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1、 单位代码 01 学号 1103020004 分 类 号 TN92 密 级 毕业设计说明书无线通信技术在我国现代温室中的应用研究 院（系）名称信息工程学院 专业名称电子信息工程 学生姓名王岚岚 指导教师张具琴 2013年4月30日黄河科技学院毕业设计说明书 第 IV 页 无线通信技术在我国现代温室中的应用研究摘 要随着科学技术的发展，传统的基于有线通信系统的温度、湿度监测系统需要花费大量的人力物力铺设线路，施工量大，安装时间长，因此基于无线传输技术的温室环境监测系统势在必行。首先，本文在了解我国温室监控系统研究现状的基础上，根据无线技术的发展，对目前各种通信技术在温室中的应用优势与局限性进行分

2、析比较。其次，本文详细阐述了温室环境无线监测系统中最基本的组成单元无线传感器节点的硬件设计和低功耗设计，并在此基础上进行了TinyOS操作系统的移植和节点的软件设计。再次，本文详细分析了一种基于ZigBee和GPRS网络的温室大棚无线监控系统，介绍了系统的总体设计方案，详细讲述了系统的硬件设计、网络协议的建立及软件的实现，经过现场实际运行测试，该系统长时间工作稳定可靠，具有一定的市场价值和很好的发展前景。最后，本文对国内温室技术的发展与无线通信技术的应用做出展望。关键词：无线通信技术，温室监测系统，低功耗技术，无线传感器，ZigBee网络Study and application of wir

3、eless communication technology in modern greenhouse in China Author: Wang Lanlan Tutor: Zhang JuqinAbstractWith the development of science and technology, the temperature and humidity of traditional wired communication system spend a lot of manpower and material laying lines, big construction, and i

4、nstallation time is long, so the future of greenhouse environment monitoring system which is based on wireless transmission technology is optimistic.First, based on the understanding of the status quo of Chinese greenhouse Monitoring System, according to the development of wireless technology, this

5、papers various communication technologies in the greenhouse advantages and limitations were analyzed and compared.Secondly, this papers describes in detail the hardware design part of wireless sensor nodes is the most basic wireless monitoring system of greenhouse environment and low power design, h

6、ardware design based on it, and TinyOS operating system are transplanted and software are designed at the same time.Thirdly, this papers analyzes in detail a greenhouses wireless monitoring system based on ZigBee and GPRS network, introduces the systems overall design, detailed the hardware design o

7、f the system, the establishment of the network protocol and software implementation, through the actual running tests, the system is stable and reliable to work long hours, have a certain market value and good prospects for development.Finally, this paper makes prospects of domestic greenhouse devel

8、opment and application of wireless communication technology.Keywords: wireless communication technology, monitoring system for greenhouse, low-power technology, wireless sensor, ZigBee network目 录1 绪论11.1 课题目的及意义11.2 我国温室监控系统研究状况21.3 无线通信技术的发展状况32 无线通信技术及其在我国现代温室中的应用52.1 短距离传输技术52.1.1 蓝牙及其应用现状52.1.2

9、ZigBee及其应用现状62.1.3 Wi-Fi及应用现状72.1.4 RFID及应用现状72.1.5 IrDA及应用现状82.2 长距离传输技术82.2.1 GSM及其应用现状82.2.2 GPRS及其应用现状92.2.3 CDMA及其应用现状93 温室监测系统设计方案103.1 系统设计目标及技术指标103.1.1 系统功能特点103.1.2 技术指标103.1.3 节点硬件平台和软件系统113.2 系统整体结构123.3 方案描述及工作流程133.4 节点的硬件设计133.4.1 测量节点硬件设计153.4.2 控制节点的硬件设计153.4.3 汇聚节点的硬件设计163.5 TinyOS

10、操作系统的移植173.5.1 TinyOS简介173.5.2 TinyOS的移植173.6 节点的低功耗设计183.6.1 低功耗电源设计183.6.2 无线系统低能耗解决方案193.6.3 通信模块的低功耗设计193.7 节点的软件设计204 温室大棚无线监测系统的设计224.1 温室无线监测系统整体框架224.2 硬件实现224.2.1 无线采集节点硬件设计234.2.2 网关协调器设计234.3软件实现244.3.1 无线采集节点的程序244.3.2 网关协调器的程序254.3.2 监控中心254.4 实验测试255 存在的问题及发展方向275.1 存在的问题275.2 发展方向27总结

11、29致谢30参考文献31黄河科技学院毕业论文 第 33 页 1 绪论1.1 课题目的及意义我国是世界上设施栽培面积最大的国家，而且近几年来，国产连栋温室每年以新增100150公顷的面积快速发展1。引导温室用户根据作物的要求进行环境因子的调节以获得作物产量和品质的提高，是温室环境因子调控决策支持系统的主要目标和方向2。然而，目前的温室测控系统大多采用有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这不仅大大增加了电气工程施工费用，也导致施肥等工作困难。此外，系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力，维护工作量大，也不利于系统升级，且随着温室规模的日益扩大和温室环境监测数据传输距

