#基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)海洋水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)海洋水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計引言近幾年來， 隨著海洋事業(yè)的迅速發(fā)展，海洋環(huán)保已經(jīng)提上議事日程。因此，海洋水環(huán)境 監(jiān)測成為人們越來越關(guān)注的焦點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛使用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)定位等領(lǐng)域，能夠?qū)崟r地感知、 采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的對象信息， 并發(fā)送給觀察者。 它具有覆蓋區(qū)域廣， 可遠程監(jiān)控， 監(jiān)測精度高， 布網(wǎng)快速和成本低等優(yōu)點。 把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用到海洋水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 中，是人們近幾年來研究的焦點。Zigbee 和其他的無線通信標(biāo)準(zhǔn)相比，適用于吞吐量較小，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資小，網(wǎng)絡(luò)安全 性高，不便于頻繁更換電源的場合。在工業(yè)控制領(lǐng)域利用傳感器基于 Zigbee 技

2、術(shù)組成傳感 器網(wǎng)絡(luò)，可以使得數(shù)據(jù)采集和分析變得方便和容易。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)用于傳感網(wǎng)絡(luò)的組建很重 要的一點在于它的低功耗，其發(fā)射功率僅為 036dBm ；它的通信距離可達 3070m ，具 有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力， 可以自動地對自身的發(fā)射功率進行調(diào)整， 可以在保證通信 鏈路質(zhì)量的前提下最小地消耗能量。網(wǎng)絡(luò)功能是 Zigbee 最重要的特點，也是和其它無線局 域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。 在網(wǎng)絡(luò)層方面， Zigbee 的主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機制的建立和管理， 并具有自我組態(tài)和自我修復(fù)功能。IEEE802 15 4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率 (250kb s)、工作在 24GHz 和868

3、 928MHz 的無線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由 ZigBee 聯(lián)盟制定， IEEE802 15 4負(fù)責(zé) 物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。完整的 zigBee 協(xié)議套件由高層使用規(guī)范、使用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、以 及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖 l 所示。傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成本文設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成包括傳感器節(jié)點、 匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點， 主要負(fù)責(zé)探 測海洋區(qū)域內(nèi)的各種情況，包括油污檢測、濁度測量、化學(xué)需氧量測量、海藻測量等等。傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的形成， 海洋各項參數(shù)的采集， 并將數(shù)據(jù)通過多跳的形式傳輸 到匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點， 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起， 拓?fù)涞男纬珊途S護， 網(wǎng)路數(shù) 據(jù)的

4、匯聚和處理， 和監(jiān)控系統(tǒng)的通信和信息交互。 匯聚節(jié)點是傳感器節(jié)點終端節(jié)點中能力較強的一種。網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)， 并對數(shù)據(jù)進行校正、 融合等處理， 然后發(fā)送給監(jiān)測 中心。對于監(jiān)測中心所發(fā)指令進行相應(yīng)處理，用來確定各個節(jié)點的工作狀態(tài)。后臺監(jiān)測中心負(fù)責(zé)對發(fā)送回來的海洋參數(shù)數(shù)據(jù)進行匯總和處理， 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目刂疲?網(wǎng)絡(luò) 的監(jiān)護等工作。整個海洋監(jiān)測系統(tǒng)由一定數(shù)量的傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點、 少量匯聚節(jié)點、 一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點以 及后臺監(jiān)測系統(tǒng)組成。 為了探測一定區(qū)域， 需要在該區(qū)域內(nèi)布置一定數(shù)量的傳感器節(jié)點， 以 達到對整個區(qū)域的覆蓋， 并且需要一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點完成對來自傳感器終端的數(shù)據(jù)的融合， 上傳 給后臺

