基于无线传感器网络的温室温湿度监测系统研究(3)

（５）具有报警、控制功能：当某个参数超过该设定值时，发出警报通知管理员和用

户，从而采取相应措施。

２．１．２技术指标

从技术层面上，该网络应具有如下要求：

（１）通信与组网：负责监测环境信息的传感器节点Ｊ＇白Ｊ自组织搭建无线网络，并向管

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理和基础服务层提供服务支持；

（２）通信频段：２．４～２．４８３５ＧＨｚ：

８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ协议标准；（３）采用通信协议标准：ＩＥＥＥ

（４）节点ｌ＇白Ｊ可靠通信范围：５０ｍ－１００ｍ；

（５）传感器精度：温度：士０．３℃（２５。Ｃ时），湿度：士２．０％ＲＨ（２０－８０％ＲＨ）；

（６）电源管理：传感器节点使用２ｘＡＡ电池，至少能使用半年以上。

２．１．３节点硬件平台和软件系统

硬件平台的设计，需要的相关传感与通信器件，必须要符合低成本、低耗电与小体积等条件，且必须容易布建、甚至具备可编程、可动态配置等特性。节点的硬件组成主要有两种方案：第一种方案是采用ＭＣＵ＋ＲＦ收发器，其中ＭＣＵ可采用ＡｔｍｅｌＭｅｇａｌ２８、ＴＩＭＳＰ４３０等，ＲＦ收发器可采用ＴＩＣＣ２４２０、ＦｒｅｅｓｃａｌｅＭＣｌ３１９２、ＥｍｂｅｒＥＭ２４０等；第二种方案是应用ＳＯＣ片上系统，如Ｅｍｂｅｒ公司的ＥＭ２５０，ＴＩ公司的ＣＣ２４３０等。

本文在节点硬件设计上采用第一种方案，包括传感器模块、ＡｔｍｅｌＭｅｇａｌ２８控制模块、ＣＣ２４２０收发模块、存储模块和电源管理模块等。针对目前节点（Ｍｉｃａｚ）存在的不足，进行扩展接口（ＩＳＰ、串口等）的设计，降低节点成本。此外，硬件的设计中需要进行必要的性能仿真以确定硬件设计『Ｆ确，峰持完成一部分，调试一部分，最终实现整个系统的整体联调，确定系统硬件可以达到设计要求。

随着无线传感器网络的深入研究，研究人员提出用于无线传感器网络的微型操作系统——ＴｉｎｙＯＳ。本文设计的节点上的软件采用ＴｉｎｙＯＳ．２．ｘ版本。ＴｉｎｙＯＳ在构建传感网络时，其中一个与上位机互连的节点作为基站，主要用来控制各个子节点，并聚集和处理它们所采集到的信息。ＴｉｎｙＯＳ只要在控制台发出管理信息，然后由各个节点通过无线网络互相传递，最后达到协同一致的目的。

２．２系统体系结构

无线温室监控系统主要包括监控中心、网关节点和传感器节点三部分。将监控系统部署于温室内，每个温室放置一定数量的３－ｌ再Ｊ传感器类型的节点，所有节点将白组织建

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立无线网络，并实时的将环境信息经多跳的方式上传到监控中心，从而实现监控温室的农作物生长环境的目的。

系统的具体结构见图２．１。

幽２．１无线传感器网络温室应川系统结构幽

监控中心包括一台计算机系统和一套上位机软件，实现温室环境因素的实时数据显示、存储、分析以及监视，具有人机交互功能。

网关节点（也叫汇聚节点）在对数据进行分析、融合等处理后通过以太网与监控中心相连，将数据送入监控中心：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外部网络，实现两种协议栈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，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊通信设备。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，传感器节点相当于传统网络的前端设备，进行本地信息收集和数掘处理。传感器节点随机布置在温室内，执行数据采集、预处理和传输等工作，如温度、湿度、二氧化碳浓度和光照度等信息，采用电池供电，通信距离有限。

２．３方案描述及工作流程

在温室环境中，单个温室可以作为无线传感器网络一个测量控制区，网络中通过采

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用经过多个节点转发来实现信息的传递（多跳方式）。网络中采用不同的传感器测量节点和具有简单执行控制的节点（能对风机、调温机器、阀门等设备进行相关控制）构成无线传感监测网络，其中节点用来测量土壤湿度、温度、空气湿度、成分、ＰＨ值、气压、光照强度和Ｃ０２浓度等数据，以便知道温室中的环境状况，同时将生物信息获耿方法应用于传感节点，为对温室环境进行适当的调控提供科学依据。最终使温室中的传感器执行控制的标准化、数据化，利用网关实现控制装置的网络化，从而达到现场组网方便、提高作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。

温室监控应用系统工作流程为：

（１）传感器节点部署后，加电启动，等待网关加入无线传感器网络的命令；

（２）管理员通过服务器发送启动命令到网关节点，启动允许加入无线传感器网络的

参数；

（３）网关发送启动命令到网络内每个传感器节点；

（４）节点接收启动命令后加入网络，获取该网络的短地址信息，配置本地链路地址，

建立路由；

（５）节点向网关节点申请全局单播地址网络前缀，由网关节点分配节点全局单播地

址，节点把配置参数经由网关传输并存储到服务器数据库中；

（６）管理员发送节点采集命令，同时设置采集周期，经过网关，发送给监测区域内

的传感器节点：

（７）节点接收到采集命令后进行周期采集数据，并且将数据信息以数据包形式传送

到服务器，并且根据自身传感器的类型丌始采集外界环境息。

管理员配置监测区域内环境参数的浮动范围及发出警报的阂值，如果采集的数据值超过该范围，服务器终端示警，则根据数ｊｊｊ｝的相应位置信息自动启动温室内设备装置进行环境调节。

３传感器节点的硬件及软件系统

无线传感器节点是无线传感器网络系统中的基本组成元素，因此节点的硬件设计是整个系统的基础。综合考虑节点的使用场景、能量有效、微型化、低成本、扩展性和稳定性等因素，并参考克尔斯博（Ｃｒｏｓｓｂｏｗ）公司丌发的Ｍｉｃａ系列节点，进行了温室无线传感器节点的硬件设计。

在拥有硬件平台的基础上，还对操作系统进行了分析，简述了针对无线传感器网络丌发的专用操作系统ＴｉｎｙＯＳ，最后研究了如何针对具体的硬件平台移植操作系统。３．１硬件总体结构

传感器节点兼作传统网络的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发的数掘进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。其结构如图３．１所示，传感器节点主要山感知、处理器、无线通信、身份标识和电源管理等五大模块组成，此外还包括数据存储模块和输出接口（ＲＳ一２３２、ＵＳＢ）等。感知模块负责采集监测数据并进行数据转换等预处理：处理模块是整个节点的中枢，负责处理数据、通信联网、配合电源管理以及定位等各种高级服务；无线通信模块负责网络节点Ｉ’白Ｊ的无线通信，交换控制消息和收发采集数据：身份标识模块负责标识网络中节点编号；电源模块负责节点的供电。

身份标识梗块ｌＩ数据存储和输出接

Ｄｓ２４０１Ｉｔｎ（Ｒｓ．２３２，ｕｓＢ）等

无线通信梗

块ＣＣ２４２０处理器梗块Ａｔｍｅｇａｌ２８Ｌ感知梗块（ＳＨＴｌ５）

电豫管理梗块

图３．１ …… 此处隐藏：2018字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……