12、离的增加，这些问题愈加明显。因此，为了实现温室农作物的优质、高产和高效，开发和研制一种新型的温室环境测控系统是十分必要的。为了克服有线控制的这些缺点，近几年来，无线技术在温室中的应用得到了人们极大的关注。现有资料表明，2003年，国内最早将无线通信技术应用于温室环境的监测和控制系统3，此后的几年内相关的研究都基本上处于探索阶段，且大多数局限于短距离的通信4-6。近三年来，越来越多的温室环境控制系统集成了各种先进的通信技术解决方案，建立了高效的管理系统，使得温室环境参数的远程监测和控制成为可能7-9。分析无线通信技术在现代温室中的应用情况和主要存在的问题对于推进我国的室温监测技术发展具有很大的现

13、实意义。随着我国农业现代化的高速发展，温室大棚的不断扩大，对温室农作物的质量和产量提出了越来越高的要求。而在农业生产中，有许多因素影响着农作物的生长和产量，比如，环境温度、湿度、CO2浓度、土壤PH值及光照强度等，然而由于温室大棚的分散性、区域化较强，给环境数据采集带来了很大的不便。因此，本文参考国内外已有的研究成果，分析了一套基于ZigBee和GPRS网络的温室大棚无线监测系统，满足了远距离条件下温室环境信息监测的需要，采用该套系统可以监测到温室内的各项环境参数，然后对农作物的生长进行动态分析，以便指导农业生产活动来提高农业产值10。从而实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制、改善温

14、室等设施内工作环境和工作条件、提高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，对实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义。1.2 我国温室监控系统研究状况我国是一个历史悠久的农业大国，早在两千多年前就有蔬菜、花卉的温室栽培。可见我国的温室产业源远流长。20世纪30年代，我国辽宁南部和北京地区就己经开始在冬季利用不进行人工加热的“日光温室”生产新鲜蔬菜。但限于当时的技术水平，严冬季节这种温室内的光、热环境只能维持耐寒性强的野菜类和葱蒜类蔬菜生长，而不能生产喜温的黄瓜、番茄等果菜。20世纪80年代中期，人们开始对原有的日光温室，如建筑结构、环境调控技术和栽培技术进行了全面

15、的改进，在完全不加热或仅有极少量加热的条件下，在严冬生产喜温果菜。其中辽宁省农民创建的海城日光温室和瓦房店日光温室是我国设施蔬菜栽培史上的重大突破，但产量相对较低。我国的温室栽培管理一直主要靠人工根据经验进行，直到20世纪70年代从国外引进了设施环境控制设备与手段都很先进的温室设施，一方面由于现代化温室在我国能源消耗太大，国情国力难以承受；另一方面，温室生产是一个复杂的过程，是硬件设施和软件技术的统一体，而我们缺乏相应的管理人才；再者，由于地域、水土、气候，乃至资源的差异，引进的国外系统并不完全适合于我国国情，引进的设备并没能充分发挥其作用，且成本高、维护困难，而且引进的国外系统一般都不具备数

16、据存储功能，无法与管理系统联系，以至于这些巨资引进的设施基本上亏损经营。上世纪80年代末90年代初，在引进、吸收、消化的基础上，我国有关科研、教学单位围绕着主要蔬菜的环境控制问题展开了试验研究，取得了一定成效。特别是“九五”期间，国家科技部提出的工厂化高效农业示范工程推动了我国温室监控技术的发展，生产出一批具有我国知识产权的控制系统。但总体来讲，我国设施农业中环境控制能力低，自动化程度十分落后，抵御自然灾害能力差。目前，我国温室自动控制研究有两个方向，一是由江苏理工大学李萍萍、毛罕平等人自行研制的智能环境控制系统，它采用工业控制计算机作为温室控制系统的核心，如图1.1所示。该系统为多变量输入输

17、出控制系统，通过传感器检测温室中各环境参数，得到模拟输出量，经相应变送器转变成数字信号，在自编软件支持下，经接口板采集数据，计算机进行处理分析将输入量与设定量比较后，输出开关量，通过驱动电路控制各执行机构11。二是由中国农业大学电子电力工程学院设计的华北型连栋温室自动控制系统，采用以单片机为主对温室环境进行自动监测与控制。单片机与计算机通过友好的人机接口界面观测与遥控温室内环境状况，系统可实现实时采集温室内、外温度、湿度、光照、土壤温度等环境参数值，并进行显示与存储。在温室因素控制方面，我国的温室监控系统还停留在单因子控制阶段。如范云翔等研制开发的智能喷水控制器，能根据环境的变化，自动调整喷水