5、監(jiān)測系統(tǒng)， 完成數(shù)據(jù)的分析和處理。 從網(wǎng)關(guān)節(jié)點到監(jiān)控中心距離一般都比較遠， 可采 用現(xiàn)有的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接費用相對低廉，傳輸速率較高， 性價比較高，而且能夠永遠在線。傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。傳感器終端節(jié)點和匯聚節(jié)點能夠自動形成一個自組織、 多跳的網(wǎng)絡(luò)。 傳感器終端節(jié)點按 指令采集數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)及時地通過自適應(yīng)的路由、 多跳中繼后傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點， 網(wǎng)關(guān)節(jié)點 將匯集的數(shù)據(jù)打包后，轉(zhuǎn)發(fā)給后臺監(jiān)控系統(tǒng)。硬件設(shè)計本海洋監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點是傳感網(wǎng)絡(luò)中最重要的部分，其硬件包括微處理器單 元、一個 zigbee 通信模塊及電源管理模塊；匯聚節(jié)點硬件包括微處理

6、器單元、兩個 Zigbee 通信模塊及電源管理模塊；網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件包括微處理器單元、一個 Zigbee 通信模塊、一個 GPRS 模塊及電源管理模塊。2 1 節(jié)點微處理器 MSP430F149 單片機由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 可選擇一款集 成有 AD 轉(zhuǎn)換功能的微控制器。 另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點除完成數(shù)據(jù)采集功能外，還要完 成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能，因而要有足夠的處理能力、程序空間及數(shù)據(jù)空間。本設(shè)計 MCU 采 用的是 MSP-430F149 單片機，它是 TI 公司生產(chǎn)的一種 16 位超低功耗混合信號處理器，稱 之為混合信號處理器， 主要是由于其針對實際使

7、用需求， 把許多模擬電路、 數(shù)字電路和微處 理器集成在一個芯片上，以提供 “單片 ”解決方案。其突出優(yōu)點是低電源電壓、超低功耗。由 于為 FLASH 型，所以可以在線對單片機進行調(diào)試和下載程序。MSP430F149 低頻輔助時鐘采用 32kHz 時鐘晶振直接驅(qū)動，可作為后臺實時時鐘實現(xiàn)自喚醒功能。集成的高速數(shù)字控制振蕩器 (DCO) 頻率為 8MHz ，可作為 CPU 的主系統(tǒng)時鐘(MSLK) 源，也可以作為 CPU 的子系統(tǒng)時鐘 (SMCLK) 源。2 2 節(jié)點 Zigbee 通信模塊 CC2420本系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件中的 Zigbee 通信模塊采用低功耗高性能的無線網(wǎng)絡(luò)模塊CC242

8、0 來實現(xiàn)， 它工作在全球通用的 24GHz 頻段。 CC2420 是一款符合 IEEE802 154 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，性能穩(wěn)定且功耗極低。 CC2420 的選擇性和靈敏度指數(shù)超過IEEE802 15 4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性，利用此芯片開發(fā)的無 線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)傳速率高達 250kb s，可實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。CC2420 發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用直接正交上變頻。 基帶信號的同相分量和正交分量直接被 DAC 轉(zhuǎn)換為模擬信號， 通過低頻濾波器，直接變頻到設(shè)定的信道上，再由天線發(fā)射出去。Zigbee 通信模塊 CC2420 和單片機的連接電路，如圖 3 所示。CC2420

9、只需要極少的外圍電路，包括時鐘電路、射頻I O 匹配電路和微控制器接口電路三部分。 芯片本振信號既可由外部有源晶體提供， 也可以由內(nèi)部電路提供。 由內(nèi)部電路 提供時需要外加晶體振蕩器和兩個負(fù)載電容， 電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參 數(shù)。例如當(dāng)采用 16MHz 晶振時，其電容約為 22pF 。射頻 IO 匹配電路主要用來匹配芯片 的輸入輸出阻抗。 CC2420 和微處理器的連接非常方便，它使用SFD 、FIFO 、 FIFOP 、和 CCA 四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；微處理器通過 SPI 接口和 CC2420 交換數(shù)據(jù)、發(fā)送 命令等?？梢酝ㄟ^CC2420 收到物理幀的 SFD 字段后

