点，使得温室效率得到极大提高，农作物的品质也得到提升，温室的收益上了一个新台阶。监测系统的工作流程如下：（1） Zigbee终端节点、路由节点在温室中布置完成后，接通电源，等候网关节点加入无线网络的命令。（2） 管理人员向网关节点发布命令，设置允许其他节点加入无线网络的参数。（3） 网关节点向无线传感器网络中的所有节点发布启动命令。（4） 无线传感器网络中的节点收到命令后，加入该无线网络，并且得到无线网络的短地址，配置相关参数。（5） 管理人员向网关节点发布采集信息的指令，再由网关节点向无线传感器网络中的其他节点发布采集命令。（6） 传感节点收到网关节点发布的命令后，进行采集信息，然后以多跳的形式将信息上传到网关节点。（7） 管理人员根据所监测到的信息，确定相应的措施。第四章 终端节点硬件和软件的设计方案第一节 终端节点硬件的设计方案大量的终端节点和路由节点共同组成了温湿度数据采集网络，终端节点与路由节点软件和硬件设计是整个无线传感网张的基础，也是整个监控系统最为关键的部分，由于节点工作的特殊性，必须要满足低功耗、成本低、易维护等特点。 （一） 终端节点的硬件设计无线传感节点通常包括Zigbee终端节点、Zigbee路由节点、网关节点这三种类型。其中，Zigbee终端节点的主要作用是采集信息、处理信息和无线传输信息，因而，Zigbee终端节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块这四部分组成。其中，传感器模块主要是进行本地信息的采集和功率放大等简单的处理工作；处理器模块是节点中最重要的模块，主要进行信息处理、搭建网络以及配置电源状态等工作；无线通信模块主要进行无线网络中各个节点之间的信息传输：接收和发送收集到的信息；电源模块主要是为那三个模块提供电量。Zigbee路由节点功能和终端节点类似，硬件配置完全相同，网关节点主要作用是数据的后续处理和管理各类节点，将会在下一章详细介绍。终端节点的结构如图4-1所示：图4-1 无线传感器网络节点的结构图（1）处理器模块在处理器方面，市场上单片机的型号比较多，有各种各样的单片机，无线传感器网络中，ATMEGA公司推出的AVR系列比较受欢迎，其中包括ATMEGA 128L、MSP430等单片机，与嵌入式ARM处理器相比，两者的共同点是，性价比非常高，都是目前用的非常广泛的处理器，不同点就是 ARM处理器功能强大，CPU运行速率以及片上的资源远强于ATMEGA 128L等单片机，但是，ARM处理器功耗、价格太高以及软件方面有点过于复杂，不适合应用到大规模的无线传感器网络节点上，而相反，ATMEGA 128L等单片机功耗低、成本小、功能相对比较简单，实现起来也比较方便，适合大规模的应用。因此，对于终端节点，我们选择了ATMEGA公司推出的ATMEGA 128L单片机。ATMEGA 128L功耗超低，性价比比较高，也能满足普通无线传感节点所需要的功能，具体特点如下所示：表4-1 ATMEGA 128L单片机的特点特点1一般的单片机提前就要把程序完成并把程序写入单片机，焊接后就不能修改，这就导致程序不易修改，而ATMEGA 128L单片机可以在焊接以后再进行编程，易于修改。特点2该单片机功耗非常低，并且在电源配置上，针对不同工作状况，设置了6种工作模式，完全符合无线传感节点耗电少的要求特点3该单片机提供了128KB的程序存储器，完全能够满足无线传感节点处理信息的需求。特点4该单片机还拥有一个SPI控制器特点5该单片机的工作电压为2.75.5V，符合无线传感节点的供电范围ATMEGA 128L单片机的硬件电路如图4-2所示：图4-2 ATMEGA 128L单片机的硬件电路图（2）无线通信模块。CC2420是一款由Chipcon公司研发的无线射频收发器，它采用了 IEEE802.15.4标准，工作频段与蓝牙相同，是2.4GHz。另外，CC2420还具备其它很多功能，它也是首款采用IEEE802.15.4标准的高集成度的用于工业的射频收发器。CC2420主要应用SmartRF03技术，采用了0.18umCMOS，它的性能极其稳定，可以有效保证信息的无线传输，并且功耗也较低。CC2420的特点如表4所示：表4-2 CC2420的特点CC2420的工作的频段2.400GHz2.4835GHzCC2420的抗干扰能力较强，符合无线传感节点长期工作在露天环境的要求。CC2420应用的扩频方式直接序列扩频方式CC2420的电流消耗非常低，RX：19.7mA,TX：17.4mACC2420的灵敏度接收的灵敏度非常高CC2420的接口拥有4总线SPI接口，易于连接处理器CC2420的速率数据速率可以达到250kbps，码片速率可以达到2MChip/sCC2420调制方式O-QPSK调制方式CC2420的外形尺寸7*7MM，应用了QLP-48封装CC2420的工作电压有两个，内部是1.8V，这符合无线传感节点电池供电的要求，它外部I/O接口的工作电压是3.3V，这就使得CC2420与其它3.3V的逻辑器件相兼容，另外，CC2420还拥有直流稳压器，自己可以使电压在3.3V与1.8V之间进行转换，因此，对于其它采用3.3V电源的器件不用设计电压转换电路了。