18、量，吉林大学于海业等研究的温室环境自动监测系统，做到了温室内温度、湿度的自动检测，并建立了一个温室操作的专家系统，但没有定型产品，没有形成产业化机构。现在也有专家进行多因子综合因素的大系统控制研究，这将代表我国温室监控系统今后研究的方向12。传感器变送器I/O接口板驱动电路执行机构监控程序工业控制计算机数字量开关量图1.1 一种温室监控系统模型1.3 无线通信技术的发展状况无线通信技术由无线终端、无线基站、应用管理服务器三部分组成。如果按照传输距离可以将其分为基于IEEE802.11的无线局域网(WLAN)、基于IEEE802.1的无线城域网(WMAN)、基于IEEE802.20的无线广域网(

19、WWAN)、和基于IEEE802.15的无线个域网(WPAN)四种类型。无线通技术按照不同的要求可划分为不同的类型。例如可以按照移动性将其划分为固定接入式和移动接入式；按照带宽可以分为宽带和窄带两种无线接入；按照传输距离则又可以分为长距离无线接入和短距离无线接入等13。随着经济和社会的不断发展，人们要求信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式。无线通信也从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历了五个阶段：第一阶段为20年代初至50年代初，主要用于舰船及军用，采用短波频及电子管技术，至该阶段末期才出现150 MHz

20、VHF单工汽车公用移动电话系统 MTS。第二阶段为50年代到60年代，此时频段扩展至UHF450MHz，移动通信设备器件已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。第三阶段为70年代初至80年代初频段扩展至800 MHz，美国贝尔研究所提出了蜂窝系统概念并于70年代末进行了AMPS试验。第四阶段为80年代初至90年代末，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进。第五阶段为90年代末至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起并得到应用，从而加速推进了全球移动标准化工

21、作，使得样机研制和现场试验得到了蓬勃发展。科学技术发展日新月异，现代通信技术迅速向农业领域渗透。从比较成熟、应用广泛的有线通信方式，到近年迅速兴起的无线通信方式，现代化通信方式在各个领域都体现出其重要性。信息社会，人们对各种信息的获取方式、获取速度以及如何将获取的信息进行最快捷、安全、有效的传输等方面，展开了广泛深入的研究，各种新技术、新理论不断被应用于新的领域。温室作为农业生产中现代化程度较高的重要领域，随着技术发展对管理水平也提出了更高的要求。温室环境信息获取与传输技术以及在线监测需要运用适宜的现代通信手段来实现。按通信技术传输介质的不同可分为有线和无线两种方式。有线通信方式具有设备互操作

22、性强、系统可靠性高、抗干扰能力强等优点。而温室环境湿度高、酸性大、光照强会导致线缆的老化，降低系统的可靠性。此外传感器与执行机构数量多且分散，导致线缆纵横交错，作物变更时需重新布置，导致系统安装与维护成本增加。无线通信方式以组网灵活无需布线等优点在温室局域范围内采用，将各种检测装置、执行机构以及控制器连接起来，实现对温室环境等各项参数的自动检测和控制，应用在环境恶劣的条件下将是非常有意义的14。2 无线通信技术及其在我国现代温室中的应用无线通信常见形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信等。摆脱物理连接的束缚，不通过电缆实现设备间的互连和信息的传输，成为通信技术研究热点

23、，使得无线通信的需求越来越大，出现了许多无线通信协议。无线通信技术由近距离、点对点传输的红外技术，到短距离、点对多点个人局域网，如蓝牙和ZigBee，到中距离、多hop无线局域网，到长距离的便携式电话系统，如GSM/GPRS和CDMA等，不同种类的技术随着需求的不同而不断发展完善，形成了巨大的市场潜力14。根据通信距离，无线通信技术分为短距离无线通信技术和长距离无线通信技术15。2.1 短距离传输技术近年来，随着无线个域网(wireless personal area networks，简称WPAN)的升温，短距离无线数据业务迅速膨胀呈现巨大发展潜力。实现短距离无线通信的主要技术有蓝牙(Blu

24、etooth)、Wi-Fi(wireless fidelity)、红外线(IrDA)、ZigBee等16。2.1.1 蓝牙及其应用现状蓝牙技术诞生于1994年，Ericsson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；蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，是一种近距离无线通信标准，目的是取代数据电缆，实现电子设备之间低功耗、低成本、短距离的无线连接17。 该标准由爱立信、IBM、诺基亚、英特尔和东芝于1998年5月共同推出。蓝牙是一个开放性的、近距离无线通信技术标准，以低成本的近距离无线连接为基础，其标准版本是IEEE802.15.1，工作在全球通用的2

25、.4GHz ISM频段，有效范围大约在半径10m内，采用跳频扩频技术、时分复用多路访问技术和3种方式的差错控制技术。基于蓝牙技术的设备有主设备和从设备之分。主设备负责设定跳频序列，从设备必须与主设备保持同步。在组网方式上，通过主设备与从设备可以形成一点到多点的连接，即在主设备周围组成一个微网(Piconet)，网内任何从设备均可与主设备通信，但任何时刻一个主设备同时最多只能与网内的7个从设备进行通信。其优点是功耗低、实现简单；但蓝牙技术遭遇的最大障碍是过于昂贵，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。专家认为蓝牙的应用规模制约着蓝牙的发展18, 19。蓝