10、，會在 SFD 引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如 果啟動了地址辨識，在地址辨識失敗后， SFD 引腳立即轉(zhuǎn)為輸出低電平。 FIFO 和 FIFOP 引腳表示接收 FIFO 的緩存區(qū)狀態(tài)，如果接收 FIFO 緩存區(qū)有數(shù)據(jù)， FIFO 引腳輸出高電平； 當(dāng)接收 FIFO 緩存區(qū)為空， FIFO 引腳輸出低電平； 當(dāng) FIFO 引腳在接收 FIFO 緩存區(qū)的數(shù)據(jù) 超過某個臨界值時， 或在 CC2420 接收到一個完整的幀以后輸出高電平臨界值時，CC2420 的寄存器設(shè)置。 CCA 引腳在信道上有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效， 在 CC2420 進入接收狀態(tài)至少 8 個符號周期后，才會在

11、CCA 引腳上輸出有效的信道狀態(tài)信 息。SPI 接口由 CSn、SI、SO 和 SCLK 引腳組成，微處理器通過 SPI 接口訪問 CC2420 內(nèi)部寄存器和存儲器。在訪問過程中， CC2420 是 SPI 接口的從設(shè)備，接收來自微處理器的 時鐘信號和片選信號并在微處理器的控制下執(zhí)行輸入輸出操作。 SPI 接口接收或者發(fā)送數(shù) 據(jù)時，都和時鐘下降沿對齊， CC2420 和 MSP430F149 是通過 SPI 連接的，其中 MSP430F149 處于主模式， CC2420 處于從模式。 MSP430F149 還有4個 IO口和 CC2420 相連，主要起 查詢 CC2420 狀態(tài)的作用。電源管理

12、模塊為傳感器單元、 處理器單元、 無線通信模塊提供能源， 并對電源進行管理， 以提高能量的利用率。2 3 系統(tǒng) IEEE802 15 4工作模式IEEE802 15 4規(guī)范中規(guī)定使用 DSSS 調(diào)制方式， CC2420 中的調(diào)制和擴頻功能框圖 如圖 4所示。每個字節(jié)分為兩組符號， 4位一組，低位符號首先傳送，對于多字節(jié)域，則是低位字節(jié) 首先傳送，但是，和安全有關(guān)的域先傳送高位字節(jié)。每個符號映射為一個超過16 位的偽隨機序列，即 32位片碼序列。片碼序列以 2Mchip s 的速率傳送，對于每個符號，首先傳送 低位片碼。調(diào)制方式為偏移正交相移鍵控，具有半個正弦的形狀，相當(dāng)于最小頻移鍵控 (MFS

13、K) 調(diào) 制，每片的形狀通過半個正弦波交替在同相和正交相位信道傳送。2 4 數(shù)據(jù)通信幀格式設(shè)置同步頭包括前導(dǎo)序列和開始幀分隔符， 在 CC2420 中前導(dǎo)序列長度和開始幀分隔符是能 設(shè)置的，默認(rèn)值 4字節(jié)和 1字節(jié)，是符合 IEEE 80 2 15 4協(xié)議的；物理頭位為 1字節(jié)，幀控制和序列號分別為 2字節(jié)和 1字節(jié)：地址和源地址共 6字節(jié)，待發(fā)數(shù)據(jù)段長度為幀長度減去 地址和幀校驗序列。當(dāng) MODEMCTRL0 AUTOCRC 控制位置位時，這個幀校驗序列自動 產(chǎn)生 2字節(jié)，并由 CC2420 硬件自動插入。軟件設(shè)計本設(shè)計中， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個多路的自組織無線網(wǎng)絡(luò)， 可以實現(xiàn)自動組網(wǎng)， 自

14、動路 由查詢，自動數(shù)據(jù)采集和傳輸， 軟件設(shè)計上必須能夠?qū)崿F(xiàn)多跳自組織的功能。另外，傳感器 節(jié)點必須要求極低的功耗， 而低功耗除了硬件設(shè)計上的低功耗外， 更重要的是軟件設(shè)計的低 功耗。此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端在開機后首先進行自檢， 如果自檢失敗了， 則進行硬件故障提示， 而且自動關(guān)機。 在自檢通過后， 進一步判斷工作模式。 傳感器節(jié)點在自檢通過后進入接入狀 態(tài)，如果接入失敗則進入等待狀態(tài)。 處于等待狀態(tài)的節(jié)點關(guān)閉射頻收發(fā)器以節(jié)省功耗， 當(dāng)?shù)?待定時器溢出時， 節(jié)點再次回到接入狀態(tài)進行新的介入嘗試。 如果節(jié)點接入成功便轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù) 狀態(tài)。 處于業(yè)務(wù)狀態(tài)的節(jié)點，完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，對近節(jié)點數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，

