基于WSN的溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 PAGE12 / NUMPAGES12基于WSN的溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：介紹了基于WSN的傳感器節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍O(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚溫濕度的實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)與時(shí)間同步問(wèn)題，并且應(yīng)用移動(dòng)平滑濾波算法對(duì)溫濕度值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確度。該系統(tǒng)解決了溫室的復(fù)雜布線問(wèn)題，具有成本低、可靠性高、精確度高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)平滑濾波算法；溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)0引言溫室農(nóng)業(yè)隨著大中城市對(duì)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(yù)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(shí)時(shí)性和有效性；采用有線數(shù)據(jù)采集的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受地理位置、物理線路和復(fù)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(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用，為此采用新興的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，以與國(guó)家對(duì)三農(nóng)的的高度重視，特別是國(guó)家2012農(nóng)業(yè)國(guó)家一號(hào)文件頒發(fā)后。國(guó)家科技園、各大農(nóng)業(yè)園區(qū)、農(nóng)場(chǎng)等農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)裝備、新型肥藥、疫病防控、加工貯運(yùn)、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(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。 托普儀器和大學(xué)合作積極響應(yīng)科技興農(nóng)政策突出農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新重點(diǎn)，研發(fā)出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)通過(guò)通過(guò)射頻識(shí)別（rfid）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備等新型技術(shù)將農(nóng)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)提大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率和精細(xì)管理，避免了“瘦肉精”、 “毒辣椒粉”、“紅心鴨蛋”等問(wèn)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(guó)多家科技園、示園區(qū)、農(nóng)場(chǎng)、科研所、院校等區(qū)域成功運(yùn)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(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施將大大

4、提高國(guó)家推進(jìn)科技創(chuàng)新增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品的步伐。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將開(kāi)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(gè)層次：感知層：采用各種傳感器（如溫濕度、光照、CO2、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、土壤溫濕度等）獲取植物的各類(lèi)信息。傳輸層：信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和信息路由設(shè)備傳到控制中心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自由配對(duì)、任意監(jiān)控、互不干擾。應(yīng)用層：根據(jù)WSN獲取植物實(shí)時(shí)生長(zhǎng)環(huán)境。圖溫濕度、光照參數(shù)等，收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)和管理實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試點(diǎn)的信息動(dòng)態(tài)顯示，并根據(jù)各類(lèi)信息進(jìn)行自動(dòng)灌溉、施肥、噴藥、降溫補(bǔ)光等控制、對(duì)異常信息進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。加裝攝像頭可以對(duì)每個(gè)大棚和整個(gè)園區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。1 WSN簡(jiǎn)介一個(gè)典型的無(wú)線傳

5、感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)結(jié)構(gòu)，包括傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor Node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(SinkNode)和管理節(jié)點(diǎn)(Management Node)。有時(shí)候?yàn)榱送ㄓ嵕嚯x的需要，網(wǎng)絡(luò)中可以存在一定數(shù)量的中繼節(jié)點(diǎn)(Relay Node)。大量的Sensor Node隨機(jī)部署在檢測(cè)區(qū)域，這種具有無(wú)線通信與數(shù)據(jù)處理能力的微小的Sensor Node通過(guò)自組網(wǎng)方式，構(gòu)成自主完成指定任務(wù)的分布式智能化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并以協(xié)作的方式實(shí)現(xiàn)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的環(huán)境參數(shù)信息，最后通過(guò)多跳的方式將Sensor Node檢測(cè)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(guò)Management Node對(duì)WSN進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)和收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)口。2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)基于WSN的溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由WSN和監(jiān)控主機(jī)組成。監(jiān)控主機(jī)為一臺(tái)PC機(jī)，用來(lái)顯示、存儲(chǔ)與處理環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，對(duì)WSN發(fā)送采集命令等。WSN則負(fù)責(zé)采集網(wǎng)絡(luò)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(gè)典型的基于WSN的溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。Sink Node負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建并對(duì)其管理和維護(hù)，包括對(duì)新加入的Sensor Node分配網(wǎng)絡(luò)地址，節(jié)點(diǎn)的加入和離開(kāi)，網(wǎng)絡(luò)的安全密鑰的分