26、牙技术也同样引起农业领域的关注。杜辉等人在单栋温室中将蓝牙技术用于连接各种检测装置、执行机构以及控制器，各个温室之间采用CAN总线相连，构成一种分布式温室群的环境监控系统，实现了对温室环境参数的自动检测和控制管理6。2.1.2 ZigBee及其应用现状ZigBee(IEEE802.15.4)技术是一种近几年才兴起的短距离无线网络通信技术，采用跳频技术和扩频技术。其特点主要有：功耗低。传输电流最低可达30mA以下，采用休眠模式,发射功率仅为1mW，仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。成本低。ZigBee工作在免使用费的频段2.4GHz，芯片价格约1美元。近距离。传输范围一般

27、在10100m之间，在增加RF发射功率的情况下，相邻节点的距离可以达到13 km，再通过路由器间的通信接力，可以传输更远。网络容量大。一个ZigBee网络可以容纳最多254个节点，且一个区域内可以同时存在200多个ZigBee网络，从而满足了如温室中越来越多的传感器和执行器的应用需求。通信可靠。采用了碰撞避免机制，同时为要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。网络的自组织、自愈能力强。低时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。数

28、据安全。ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。ZigBee技术的局限性在于其数据传输速率低，在20250kb/s之间，不能满足实时或高速数据传输的要求14, 18, 19。近几年来，ZigBee技术在温室中的应用十分广泛。ZhangQian等人设计了基于ZigBee技术的温室无线监测和控制系统20，该系统已经平稳运行于浙江省丽水市农业科学研究院的现代温室中。孙学岩开发了一种基于ZigBee无线传感器网络的温室测控系统21，并在山东省寿光市蔬菜种植基地日光温室中进行了实验，测试系统中的中

29、心控制节点和传感器节点组成星形网络，系统测试数据传输准确、可靠，数据丢失率为0。陈克克等人设计了一种基于ZigBee协议的带扩展板的无线传感器节点，并在西北农林科技大学示范大棚进行了网络测试实验，系统采用树状拓扑结构，覆盖面积较大，当终端节点距离协调器较远时，通过多跳路由方式实现数据的传递22。ZigBee技术的应用，有效推动了温室产业发展。2.1.3 Wi-Fi及应用现状Wi-Fi（无线高保真）也是一种无线通信协议。IEEE802.11的最初规范是在1997年提出的。主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，工作频率2.4GHz。IEEE802.11流行几个版本包括“a”（

30、波段518GHz带宽为54Mb/s）、“b”（波段214GHz带宽为11Mb/s）、“g”（波段214GHz带宽为22Mb/s），规定了协议的物理(PHY)层和媒体接入控制(MAC)层，并依赖TCP/IP作为网络层。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。由于其优异的带宽是以大功耗为代价的，导致设备功耗非常高，一般只能坚持数小时，这一特点限制了它的推广应用。虽然随着带有网络接口的智能传感器不断出现，能够解决其开发难、复杂等问题，但会直接导致其成本的提高14。综合考虑Wi-Fi的优劣性，认为其目前不适合在温室中广泛应用。2.1.4 RFID及应用现状RFID（射频识别）是一种非接触式的自动

31、识别技术23。最基本的RFID系统由标签(Tag)、阅读器(Reader)和天线(Antenna)三部分组成，在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持18。通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，结合有效的数据库系统及网络体系，可以实现全球范围内物品的跟踪与信息共享。和传统的条形码技术相比，RFID技术具有识别工作无须人工干预、批量远距离读取、对环境要求低、使用寿命长、数据可加密、存储信息可更改等优点。RFID技术已经成功的应用于动物养殖的溯源系统中，为食品安全以及物流系统提供了现代化的手段。但是尚未见在温室生产中应用。依据畜禽舍养殖中对猪、牛、鸡等饲养时采取的在耳朵上加电子标签的实例，可以

32、将该方式应用于温室蔬菜、果品栽培中。将作物生长条件相似的小块区域标记电子标签，在使用机器人进行精确灌溉、果实成熟度判断中将极大提高判断精度，提高工作效率。“十一五”期间，国家863计划拨专款一亿两千八百万元支持RFID项目，将食品溯源系统一直延续到作物生长过程14。2.1.5 IrDA及应用现状 IrDA（红外线数据协会）标准是利用红外线进行点对点通信的技术24。IrDA无线设备传输速率已逐步发展到4Mb/s、16Mb/s。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如PDA、手机）上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低廉的特点。IrDA用于网络上的

33、最大问题在于只能在2台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题。杜松怀等人将红外通信技术应用于动物身份识别系统25，依据此思想也可将其用于温室作物的识别、监测系统中。与RFID技术相比，“红外编码通信”技术具有以下优点：抗噪声能力强，发送、接收之间完全电气隔离，信号传输过程不存在频率资源分配及电磁兼容问题，红外信号很难窃取；但同时也存在某些问题，譬如，有源供电模式影响应答器的使用寿命且会增加产品重量，另外红外设备只能用于生产现场的信息传输，但不能满足目前对产品生产、加工和销售全程信息跟踪，不具备后续过程的延续性。2.2 长距离传输技术短距离传输方式适合于小范围的数据传输与局域网的组建。而对于远程