15、 新節(jié)點入 網(wǎng)的介入確認(rèn)等操作。節(jié)點為了實現(xiàn)低功耗，必須在業(yè)務(wù)狀態(tài)（活動狀態(tài) ）和休眠狀態(tài)之間輪換。軟件開發(fā)以 IAR Embedded Workbench V2 10 為平臺，采用 C 語言編寫。節(jié)點的MSP430 系列單片機支持 C 語言程序設(shè)計。適用于 MSP430 系列的 C 語言和標(biāo)準(zhǔn) C 語言兼 容程度高， 大大提高了軟件開發(fā)的工作效率， 增強了程序代碼的可靠性、 可讀性和可移植性。 軟件編程的基本思想是：先對 SPI 、 CC2420 控制端口初始化，使能 SPI 、 UART 端口，使 能 ADC ，開機后，就可以運行任務(wù)程序，實現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)及命令了。傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點的

16、工作流程如圖 5 所示。對于網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計， 接收數(shù)據(jù)部分仍采用 CC2420 無線收發(fā)模塊， 可以采用統(tǒng)一的傳 輸協(xié)議，保證傳輸?shù)目煽啃?；由于還要進行數(shù)據(jù)的處理， 網(wǎng)關(guān)節(jié)點就不附加傳感器了， 以便 提高處理器對數(shù)據(jù)的處理能力， MCU 統(tǒng)一采用 MSP430F149 單片機； 同時， 監(jiān)控中心一般 遠離監(jiān)測點，需要采用 GPRS 模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。其工作流程如圖6所示。結(jié)論本文設(shè)計的有關(guān)海洋水環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合運用了無線傳感技術(shù)、 嵌入式計 算技術(shù)、 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 無線通信技術(shù)和分布式智能信息處理技術(shù)， 將功能相同或不同的無 線智能傳感器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化、 智能化的傳感網(wǎng)絡(luò)，

17、大大提高了監(jiān)測海洋各項參數(shù)的傳感器的監(jiān) 測能力。 這樣的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控系統(tǒng)采用中短距離、 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)， 射頻 傳輸成本低； 可根據(jù)需要采用多種供電模式， 節(jié)能效果好； 可實現(xiàn)靈活的快速組網(wǎng)和自動配 置，擴展性好。以色列世界上微灌技術(shù)的發(fā)展最有代表性的國家首推以色列， 其溫室種植全部采用微灌， 以滴 灌為主。擁有像耐特費姆、普拉斯托、美滋-雷鷗等多家世界著名灌溉公司。以色列溫室滴灌的最高水利用率為 95% ，其滴灌產(chǎn)品分為兩類： 一是滴管類， 二是滴頭 類。目前普遍流行的是一體化滴灌管 （帶 ），即滴頭和滴灌管結(jié)合為一體、 安裝使用非常方便。 滴頭間距一般為 30、50、 75

18、 、100cm ，管壁厚從 0.15mm 到2mm ，有的一次性使用，有的 壽命可長達 20 年。最新的產(chǎn)品主要是壓力補償型的內(nèi)鑲式滴管，有效提高了灌水均勻性， 便于機械化長距離鋪設(shè)。 滴頭類產(chǎn)品種類也很多， 有管上式滴頭、 可拆卸滴頭、壓力補償?shù)?頭。其新近研制的壓力補償式滴頭可靠改變水流通道的長度來調(diào)節(jié)流量， 且進入壓力補償?shù)?狀態(tài)較快， 均勻度較高， 在水流進口還安有過濾裝置。在運行開始和結(jié)束有自沖洗功能，能 減少堵塞。以色列開發(fā)了一系列用于溫室灌溉的微噴頭產(chǎn)品。每個微噴頭的耗水量大約在30L/h 300L/h 之間，噴灑半徑 1m 6m 。這種灌溉方式可以使水的有效利用率達85% 。開