7、發(fā)更新等，并且將匯聚的各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳給監(jiān)控主機(jī)。當(dāng)監(jiān)控主機(jī)不便于長(zhǎng)期在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可通過(guò)GPRS接入Intemet網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳給監(jiān)控主機(jī)或者將監(jiān)控主機(jī)的命令在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；SensorNode主要用來(lái)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(jī)。31傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(wù)的對(duì)象。因此，對(duì)于每個(gè)Sensor Node，除了應(yīng)具有采集、處理數(shù)據(jù)功能外，還應(yīng)具有無(wú)線通信的功能。因此，其硬件部分主要由微處理器模塊、無(wú)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(shí)：27 mA，發(fā)送時(shí)：25 mA)6-7。射頻模塊使用單極天線，具備14波長(zhǎng)(A4)的單極天線，長(zhǎng)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(cè)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(jī)相連，減少了外部硬件電路，具有低成本、測(cè)溫精度高和控制性能良好等特點(diǎn)。但是濕敏電阻GYHR006卻需要頻率為502000 l-lz的交流電來(lái)供電，可以通過(guò)軟件控制單片機(jī)IO口的高低電平不斷變化從而產(chǎn)生交流電，然后通過(guò)電阻分壓得到電壓值，并將其送入ADC轉(zhuǎn)換口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。兩傳感器均掛接于Sensor Node，按照監(jiān)控主機(jī)設(shè)定好的采樣頻率進(jìn)行溫濕度采集并發(fā)送。4軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為IAR73B，通信協(xié)議棧采用ZStackl43110，為簡(jiǎn)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(cè)系統(tǒng)的軟件主流程見(jiàn)圖3。首先，Sink

10、Node發(fā)起網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，等待Sensor Node的加入。Sensor Node查詢已有網(wǎng)絡(luò)并申請(qǐng)加入Sink Node所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，若加入成功，Sensor Node則經(jīng)Sink Node向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)包，監(jiān)控主機(jī)收到該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)包后經(jīng)Sink Node向Sensor Node發(fā)送校時(shí)和定時(shí)指令。對(duì)于Sensor Node而言，在收到Sink Node發(fā)送來(lái)的校時(shí)和定時(shí)指令后，首先進(jìn)行一次溫濕度數(shù)據(jù)的采集與處理，具體過(guò)程如圖4所示。圖4中的傳感器數(shù)據(jù)采集與處理機(jī)制充分利用時(shí)間間隙進(jìn)行能量的低功耗調(diào)度。如果定時(shí)時(shí)間到達(dá)，節(jié)點(diǎn)在外部中斷下喚醒，首先監(jiān)測(cè)自身是否還在網(wǎng)絡(luò)中，若監(jiān)測(cè)到網(wǎng)

11、絡(luò)的存在，則經(jīng)Sink Node向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)包，之后的流程如前所述監(jiān)控主機(jī)向下通訊的過(guò)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(duì)策，即Sensor Node加入網(wǎng)絡(luò)未成功或者未與時(shí)接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的校時(shí)與下次喚醒時(shí)間的指令。Sensor Node會(huì)根據(jù)通訊正常時(shí)的采樣頻率自動(dòng)設(shè)置Sensor Node的下次喚醒時(shí)間，從一定程度上增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的魯棒性。5時(shí)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(shí)鐘，而分布式系統(tǒng)的協(xié)同工作需要Sensor Node間的時(shí)間同步，因此時(shí)間同步機(jī)制是分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)和框架的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。在該溫室大