34、的数据交换、在线监测就必须使用长距离通信方式。常见的长距离通信方式有GSM、GPRS、CDMA三种方式。具体系统中要选择哪种通信方式取决于用户的实际需要，包括对实时性的要求、终端的数量、通信频繁程度而定。2.2.1 GSM及其应用现状GSM是当前应用十分广泛的移动电话标准。其系统包括GSM 900 MHz，GSM 1800 MHz及GSM 1900 MHz等几个频段。GSM无线移动网络覆盖范围广，技术成熟，保密性好，数据传输不受距离的限制。短消息业务(short message service，SMS)是GSM网络的基本业务，利用无线控制信道进行传输，性能稳定28。GSM在温室数据远程传输中的

35、应用也较普遍。如孙玉梅等人研制了GSM手持仪，通过该仪器将传感器所测得的温室参数以短消息形式传送给管理人员，实现了对温室的实时控制等功能26。卫勇等人设计了基于GSM短信模块的温室环境远程监测系统。实验证明，SMS对于少量数据的远距离传输是一种经济有效的方法27。 2.2.2 GPRS及其应用现状GPRS是“通用分组无线服务”的英文简称，GPRS目前是作为现有GSM网络系统(2G)向第三代移动通信(3G)演变的过渡技术，属于2.5G移动通信技术，它在许多方面具有显著优势：覆盖面广、接入范围大、运行成本较低、传输速率高、接入等待时间短、实时在线、收费合理等，非常适用于间歇、突发、频繁、小流量的数

36、据传输，同时对偶有大流量数据传输也能承受，但依赖于通信网络覆盖的地域范围。在温室环境远程监测或监控系统中，GPRS具有较大的应用优势。如袁洪波等人设计了基于单片机、传感器、控制器、GPRS模块和检测服务器的农业温室环境检测系统28。苗连强等人和韩华峰等人开发了基于ZigBee协议的传感器节点技术并组成现场监控无线网络，通过网络汇聚节点与GPRS和Internet的无缝连接实现了温室数据的远程传输8, 9。其中韩华峰等人设计的系统在天津的宝坻、静海、宁河、北京等地温室安装并运行，系统在简化设备安装布线、提高系统移动性和便捷性等方面效果十分显著。在3G技术尚未成熟阶段，GPRS作为过渡技术在未来几

37、年内，在农业生产和温室生产中仍存在一定的发展空间。2.2.3 CDMA及其应用现状CDMA是基于码分多址技术的数字移动电话系统。与时分多路的GSM技术不同，CDMA并不给每一个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个通信都使用全部的频率，使大量用户能够共享同一个无线频率。CDMA系统为每个用户分配各自特定的地址码，彼此之间互相独立、互相不影响，对频率、时间和空间没有特定的限制，利用公共信道来传输信息。CDMA优点是：系统容量大、建网成本低、网络覆盖范围广、系统容量配置灵活、发射功耗小，无线辐射能量低，传输带宽大，传输速度快。其缺点是依赖于通信网络覆盖的地域范围。CDMA技术目前在我国该项技术还不

38、十分成熟，处于发展阶段，在温室中还很少使用，但其具有3G的优势，在图像传输以及实时性方面远远高于GSM和GPRS，随着3G技术的逐步成熟和普及推广，CDMA的运行成本会迅速下降，覆盖面会包容现在的2G网络，并最终被广大的农业生产者所接受，因而具有很好的应用前景。3 温室监测系统设计方案为了解决温室测控系统中存在的有线布网、人工测量等问题，将无线传感器网络技术应用到室温监测系统中，实现现代化温室的网络信息化管理，对提升温室等设施农业生产水平具有重要意义。无线技术在农业中的应用有很多，本章就以温室环境应用为例，介绍了无线技术应用于温室环境监测系统的总体设计方案，可以解决目前远程监控中存在的成本、数

39、量、通信方面存在的诸多问题，实现了远程监测农作物生长的环境信息。3.1 系统设计目标及技术指标3.1.1 系统功能特点温室无线传感器网络监测系统的应用的目的是实现温室环境温湿度信息采集自动部署、自组织传输和智能控制。根据温室生产的特点，构建无线传感器网络应用系统时，从用户角度考虑，系统需要具有如下功能：(1)需要满足常规数据采集系统的要求，应具有及时、准确等功能，方便用户实时查询获知温室内的农作物生长环境；(2)无线传感器节点适应露天环境长期工作；(3)扩展性好：由于农作物环境各不相同，所以远程监控网络监测的环境参数也各不相同，传感器的类型也需根据实际需要而定，因此节点的传感器接口需灵活设定；