19、發(fā)出的系列化縫隙式、折射式、旋轉(zhuǎn)式微噴頭及連接件產(chǎn)品，材質(zhì)好、耐磨損、噴灑效果好、外觀 精美。 近幾年來推出的脈沖式微灌技術(shù)代表著一種新的灌水方式的使用， 節(jié)水效果更好， 但 成本也相對較高。微灌方法的采用， 給施肥技術(shù)帶來了極大的變化， 它導(dǎo)致了一個全新的概念 水肥灌 溉的興起， 滴灌系統(tǒng)進行施肥， 直接接觸植物的根部，可以避免浪費， 這是一般施肥方法所 不具備的。 自動施肥系統(tǒng)使用已非常廣泛， 施肥器受計算機或小型控制器控制， 以實現(xiàn)精確 施肥。主要有泵注方式、文丘里式、壓差式、水驅(qū)動混合注入式等，其中水驅(qū)動混合注入式 使用越來越廣泛。以色列有許多專業(yè)生產(chǎn)過濾器的廠家， 根據(jù)用戶需要可提供

20、幾個到幾十個過濾器組成的 過濾站，專門用于處理微灌水源，且自動化程度高，采用了電磁閥控制開關(guān)和反沖洗。 主要 產(chǎn)品有網(wǎng)式、疊片式、離心式、 砂石式過濾器。新型疊片過濾器的特點一是疊片流道設(shè)計采 用曲面形式提高了過濾面積，擴大了水流量， 減少了水頭損失；二是設(shè)計了反沖洗流道，在 正常工作狀態(tài)下無需打開，僅旋轉(zhuǎn)外殼一定角度就可方便地實現(xiàn)反沖洗污物，十分方便。微灌方式普遍采用計算機控制。 埋在地下的濕度傳感器， 可以傳回有關(guān)土壤濕度的信息。還有的傳感系統(tǒng)能通過檢測植物的莖和果實的直徑變化， 來決定對植物的灌溉間隔。 在溫室 等設(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉控制器，這種設(shè)備通常能控制幾路或十幾路。在以色列，

21、已經(jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對灌溉過程進行全部控制（無線、有線 ）的農(nóng)場主。以色列開發(fā)出多個系列的農(nóng)業(yè)自動灌溉的配套閥門， 如電動和水動遙控電磁閥、 減壓閥、 調(diào) 壓閥、安全或止回閥、逆止閥和流量控制閥等。美國美國是目前世界上微灌面積推廣最多的國家， 1991 年就已超過了 60萬公頃，約占全國 當(dāng)時總灌溉面積的 3%，雨鳥公司生產(chǎn)出流量為 2L/h 、 4L/h 、8L/h 的壓力補償?shù)晤^、非壓力 補償?shù)晤^及使用廣泛的紊流壓力補償?shù)喂鄮А?該種滴灌帶紊流態(tài)出水， 抗堵塞性較好， 壓力 補償功能使得出水均勻， 并可埋于地下， 減少蒸發(fā)損失。 微噴頭品種較豐富，主要有折射式 和旋轉(zhuǎn)式， 每個系列有多

22、種噴嘴和多種噴灑形式， 并能方便裝拆和清洗。 配套產(chǎn)品也很發(fā)達， 包括多系列的濾網(wǎng)過濾器、 壓力調(diào)節(jié)器、化肥 農(nóng)藥注入器及各種類型的控制器。 化肥 農(nóng)藥注入器是由泵輔助將溶液連續(xù)定量注入微灌管道的專用裝置，擁有1 4個流路，注入流量為 O57L/h ，每一路均配有流量計和調(diào)節(jié)閥。同時也生產(chǎn)系列文丘里式化肥農(nóng)藥 注入器。電磁閥品種規(guī)格非常豐富， 有的產(chǎn)品帶過濾功能，能在運行狀態(tài)下清洗， 還有的產(chǎn) 品帶調(diào)壓組件，保證壓力恒定。控制器有機械電子式和電子式交流和直流多種自動控制器， 其中 ESP-MC 控制器分 8、12、16 、 24 、 32及40站6種型號，最多可控制 120個電磁閥， 可設(shè)置