CC2420的硬件电路如图4-3所示：图4-3 CC2420的硬件电路图（3）传感器模块传感器模块应用的是Sensirion公司推出的SHT系列，SHT系列的传感器集成了温度传感器和湿度传感器，它采用了CMOS工艺进行制造，从而保证SHT系列传感器有着优秀的可靠性和稳定性。监测系统采用的是SHT15传感器，该传感器应用十分广泛，包括通信、自动化、机械、智能汽车等行业。SHT15的基本数据如表4-3所示：表4-3 SHT15传感器的基本数据SHT15传感器温度SHT15传感器湿度精确程度0.3精确程度2.0%RH重复性0.1重复性0.1RH响应的时间15s响应的时间4s分辨率0.03%RH分辨率0.03%RH测量范围-40+123.8=测量范围0100%RHSHT15传感器的功耗30uWSHT15传感器的供电的范围2.4V5.5VSHT15传感器的特点如下所示： SHT15传感器集成化程度非常高，它集成了感知温度、A/D转换和功率放大等功能。 SHT15传感器的温度和温度测量的精确程度比较高，因为该传感器同时感知温度和湿度，因而可以根据感知的温度计算补偿的湿度测量值。 SHT15传感器拥有二线串行接口SCK和DATA，易与处理器相连。 SHT15传感器应用的是COMOSensor技术，可靠性较高，测量时即使将传感器沾水也不会失效。 SHT15传感器测量的精确程度也可以利用软件进行调节，传感器内已经含有A/D转换器。SHT15传感器应用了SMD封装方式，与处理器的接口也非常便捷，SHT15传感器的引脚如图4-4所示，一共四个，具体是串行接口引脚（两线双向）、电源引脚和接地的引脚。 图4-4 SHT15传感器硬件电路图（4）电源模块温室监测系统采用的是3V的直流电，由于在温室中无线传感节点要按一定规律摆放在温室的各个角落，因此，无法采用固定的电源，我们选择了由两节干电池供电，价格低廉，无线传感节点的功耗非常低，干电池的电量足够节点支持半年的时间。电源模块的硬件电路如图4-5所示：图4-5 电源模块的硬件电路图第二节 终端节点软件的设计方案（一）TinyOS及其语言nesC简介。TinyOS操作系统是由加州大学伯克利分校研发出来的，是专门针对无线传感器网络的操作系统，之后又经过许多优秀的学者、企业和高校的改进，现在，在无线传感器网络的领域内，TinyOS已经是最方便、最实用、最广泛的操作系统。TinyOS本质就是一款嵌入式操作系统，只是它最广泛的的应用领域是无线传感器网络，它主要是应用了组件这个概念，这样就可以快速而又方便的实现各类功能。另外，TinyOS操作系统应用了模块化的思想，因而，它的程序都是一个个小模块构成的，一般比较小，这就成功的解决了无线传感节点硬件资源少的问题，使得程序能够很顺畅的在无线传感器网络中运行。TinyOS操作系统是专门针对无线传感器网络的一个系统，刚开始主要应用C语言和汇编来进行编译，之后，鉴于C语言的缺点，许多学者对C语言做了一定的改进，这样就逐渐形成了基于组件的nesC语言。 nesC文件的后缀是.nc，nesC语言最大的优势就是在于它的模块化，可以利用nesC语言制作出包含各类功能的组件，进而利用组件来组成应用程序。一般情况，每个组件都会具备几个接口，接口可以认为是组件的声明部分，通常它分为两种：命令和事件，而不同功能的组件之间要靠接口进行接合。组件按功能的不同，可以分为两种，一种是配件，它作用是进行各个组件中接口关系的声明，一种是模块，它作用是实现各类功能。而学好nesC的最重要的就是正确掌握组件、接口、配件、模块它们之间的关系。 组件：组件又可分为配件和模块，每个组件都有自己的接口函数，大部分由provides interface和uses interface定义，而每个组件又可以包括多个接口函数，即每个组件有可能拥有多个provides或uses。 接口：接口就是组件中的声明函数，它主要用于各个组件的连接，规范中规定，接口用interface来声明。另外接口具有双向性，它的本质就是两个组件进行交互信息的通道，接口可以分为命令和事件两种形式，事件就是编程人员希望实现的功能函数，而命令就是组件所能实现的功能函数。（二）节点的软件设计无线传感器节点上的软件部分主要包括TinyOS系统、Zigbee协议栈和相关的应用程序,它主要分为两层，一层为嵌入式内核OS，它主要的作用就是提供了中断处理模块、电源管理模块、时间队列管理模块以及方便实用的任务调度模块，它的底层还提供了节点上各个硬件的驱动；另外一层是嵌入式API层，它主要就是接口函数，充当各组件连接的纽带。无线传感节点上的软件的主要特点如下所示： 应用温湿度传感器的API，可以使传感器采集温室相关信息。 应用无线通信模块的API，可以实现节点发送数据、接收数据和组网的功能。 应用串口的API，可以实现节点与PC控制机之间的信息交互，主要用于烧写和调试应用程序。 应用OS的其它模块，可以实现能量监控和通讯协议的功能。无线传感器节点上的软件主要完成如下任务： 配置各个无线传感节点的类型，主要为终端节点、路由节点和网关节点。 驱动各类节点搭建无线传感器网络，并且选择合适的网络结构，本系统采用树状结构，该结构覆盖范围广且易于实现。 驱动传感器进行采集数据，并对数据进行简单的处理。 在收发数据时，驱动射频芯片选择合适的传输信道