40、(4)软件多样化、人性化：功能设计上，既考虑信号的采集、监控，又要考虑信息管理、综合分析，因此需要多样化的软件以适应系统的需求。同时，软件要界面美观、易于使用；(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。3.1.2 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自组织搭建无线网络，并向管理和基础服务层提供服务支持；(2)通信频段：2.42.4835 GHz；(3)采用通信协议标准：ZigBee/IEEE 802.15.4协议标准；(4)节点可靠通信范围：50m100m；(5)传感器精度：温度：0.3

41、(25时)，湿度：2.0%RH(2080%RH)；(6)电源管理：传感器节点使用2节干电池，至少能使用半年以上。3.1.3 节点硬件平台和软件系统根据温室规模的大小和信息是否需要远程传输，国内现代温室监测系统的方案主要可分为两种，分别如图3.1和图3.2所示。传感器模块执行机构微处理器模块(从机)射频收发模块监控中心微处理器模块（主机）射频收发模块无线通信图3.1 温室监测系统方案一图3.1代表的通常是小规模且不需要数据远程传输的现代温室监测系统的主要架构方案，其虚线框内的模块组合为一个无线传感器节点，负责温室环境参数的采集、处理和无线发送。图中主机可外接显示电路、键盘和存储器等，监控中心（如

42、PC机、工控机等）主要用于数据的存储和监控。无线传感器节点路由节点汇聚节点网关节点GPRS或GSM网络Internet远程数据监测中心图3.2 温室监测系统方案二图3.2代表的通常是温室规模较大且需要数据远程传输的现代温室监控系统的主要架构方案。该方案在硬件设计上，汇聚节点和GPRS/GSM模块既可嵌入到网关节点中，也可以独立设计。网关节点作为信息集中处理和无线传感器网络的本地化管理平台，通常选择处理速度快、信息管理功能较强和外围接口资源丰富的ARM系列的微处理器。在以上两种方案中，用于数据采集的无线传感器节点是一个十分重要的基本组成单元，本文在节点硬件设计上采用第二种方案，其在硬件平台设计上

43、多重点考虑低成本、低功耗、稳定性好、可靠性高与小体积等因素，且必须容易布建，甚至具备可编程、可动态配置等特性。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。3.2 系统整体结构温室环境监控系统整体结构框图如图3.3所示，网络中采用传感器测量节点和具有简单执行控制功能的控制节点构成无线传

44、感器网络。测量节点用来测量空气温度、湿度、光照强度等重要环境数据，控制节点(能对调温、调湿等设备进行相关控制)用来接收计算机传来的远程控制信息，以便对温室环境参数进行适当调控。测量节点采集的数据沿温室区控制节点测量节点计算机控制中心汇聚节点汇聚节点Internet图3.3温室环境监控系统框图着其他测量节点通过多跳的方式进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个测量节点处理，信息经由多跳路由后到达汇聚节点，汇聚节点将接收到的数据直接上传到计算机，所有数据都由计算机进行复杂的数字信号处理，并通过数据库对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据等信息。最后这些数据还可以通过Internet

45、与远程控制中心进行交互，从而实现温室环境的远程监控29。3.3 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，网络中通过采用经过多个节点转发来实现信息的传递。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CO2浓度等数据，以便知道温室中的环境状况，同时将生物信息获取方法应用于传感器节点，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

46、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30。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

47、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开始采集外界环境信息。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阈值，若采集的数据值超过该范围，服务器终端示警，则根据相应信息自动启动温室内设备装置进行环境调节。3.4 节点的硬件设计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。传感器网络节点由传感器测量节点、控制节点和汇聚节点组成。测量节点负责采集周围环境信息，采集的环境信息经多跳路由后到达汇聚节点，最终通过Internet到达控制中心。控制节点用来接收计算机传来的远程控制信息，对温室环境参数进行调

48、控。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，进行了温室无线传感器节点的硬件设计。其中硬件主要由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块（即射频收发模块）和电源模块组成。1、传感器模块由不同类型的传感芯片组成，具有对温度、湿度和光照强度的感知能力。国内现代温室中最常用的传感器类型有温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器和CO2传感器。此外，还有土壤温度传感器、土壤湿度（或水分）传感器、土壤pH值传感器、NH3传感器等。这些传感器通常为数字型，具有精度高、功耗低、可靠性高等特点。在传感器节点的设计上，可根据传感器的价格和使用频率情况，将电路板设计为主板和扩展板31，把

49、常用的传感器装在主板上，把价格较高或使用较少的传感器装在扩展板上，使电路的设计更加合理、灵活。在常用的传感器中，典型代表有瑞士SENSIRION公司生产的、高度集成的温湿度传感器SHT1X和SHT7X系列传感器，提供全量程标定的数字量输出，如SHT10，SHT11，SHT71等；光照强度传感器有TSL2550，TSL2560等；CO2传感器如B530等。2、无线微控制器模块无线微控制器从结构上包括微处理器和射频收发器两部分。在国内的温室环境监测系统中，无线微控制器有2种形式，一种是独立的微处理器芯片和独立的射频收发器组合使用的情况，如AT89系列单片机与蓝牙模块7708组合、与射频芯片nRF9