23、4種控制程序，一站可在一天內(nèi)多次開啟，適合微灌頻繁的特點。在溫室使用自動灌 溉控制效果尤為明顯。澳大利亞澳大利亞是世界上推廣微灌面積較多的國家之一。 其制造的薄壁滴灌帶滴頭貼壓在漓灌 帶內(nèi)壁上， 多進口入口過濾、 紊流流道和激光狹道出口提高了防堵能力， 同時減少了根莖侵 入。還開發(fā)出許多補償式滴頭及微噴頭。 微噴頭用均流器使其具有壓力補償作用， 當(dāng)壓力變 化時保持出水均勻。并提供各種噴灑圖形滿足作物不同生育期和作物大小的灌溉需要。法國法國的 DOSATRON 肥料農(nóng)藥混合器代表了當(dāng)今國際領(lǐng)先水平。工作原理是：水流進 入混合器內(nèi)， 驅(qū)動主活塞， 和之相連的注入器活塞跟隨上下運動， 從而吸入待注的

24、物品溶液 進入混合室。其特點是不用電力依靠水壓驅(qū)動，能調(diào)節(jié)濃度，有較好精度控制。工作壓力 （0.3 6.0） 105Pa ，可調(diào)整 0.2% 10%的注入比例。流量為 10L/h 20L/h ，較普通壓差式 施肥精度有很大提高。一、智慧農(nóng)業(yè)主要內(nèi)容1、以開發(fā)利用智能專家系統(tǒng)為先導(dǎo)，對氣候、土壤、水質(zhì)等環(huán)境數(shù)據(jù)的分析研判，系 統(tǒng)規(guī)劃園區(qū)分布、合理選配農(nóng)產(chǎn)品種，科學(xué)指導(dǎo)生態(tài)輪作。2、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過各種無線傳感器實時采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的光照、溫度、濕度 等參數(shù)及農(nóng)產(chǎn)品的生長狀況等信息， 遠程監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)境。 將采集的參數(shù)和信息進行數(shù)字化轉(zhuǎn) 化后，實時傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺進行匯總整合， 利用農(nóng)業(yè)專家智能系統(tǒng)

25、按照農(nóng)產(chǎn)品生長的各項指標(biāo) 要求， 進行定時、定量、定位云計算處理， 及時精確地遙控指定農(nóng)業(yè)設(shè)備自動開啟或者關(guān)閉 （如遠程控制節(jié)水澆灌、節(jié)能增氧、卷簾開關(guān)等） ，實現(xiàn)智能化、自動化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。3、通過在生產(chǎn) （加工 ）環(huán)節(jié)給農(nóng)產(chǎn)品本身或貨運包裝中加裝RFID 電子標(biāo)簽，并在運輸、倉儲、 銷售等環(huán)節(jié)不斷添加、更新信息， 從而搭建有機農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。有機農(nóng)產(chǎn)品安 全溯源系統(tǒng)加強了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 加工、 運輸?shù)戒N售等全流程數(shù)據(jù)共享和透明管理，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品全流程可追溯， 提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理效率， 促進了農(nóng)產(chǎn)品的品牌建設(shè)， 提升了農(nóng)產(chǎn)品的附 加值。能溫室系統(tǒng)是一種結(jié)合了計算機自控技術(shù)、 智能傳感技術(shù)等

26、高科技手段的資源節(jié)約型高效設(shè) 施農(nóng)業(yè)技術(shù)，它主要是根據(jù)環(huán)境的溫度、濕度、二氧化碳含量、光照、雨量以及土壤狀況等 因素，來控制溫室內(nèi)的各項指標(biāo)和各種營養(yǎng)元素配方，以創(chuàng)造出適合作物生長的最佳環(huán)境。 很顯然如何能夠準(zhǔn)確、 穩(wěn)定、 方便的得到這些環(huán)境信息就成為整套系統(tǒng)的關(guān)鍵。隨著近幾年短距離無線通信的發(fā)展， 新興的無線傳感網(wǎng)技術(shù)為智能溫室系統(tǒng)中的傳感環(huán)節(jié)提供了有力的 技術(shù)保障。依靠多年來在短程無線通信標(biāo)準(zhǔn)、 芯片和產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)域的積累， 獨立研發(fā)了能夠支持大 規(guī)模自組織、自維護無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧，即USSN （ Ultra-Scale Sensor Networks ）技術(shù)，并以此技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)了具有