12、棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，Sensor Node均外接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DSl305，在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，Sink Node會(huì)立刻接收監(jiān)控主機(jī)發(fā)來(lái)的時(shí)間同步指令，然后將該信息廣播給網(wǎng)絡(luò)中的Sensor Node，Sensor Node會(huì)通過(guò)這一指令信息完成本地時(shí)鐘初始化。待所有的Sensor Node時(shí)鐘同步初始化之后，設(shè)定DSl305的下次喚醒時(shí)間，定時(shí)時(shí)間到則DSl305輸出中斷信號(hào)，將Sensor Node喚醒，響應(yīng)上位機(jī)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(zhǎng)時(shí)間休眠，等待下一次DSl305的中斷喚醒信號(hào)。每次喚醒時(shí)，節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)序如圖5所示。在該溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中

13、，可以在每天固定的時(shí)刻(比如晚上0點(diǎn))喚醒網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，Sink Node會(huì)發(fā)送時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)，各Sensor Node收到校準(zhǔn)信號(hào)，重新初始化本地時(shí)鐘，從而完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間重新校準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。6監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)監(jiān)控中心控制軟件以LabwindowsCVl工具作為開(kāi)發(fā)環(huán)境一，分為用戶界面模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、通信模塊3大模塊。其中用戶界面可以實(shí)時(shí)顯示溫室大棚的溫濕度參數(shù)、超限報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)的記錄和分析與報(bào)表的打印輸出、傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建以與對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫(xiě)操作、查詢等訪問(wèn)操作；通信模塊可以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行GPRS通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，以與將數(shù)據(jù)I

14、ntemet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享。監(jiān)控主界面如圖6所示。該上位機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于自主開(kāi)發(fā)了WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上位機(jī)顯示界面，可以實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與各節(jié)點(diǎn)的溫濕度值、電池電量等節(jié)點(diǎn)信息，方便、直觀、可視性強(qiáng)，而且具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。7結(jié)果測(cè)試與數(shù)據(jù)處理針對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)的通訊性能進(jìn)行了測(cè)試，采用3dbi的單級(jí)天線在廣場(chǎng)和樓道進(jìn)行_測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。顯然無(wú)論是在窄曠的廣場(chǎng)還是狹窄的樓道，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳輸能力應(yīng)用在溫室大棚有限的相對(duì)有限的空間是足夠的。此外，溫濕度傳感器工作時(shí)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(cè)系統(tǒng)中添加對(duì)數(shù)據(jù)的平滑

15、性處理，即對(duì)輸入或輸出數(shù)據(jù)序列的平均化，以壓縮隨機(jī)干擾，減少統(tǒng)計(jì)誤差，提高信噪比，從而改善檢測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，提高測(cè)量處理準(zhǔn)確度。為此采用了移動(dòng)平滑法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其數(shù)學(xué)表達(dá)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(duì)較高，但是濕敏電阻的精度僅在5左右，故這里僅針對(duì)監(jiān)測(cè)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(duì)采集到的原始濕度值分別做了三點(diǎn)與五點(diǎn)平滑處理。由圖9可以得出，未對(duì)采集到的濕度數(shù)據(jù)處理前，其上下波動(dòng)在5左右，然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑化處理，并且隨著取樣點(diǎn)數(shù)的增加，信號(hào)的噪聲衰減率將增大，同時(shí)該濾波方法濾出高頻噪聲的能力將進(jìn)一步提升，但帶來(lái)的負(fù)面影響是增加了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間。由于WSN的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)就在于節(jié)點(diǎn)的低功耗，所以這就存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題，在追求采集數(shù)據(jù)精確度的同時(shí)還要考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗問(wèn)題，所以最終選擇哪一層次的移動(dòng)平滑濾波算法可由需要來(lái)定，針對(duì)表2中的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以允許3一4的誤差波動(dòng)存在，那么只需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三點(diǎn)平滑處理即可滿足要求，相比之下如果允許誤差波動(dòng)在2或者更小時(shí)，那么數(shù)據(jù)處理程序則至少需要五點(diǎn)曲線平滑處理。同時(shí)，從微處理器在數(shù)據(jù)計(jì)算處理方面的局限性以與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的低