50、05组合、与低功率无线收发器CC2420组合等，高速低功耗单片机MSP430与CC2420组合、Atmega系列单片机与CC2420组合、与nRF24L01+组合等。另一种是将微处理器芯片和射频收发器集成在一起使用的情况，如近几年使用较多的符合2.4G IEEE802.15.4标准的射频收发器CC2430，JN5139，JN5121，以及工作于433/868/915MHz频段的射频SoC芯片nRF9E5等，前者在温室环境参数远程监测系统中应用较多8, 32，后者比较适合于温室小范围内的数据采集5,33。相比于微处理器芯片和射频收发器组合使用的情况，集成的无线微控制器具有使用更加灵活方便、功耗更

51、低等特点。此外，CC2430是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee协议，具有CC2420 RF接收器以及增强性能的8051 MCU、8KB RAM等，其增强的8051 MCU核的性能是工业标准8051核性能的8倍。3、电源模块考虑到应用中传感器节点的随意摆放，不能选用固定电源供电。因此，电源系统采用外接2节干电池供电，为保证两个电源之间相互没有干扰，传感器节点在电池输入的前端增加一个手动开关，在使用外部供电的时候关闭电池开关30。此外，电池供电的传感器节点的电压转换是必不可少的，而且电压转换模块无时无

52、刻不在工作。为了使DC/DC转换器上消耗的能量尽可能小，并且能保证电池电压降到相当低的程度时系统仍然可以继续工作，应选择一款超低功耗、超低电压输入的DC/DC转换器31。T1公司生产的TPS61200型号在输入电压范围以及功耗上都很符合要求，其主要性能指标如下：转换效率高达90%；自动切换升压/降压模式；器件静态电流小于55A；电压输入范围为0.3-5.5V；电压输出范围为1.8-5.5 V，可调；输出短路保护；过热保护；具有省电模式。3.4.1 测量节点硬件设计传感器测量节点由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块（即射频收发模块）和电源模块组成。其硬件结构框图如图3.4所示（以CC2430

53、为例），其中，LED灯用于显示传感器节点的运行状态。LEDCC2430电 源传感器图3.4 测量节点硬件结构框图3.4.2 控制节点的硬件设计控制节点由驱动器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块组成。驱动器模块能对调温、调湿等设备进行相关控制，其硬件结构框图如图3.5所示。LEDCC2430电 源驱动器图3.5 控制节点硬件结构框图3.4.3 汇聚节点的硬件设计汇聚节点由微处理器模块、无线通信模块、存储器模块、以太网接口模块、串行接口模块和电源模块组成。其硬件结构框图如图3.6所示。 电 源CC2430LED存储器COM接口以太网接口图3.6 汇聚节点硬件结构框图(1)存储器模块可由1片

54、Atmel公司出品的AT45DB04组成，直接接入CC2430 SPI输入端。该芯片集成2046页264 B Flash存储单元，用于存储传感器重要历史数据。(2)为提供以太网的接入通道，在该设计中，使用DM9161作为以太网的物理层接口。DM9161是一款低功耗、高性能的CMOS芯片，支持10MB/s和100MB/s的以太网传输，它起编码、译码、输入和输出数据的作用，这样就可以将汇聚节点轻松连接到因特网，以便于实现远程控制。(3)串行接口模块由1片低功耗MAX3232和COM母口组成。CC2430串口端接入MAX3232进行电平转换，通过COM口与计算机进行通信。(4)由于汇聚节点需要融合处

55、理所有采集节点采集的数据，且需要将数据经过较远的距离传输到计算机，因而能量消耗较大，因此其电源采用从市电转换后介入的方式供电。(5)LED灯用于显示汇聚节点的运行状态29。3.5 TinyOS操作系统的移植嵌入式操作系统能够简化嵌入式系统的开发，确保程序运行的稳定性和可靠性，便于程序的维护和更新，但是由于无线传感器网络节点是一个小型嵌入式系统，其硬件资源非常有限，需要高效利用其有限的内存、处理器和通信模块，并且最大限度地减少系统能耗，延长节点的使用寿命，因此传统的嵌入式操作系统不能满足其要求。基于此，本文移植了针对无线传感器网络特点而开发的操作系统TinyOS。3.5.1 TinyOS简介Ti

56、nyOS是加州大学伯克利分校开发的一种典型的无线传感器网络操作系统，通过nesC语言可以开发基于TinyOS的应用程序。TinyOS设计的目标就是代码量小、耗能低、并发性高、鲁棒性好，可以适应不同的应用，采用轻量级线程技术，事件驱动模式，组件化编程等，从而使其成为面向无线传感器网络的操作系统。TinyOS提供了Main配件，以及针对某些硬件的感知组件、执行组件、通信组件和硬件抽象组件。在这些组件的基础上，用户可定制开发应用组件，然后将所有组件连接起来，就构成了整个应用程序29。3.5.2 TinyOS的移植TinyOS操作系统有很多版本，要移植的是TinyOS 2.0版本，采用的编译器是Kei