27、自主獨立知識產(chǎn)權(quán)的智能溫室無線溫濕度采集系統(tǒng)， 能夠 提供全天候、無人看守、免維護且不依賴電源的無線溫濕度采集服務(wù)。USSN 是指由若干無線采集終端通過無線方式互相連接成的網(wǎng)絡(luò)。 如果在一定范圍內(nèi)設(shè) 有若干個無線采集終端， 任意一點的數(shù)據(jù)都可以被其他鄰近的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)可以倍數(shù) 增加兩點間的通信距離， 且擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。 終端數(shù)據(jù)最終通過網(wǎng)絡(luò)傳遞后匯集到數(shù)據(jù)收 集端，再由收集端通過其他通訊協(xié)議和方式傳送給上位機，其示意結(jié)構(gòu)如下圖：系統(tǒng)意義： 智能溫室是智能化控制系統(tǒng)使用到大棚種植上的結(jié)果， 利用最先進的技術(shù)， 模擬出最適 合棚內(nèi)植物生長的環(huán)境。 和人工控制相比， 智能控制最大的好處就是

28、能夠相對恒定的控制大 棚內(nèi)部的環(huán)境，對于環(huán)境要求比較高的植物來說，更能避免因為人為因素而造成生產(chǎn)損失。 智能化控制系統(tǒng)將極大的提高產(chǎn)量和質(zhì)量，尤其是對于檔次較高的經(jīng)濟作物。功能描述：整套系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)采集器、無線開關(guān)控制器、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（可多個）、 PC 和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（可選）組成。網(wǎng)關(guān)和采集器和控制器采用 USSN 傳感網(wǎng)技術(shù)進行無線連接，每個 網(wǎng)關(guān)下面可同時連接上百個終端設(shè)備，且所有終端自動組網(wǎng)， 同步工作。網(wǎng)關(guān)和 PC 或網(wǎng)絡(luò) 服務(wù)器則通過以太網(wǎng)或移動通訊網(wǎng)絡(luò)連接。采集終端集成了高精度溫濕度傳感器。 所有終端之間采用無線連接方式， 并且可全部使 用電池供電， 免去了電源線和數(shù)據(jù)線的安裝問題

29、， 使其隨意更換位置成為可能。 在實際使用 中，采集終端可以根據(jù)實際需求集成溫度、濕度、 光照、 二氧化碳濃度和土壤環(huán)境等各種傳 感器。無線傳感器數(shù)據(jù)采集器裝有預(yù)留端子， 可根據(jù)需要外接土壤溫濕度、 光照等多種傳感器。 無線線開關(guān)控制器可和原有電控系統(tǒng)并聯(lián)，可用于控制卷膜機、卷簾機、風(fēng)機、灌溉裝 置等。網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)中處于核心地位， 所有傳感器采集的數(shù)據(jù)都要匯集到網(wǎng)關(guān)中， 所有對終端的 控制指令也都要通過網(wǎng)關(guān)向下發(fā)送。 網(wǎng)關(guān)內(nèi)置了強大的操作系統(tǒng)， 可對網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)進行維護 和儲存。 PC 機通過網(wǎng)線或局域網(wǎng)直接登陸網(wǎng)關(guān)后，可進行系統(tǒng)設(shè)置、采集網(wǎng)絡(luò)管理、查看 數(shù)據(jù)、繪制圖表、導(dǎo)出數(shù)據(jù)等操作。網(wǎng)關(guān)同時具

30、備遠傳能力，通過局域網(wǎng)或 3G 將所有的配 置數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)一并傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上， 此種模式支持多用戶同時登陸網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對網(wǎng)關(guān) 的數(shù)據(jù)進行查看。無線數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器都提供了功能強大， 且界面友好的軟件。 用戶根據(jù)不同操作 權(quán)限登陸網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器后，可進行系統(tǒng)設(shè)置、采集網(wǎng)絡(luò)管理、查看數(shù)據(jù)、繪制圖表、導(dǎo) 出數(shù)據(jù)、報警管理等操作。典型使用：我們以集中式大棚養(yǎng)殖為例， 來講解無線溫濕度采集系統(tǒng)在實際中的典型使用， 請見下 圖：在實際大棚種植中，各區(qū)域可能養(yǎng)殖不同的農(nóng)作物，他們對于溫濕度的要求不盡相同， 所以需要定時的對這些指標(biāo)進行檢測， 以便采取相應(yīng)的措施， 為作物提供最合適的生長環(huán)境。 根據(jù)實

