基于WSN的溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)的設計說明

1、 PAGE12 / NUMPAGES12基于WSN的溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)的設計摘要：介紹了基于WSN的傳感器節(jié)點自組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍O計方法，實現(xiàn)了溫室大棚溫濕度的實時采集、數(shù)據(jù)處理與傳送。尤其是利用DSl305外部中斷解決了WSN中的低功耗設計與時間同步問題，并且應用移動平滑濾波算法對溫濕度值進行數(shù)字濾波處理，提高了檢測數(shù)據(jù)的精確度。該系統(tǒng)解決了溫室的復雜布線問題，具有成本低、可靠性高、精確度高、實用性強等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；移動平滑濾波算法；溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)0引言溫室農(nóng)業(yè)隨著大中城市對新鮮蔬菜的需求日益高漲而得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)有的溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多是采用人工的或預先布線的有

2、線采集方式。人工方式加大了工作量且難以保證數(shù)據(jù)的實時性和有效性；采用有線數(shù)據(jù)采集的監(jiān)測系統(tǒng)受地理位置、物理線路和復雜環(huán)境因素的影響具有明顯的局限性。溫室大棚的環(huán)境溫濕度參數(shù)對農(nóng)作物的生長起著至關(guān)重要的作用，為此采用新興的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)結(jié)合先進的計算機技術(shù)、微處理器控制技術(shù)和智能傳感數(shù)據(jù)采集技術(shù)設計了農(nóng)業(yè)溫室大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，以與國家對三農(nóng)的的高度重視，特別是國家2012農(nóng)業(yè)國家一號文件頒發(fā)后。國家科技園、各大農(nóng)業(yè)園區(qū)、農(nóng)場等農(nóng)業(yè)機構(gòu)企業(yè)積極尋求在良種培育、節(jié)本降耗、節(jié)水灌溉、農(nóng)機裝備、新型肥藥、疫病防控、加工貯運、循環(huán)農(nóng)業(yè)、海洋農(nóng)業(yè)、農(nóng)村民生等方面的高新技術(shù)，力求突破

3、現(xiàn)存的農(nóng)業(yè)技術(shù)瓶頸，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。 托普儀器和大學合作積極響應科技興農(nóng)政策突出農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新重點，研發(fā)出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)通過通過射頻識別（rfid）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備等新型技術(shù)將農(nóng)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)連接起來提大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率和精細管理，避免了“瘦肉精”、 “毒辣椒粉”、“紅心鴨蛋”等問題的再次發(fā)生，保證了食品的安全和產(chǎn)量。目前此物聯(lián)系統(tǒng)已在全國多家科技園、示園區(qū)、農(nóng)場、科研所、院校等區(qū)域成功運行，技術(shù)穩(wěn)定成熟，功能齊全。為在農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域的生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立智能化控制、信息化管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)項目提供了強有力的技術(shù)支持。物聯(lián)網(wǎng)的實施將大大

4、提高國家推進科技創(chuàng)新增強農(nóng)產(chǎn)品的步伐。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將開啟農(nóng)業(yè)生產(chǎn)騰飛的新篇章。 托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括三個層次：感知層：采用各種傳感器（如溫濕度、光照、CO2、風向、風速、雨量、土壤溫濕度等）獲取植物的各類信息。傳輸層：信息通過無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)和信息路由設備傳到控制中心，各個節(jié)點可以自由配對、任意監(jiān)控、互不干擾。應用層：根據(jù)WSN獲取植物實時生長環(huán)境。圖溫濕度、光照參數(shù)等，收集各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，進行存儲和管理實現(xiàn)整個測試點的信息動態(tài)顯示，并根據(jù)各類信息進行自動灌溉、施肥、噴藥、降溫補光等控制、對異常信息進行自動報警。加裝攝像頭可以對每個大棚和整個園區(qū)進行實時監(jiān)控。1 WSN簡介一個典型的無線傳

5、感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)結(jié)構(gòu)，包括傳感器節(jié)點(Sensor Node)、匯聚節(jié)點(SinkNode)和管理節(jié)點(Management Node)。有時候為了通訊距離的需要，網(wǎng)絡中可以存在一定數(shù)量的中繼節(jié)點(Relay Node)。大量的Sensor Node隨機部署在檢測區(qū)域，這種具有無線通信與數(shù)據(jù)處理能力的微小的Sensor Node通過自組網(wǎng)方式，構(gòu)成自主完成指定任務的分布式智能化監(jiān)測網(wǎng)絡，并以協(xié)作的方式實現(xiàn)感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的環(huán)境參數(shù)信息，最后通過多跳的方式將Sensor Node檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)由Sink Node鏈路傳送到Manag