57、l。TinyOS 2.0必须在Linux平台下才能工作，而Keil则是一个Windows下的软件，因此，要安装一个在Windows平台上运行的模拟linux开发环境的软件Cygwin。下面具体介绍移植步骤29：(1)安装SmartRF04 Flash Programmer、Keil、Java 1.5 JDK、Cygwin软件；(2)下载TinyOS开发必备的编译工具的安装包；(3)启动Cygwin，并在Cygwin下安装下载好的编译工具安装包；(4)安装TinyOS 2.0。将下载好的TinyOS 2.0的安装包解压缩，将解压好的tinyos-2.0-contrib文件夹拷贝到Cygwinop

58、t目录下，此时已经搭建好了TinyOS的开发环境。所有的例子都在tinyos-2.0-contrib/diku/common/apps/下面。以BlinkNoTimerTask为例，在Cygwin下面输入：cd/diku/common/apps/BlinkNoTimerTask，然后回车输入：make cc2430em，如果顺利的话，TinyOS将被编译生成app.hex文件，只要把这个文件烧录进单片机就可以了。(5)烧录插好仿真器，打开SmartRF04 Flash Programmer软件，在System-on-Chip选项卡下选择app.hex文件，然后选择“Perform action

59、s”就可以顺序烧写了，烧写成功后，TinyOS就成功移植到CC2430上了。3.6 节点的低功耗设计在低功耗设计上，陈德海等人为了提高温室环境参数的监测效果，采用射频SoC芯片nRF9E5、数字温湿度传感器SHT11及光强度传感器TSL2560D，设计了无线温湿度及光照度监控系统的测量节点，并根据无线通信系统的特点设计了系统的软硬件结构，其低功耗无线传输模式降低了节点的能耗。经调试和试验运行，系统具有可靠性高、使用方便、通信节点容量易扩展等优点，这对较大空间的温湿度及光照度的监控具有良好的应用价值31。李银华等人针对现有温室环境监测系统中传感器位置放置不灵活、走线多、监测效率低等问题，采用Zi

60、gBee技术，利用Mesh网状拓扑结构和2.4GHz的射频收发无线模块，设计了基于无线传感器网络的多温室环境监测系统架构。给出了单个温室环境监测的软硬件方案，并对监测系统的功耗进行了探讨，实现了传感器的灵活布置，提高了温室微环境因子的实时监测能力。实验结果表明，该系统性能稳定、结构简单、易于扩展，具有广泛的应用前景34。由于网络中的节点数量众多、分布广泛，而且需要长期工作在无人值守的状态，因此，对其频繁更换电池是不现实的。为了增加系统的稳定工作时间，必须尽量降低节点的功耗，延长节点的电池寿命。3.6.1 低功耗电源设计为了保证当电池电压降低时仍能为系统提供能量，采用宽范围输入电压的TPS612

61、00电源管理芯片，其输入电压可低至0.3V，从而能更合理有效地利用电池。通常有的节点提供电池状态检测功能，但本文的节点在工作时通过多跳通信将数据传至终端，节点不需要存储数据，故不需要额外的电池状态检测电路，这可以进一步降低能耗。其还有类似的如当节点不需要通信时就切断电源或让节点进入睡眠状态等方法。3.6.2 无线系统低能耗解决方案无线系统低能耗解决方案主要有以下几种方式：(1)无线通信能耗控制方面：采用低功耗协议Em-MAC协议、节能路由算法，在此基础上，通过减少通信流量，包括本地计算、数据融合和减少碰撞等策略来节能。(2)采用短距离多跳数传输：由于无线信号在空气中的传播是与通信距离呈指数关系

62、衰减的，所以，节点的通信距离直接影响了无线通信模块的发射功率，进而引出功耗的问题，因此，节点间通信距离也是限制无线传感器网络在温室应用中发展的重要原因。(3)无线系统待机模式：待机模式可以将系统平均电流消耗降到很小，在没有数据收/发时，可以保证快速进入ShockBurstRX和ShockBurstTX模式。在待机模式下，晶振正常工作，并且配置字的内容保持不变。(4)调节输出功率：无线微控制器芯片（CC2430）的功率放大器可以通过寄存器配置成四种不同的输出功率，因此，通过降低输出功率，可以降低总的发送功率。(5)低功耗接收模式：因测量节点采用短距离多跳数传输，故CC2430灵敏度不需要很高，为了使电池的使用寿命最大，CC2430提供一种低功耗模式。在这种模式下，接收电流从12.5mA降低到10.5mA，灵敏度也降低到-85dBm10dB。3.6.3 通信模块的低功耗设计在基于无线传感器网络的温室监测系统中，射频部分占用了功率消耗的绝大部分，因此，对射频模块的能耗管理就显得尤为重要37。系统主要采取以下措施来减少通信模块的能量消耗。(1)通信流量的减少通过减少通信模块发送和接收的比特数来降低通信模块的能耗37。减少通信流量的方法有以下几种：本地计算和数据融合，对传感器节点采集的原