31、際檢測的需求， 可以將無線溫濕度采集終端安裝在相應(yīng)的位置， 所有的溫濕度采集終 端全部采用電池供電， 并且通過無線方式進行數(shù)據(jù)傳送， 所以無需考慮電源線和數(shù)據(jù)線的安 裝問題，可以做到即插即用。如果有個別監(jiān)測點位置距在安裝過程中， 需要確保每個終端都可以連接到無線網(wǎng)絡(luò)中。離較遠，可考慮在通訊路徑中增加終端個數(shù)，轉(zhuǎn)發(fā)較遠終端的數(shù)據(jù)，保證網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定。 所有終端被正常安裝后， 會根據(jù)數(shù)據(jù)收集器的指令自動組建無線網(wǎng)絡(luò)， 按照預(yù)設(shè)的時間 間隔采集溫濕度值，并把數(shù)據(jù)匯集到無線數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)中。最終所有的數(shù)據(jù)會通過 GPRS 或 3G 網(wǎng)絡(luò)傳送到遠端的管理中心。每一個這樣的網(wǎng)絡(luò)都可以容納幾百甚至上千個采集終端，每

32、個大區(qū)域內(nèi)配備一個網(wǎng)關(guān)， 數(shù)據(jù)有效上傳， 不會發(fā)生碰撞及丟失， 網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)及時傳至大網(wǎng)中， 只要通過網(wǎng)絡(luò)訪問網(wǎng)關(guān)， 即可隨時獲取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)特點：系統(tǒng)采用 3G+USSN 的全無線架構(gòu)，無需布線施工，維護成本低USSN 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)符合 IEEE802.15.4C 國際標(biāo)和 CWPAN 國家標(biāo)準(zhǔn)，綠色、 環(huán)保、無輻射USSN 傳感網(wǎng)具有全網(wǎng)同步的超低功耗特性， 節(jié)能的傳感器節(jié)點使用普通電池供電可工 作1年以上網(wǎng)絡(luò)自動負(fù)載均衡，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有無線節(jié)點功耗可評估，且功耗相仿 自動組網(wǎng)、自維護、網(wǎng)絡(luò)連接可視，全天候穩(wěn)定運行，無需人工干涉 所有的無線采集器安裝簡便，即插即用，可以任意改變安裝位置，不受

33、線纜的束縛 良好的網(wǎng)絡(luò)擴展能力， 隨意增加和減少采集終端數(shù)量， 同一網(wǎng)絡(luò)中可支持幾百個采集器 和控制器跳頻和加密認(rèn)證機制，保證系統(tǒng)安全可靠運行 管理方式多樣，用戶可通過直接訪問網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對所有的監(jiān)控進行管理 管理軟件界面友好，且功能強大，保證數(shù)據(jù)的記錄、分析及時準(zhǔn)確，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠 無線傳感網(wǎng)獨立工作， 無需繳納任何費用， 多采集器數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過一個網(wǎng)關(guān)發(fā)送， 節(jié)省 3G 流量費。技術(shù)指標(biāo)： 為滿足系統(tǒng)的普遍需求，系統(tǒng)終端只集成溫濕度傳感器，其他傳感器可定制。 溫濕度采集終端：高精度溫濕度傳感器溫度測量：范圍 -20 100 精度 +0.4濕度測量：范圍 0% 99% 精度 +3%射頻參數(shù)：工作頻段 ISM 2.4GHz 發(fā)射功率 1mW通訊距離：兩點間室內(nèi) 30米，室外 100 米能耗指標(biāo)：采集間隔 15分鐘時，采用兩節(jié)南孚 AA1.5V 電池可工作 2 年，時間