6、ement Node反之，用戶可以通過Management Node對WSN進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)口。2監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)基于WSN的溫室大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)由WSN和監(jiān)控主機組成。監(jiān)控主機為一臺PC機，用來顯示、存儲與處理環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，對WSN發(fā)送采集命令等。WSN則負責采集網(wǎng)絡的構(gòu)建以與環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的采集，它由sink Node，Relay Node和Sen一80r Node組成。一個典型的基于WSN的溫室大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。Sink Node負責網(wǎng)絡的構(gòu)建并對其管理和維護，包括對新加入的Sensor Node分配網(wǎng)絡地址，節(jié)點的加入和離開，網(wǎng)絡的安全密鑰的分

7、發(fā)更新等，并且將匯聚的各節(jié)點的數(shù)據(jù)通過串口上傳給監(jiān)控主機。當監(jiān)控主機不便于長期在現(xiàn)場使用時，監(jiān)測數(shù)據(jù)也可通過GPRS接入Intemet網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)遠傳給監(jiān)控主機或者將監(jiān)控主機的命令在網(wǎng)絡中發(fā)送出去，實現(xiàn)遠程監(jiān)控；SensorNode主要用來掛接各種傳感器(溫度和濕度傳感器)，采集數(shù)據(jù)并傳給Rehy Node，經(jīng)Sink Node最終傳給監(jiān)控主機。31傳感器網(wǎng)絡節(jié)點傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是WSN中部署到研究區(qū)域中收集和轉(zhuǎn)發(fā)信息，協(xié)作完成指定任務的對象。因此，對于每個Sensor Node，除了應具有采集、處理數(shù)據(jù)功能外，還應具有無線通信的功能。因此，其硬件部分主要由微處理器模塊、無線通信模塊、傳感器數(shù)據(jù)

8、采集模塊以與其他一些外圍電路和模塊組成Do，體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。微處理模塊采用低功耗片上系統(tǒng)芯片CC2430，該芯片采用低功耗的CMOS工藝生產(chǎn)，電流損耗低(接收時：27 mA，發(fā)送時：25 mA)6-7。射頻模塊使用單極天線，具備14波長(A4)的單極天線，長度由式(1)給定： (1)式中f的單位為MHz，L的單位為cmSink Node和Relay Node不需掛接傳感器，除不具有數(shù)據(jù)采集功能外，其余和圖2所示的結(jié)構(gòu)體系完全一樣。32溫濕度傳感器系統(tǒng)所選用的傳感器為DSl8820數(shù)字溫度傳感器和GY-HR006濕敏傳感器。其中，數(shù)字式溫度傳感器DSl8820的測溫圍為一50110 oC，精

9、度誤差在01 oC以，且采用單總線形式與單片機相連，減少了外部硬件電路，具有低成本、測溫精度高和控制性能良好等特點。但是濕敏電阻GYHR006卻需要頻率為502000 l-lz的交流電來供電，可以通過軟件控制單片機IO口的高低電平不斷變化從而產(chǎn)生交流電，然后通過電阻分壓得到電壓值，并將其送入ADC轉(zhuǎn)換口進行AD轉(zhuǎn)換。兩傳感器均掛接于Sensor Node，按照監(jiān)控主機設定好的采樣頻率進行溫濕度采集并發(fā)送。4軟件實現(xiàn)系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺為IAR73B，通信協(xié)議棧采用ZStackl43110，為簡化描述，軟件流程將Relay Node的轉(zhuǎn)發(fā)功能略去。該溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的軟件主流程見圖3。首先，Sink

10、Node發(fā)起網(wǎng)絡的構(gòu)建，等待Sensor Node的加入。Sensor Node查詢已有網(wǎng)絡并申請加入Sink Node所構(gòu)建的網(wǎng)絡，若加入成功，Sensor Node則經(jīng)Sink Node向監(jiān)控主機發(fā)送網(wǎng)絡拓撲數(shù)據(jù)包，監(jiān)控主機收到該網(wǎng)絡拓撲數(shù)據(jù)包后經(jīng)Sink Node向Sensor Node發(fā)送校時和定時指令。對于Sensor Node而言，在收到Sink Node發(fā)送來的校時和定時指令后，首先進行一次溫濕度數(shù)據(jù)的采集與處理，具體過程如圖4所示。圖4中的傳感器數(shù)據(jù)采集與處理機制充分利用時間間隙進行能量的低功耗調(diào)度。如果定時時間到達，節(jié)點在外部中斷下喚醒，首先監(jiān)測自身是否還在網(wǎng)絡中，若監(jiān)測到網(wǎng)

11、絡的存在，則經(jīng)Sink Node向監(jiān)控主機發(fā)送網(wǎng)絡拓撲數(shù)據(jù)包，之后的流程如前所述監(jiān)控主機向下通訊的過程。如圖3右側(cè)所述，提出了一種WSN通訊定程度上不可靠的解決對策，即Sensor Node加入網(wǎng)絡未成功或者未與時接收到上位機發(fā)來的校時與下次喚醒時間的指令。Sensor Node會根據(jù)通訊正常時的采樣頻率自動設置Sensor Node的下次喚醒時間，從一定程度上增強了監(jiān)測系統(tǒng)的魯棒性。5時間同步關(guān)鍵技術(shù)突破在分布式系統(tǒng)中，不同的Sensor Node都有自己的本地時鐘，而分布式系統(tǒng)的協(xié)同工作需要Sensor Node間的時間同步，因此時間同步機制是分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)和框架的一個關(guān)鍵技術(shù)。在該溫室大

12、棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中，Sensor Node均外接實時時鐘芯片DSl305，在網(wǎng)絡構(gòu)建完成后，Sink Node會立刻接收監(jiān)控主機發(fā)來的時間同步指令，然后將該信息廣播給網(wǎng)絡中的Sensor Node，Sensor Node會通過這一指令信息完成本地時鐘初始化。待所有的Sensor Node時鐘同步初始化之后，設定DSl305的下次喚醒時間，定時時間到則DSl305輸出中斷信號，將Sensor Node喚醒，響應上位機指令，完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，之后Sensor Node再次轉(zhuǎn)入長時間休眠，等待下一次DSl305的中斷喚醒信號。每次喚醒時，節(jié)點的工作時序如圖5所示。在該溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)實際運行過程中

13、，可以在每天固定的時刻(比如晚上0點)喚醒網(wǎng)絡中所有節(jié)點，Sink Node會發(fā)送時鐘校準信號，各Sensor Node收到校準信號，重新初始化本地時鐘，從而完成整個網(wǎng)絡的時間重新校準，進而實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的時間同步。6監(jiān)測系統(tǒng)上位機設計監(jiān)控中心控制軟件以LabwindowsCVl工具作為開發(fā)環(huán)境一，分為用戶界面模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、通信模塊3大模塊。其中用戶界面可以實時顯示溫室大棚的溫濕度參數(shù)、超限報警、歷史數(shù)據(jù)的記錄和分析與報表的打印輸出、傳感器網(wǎng)絡拓撲顯示。數(shù)據(jù)庫模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建以與對數(shù)據(jù)庫讀寫操作、查詢等訪問操作；通信模塊可以實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行GPRS通信，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，以與將數(shù)據(jù)I

14、ntemet實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)共享。監(jiān)控主界面如圖6所示。該上位機設計的一個創(chuàng)新點在于自主開發(fā)了WSN網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)上位機顯示界面，可以實時顯示網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)與各節(jié)點的溫濕度值、電池電量等節(jié)點信息，方便、直觀、可視性強，而且具有歷史數(shù)據(jù)存儲功能。上位機的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)見圖7。7結(jié)果測試與數(shù)據(jù)處理針對該監(jiān)控系統(tǒng)的通訊性能進行了測試，采用3dbi的單級天線在廣場和樓道進行_測試，測試結(jié)果如表1所示。顯然無論是在窄曠的廣場還是狹窄的樓道，該監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸能力應用在溫室大棚有限的相對有限的空間是足夠的。此外，溫濕度傳感器工作時受溫室大棚環(huán)境和自身輸入輸出非線性因素的影響，所以有必要在監(jiān)測系統(tǒng)中添加對數(shù)據(jù)的平滑

15、性處理，即對輸入或輸出數(shù)據(jù)序列的平均化，以壓縮隨機干擾，減少統(tǒng)計誤差，提高信噪比，從而改善檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，提高測量處理準確度。為此采用了移動平滑法對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。其數(shù)學表達式為由于該監(jiān)控系統(tǒng)中的使用的數(shù)字式溫度傳感器的精度相對較高，但是濕敏電阻的精度僅在5左右，故這里僅針對監(jiān)測系統(tǒng)采集到的濕度值做數(shù)據(jù)平滑處理。如表2所示，給出溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)所采集到的部分濕度值。圖9則針對采集到的原始濕度值分別做了三點與五點平滑處理。由圖9可以得出，未對采集到的濕度數(shù)據(jù)處理前，其上下波動在5左右，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行平滑化處理，并且隨著取樣點數(shù)的增加，信號的噪聲衰減率將增大，同時該濾波方法濾出高頻噪聲的能力將進一步提升，但帶來的負面影響是增加了數(shù)據(jù)處理的時間。由于WSN的一個突出優(yōu)勢就在于節(jié)點的低功耗，所以這就存在一個動態(tài)平衡問題，在追求采集數(shù)據(jù)精確度的同時還要考慮網(wǎng)絡節(jié)點的功耗問題，所以最終選擇哪一層次的移動平滑濾波算法可由需要來定，針對表2中的相對濕度數(shù)據(jù)，如果監(jiān)測系統(tǒng)可以允許3一4的誤差波動存在，那么只需要對采集到的數(shù)據(jù)進行三點平滑處理即可滿足要求，相比之下如果允許誤差波動在2或者更小時，那么數(shù)據(jù)處理程序則至少需要五點曲線平滑處理。同時，從微處理器在數(shù)據(jù)計算處理方面的局限性以與整個網(wǎng)絡的低