1、 PAGE12 / NUMPAGES12基于WSN的溫室大棚監測系統的設計摘要：介紹了基于WSN的傳感器節點自組網、數據采集與數據傳輸等設計方法，實現了溫室大棚溫濕度的實時采集、數據處理與傳送。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字濾波處理，提高了檢測數據的精確度。該系統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、實用性強等優點。關鍵詞：無線傳感器網絡；移動平滑濾波算法；溫室大棚監測系統0引言溫室農業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展。現有的溫室數據采集系統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據的實時性和有效性；采用有線數據采集的監測系統受地理位置、物理線路和復雜環境因素的影響具有明顯的局限性。溫室大棚的環境溫濕度參數對農作物的生長起著至關重要的作用，為此采用新興的無線傳感器網絡技術結合先進的計算機技術、微處理器控制技術和智能傳感數據采集技術設計了農業溫室大棚溫濕度監測系統。隨著農業科技的發展，以與國家對三農的的高度重視，特別是國家2012農業國家一號文件頒發后。國家科技園、各大農業園區、農場等農業機構企業積極尋求在良種培育、節本降耗、節水灌溉、農機裝備、新型肥藥、疫病防控、加工貯運、循環農業、海洋農業、農村民生等方面的高新技術，力求突破

3、現存的農業技術瓶頸，真正實現現代化農業。 托普儀器和大學合作積極響應科技興農政策突出農業科技創新重點，研發出農業物聯網智能控制系統通過通過射頻識別（rfid）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備等新型技術將農業和互聯網連接起來提大大提高了農業生產的工作效率和精細管理，避免了“瘦肉精”、 “毒辣椒粉”、“紅心鴨蛋”等問題的再次發生，保證了食品的安全和產量。目前此物聯系統已在全國多家科技園、示園區、農場、科研所、院校等區域成功運行，技術穩定成熟，功能齊全。為在農業種植業、畜牧養殖業等領域的生產關鍵環節建立智能化控制、信息化管理的現代農業項目提供了強有力的技術支持。物聯網的實施將大大

4、提高國家推進科技創新增強農產品的步伐。農業物聯網將開啟農業生產騰飛的新篇章。 托普農業物聯網系統主要包括三個層次：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：信息通過無線網絡傳輸系統和信息路由設備傳到控制中心，各個節點可以自由配對、任意監控、互不干擾。應用層：根據WSN獲取植物實時生長環境。圖溫濕度、光照參數等，收集各個節點的數據，進行存儲和管理實現整個測試點的信息動態顯示，并根據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進行實時監控。1 WSN簡介一個典型的無線傳

5、感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)結構，包括傳感器節點(Sensor Node)、匯聚節點(SinkNode)和管理節點(Management Node)。有時候為了通訊距離的需要，網絡中可以存在一定數量的中繼節點(Relay Node)。大量的Sensor Node隨機部署在檢測區域，這種具有無線通信與數據處理能力的微小的Sensor Node通過自組網方式，構成自主完成指定任務的分布式智能化監測網絡，并以協作的方式實現感知、采集和處理網絡覆蓋區域中的環境參數信息，最后通過多跳的方式將Sensor Node檢測到的數據經由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，發布監測任務和收集監測數據口。2監測系統體系結構基于WSN的溫室大棚溫濕度監測系統由WSN和監控主機組成。監控主機為一臺PC機，用來顯示、存儲與處理環境溫濕度數據，對WSN發送采集命令等。WSN則負責采集網絡的構建以與環境溫濕度數據的采集，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測系統如圖1所示。Sink Node負責網絡的構建并對其管理和維護，包括對新加入的Sensor Node分配網絡地址，節點的加入和離開，網絡的安全密鑰的分

7、發更新等，并且將匯聚的各節點的數據通過串口上傳給監控主機。當監控主機不便于長期在現場使用時，監測數據也可通過GPRS接入Intemet網絡，將數據遠傳給監控主機或者將監控主機的命令在網絡中發送出去，實現遠程監控；SensorNode主要用來掛接各種傳感器(溫度和濕度傳感器)，采集數據并傳給Rehy Node，經Sink Node最終傳給監控主機。31傳感器網絡節點傳感器網絡節點是WSN中部署到研究區域中收集和轉發信息，協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、處理數據功能外，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、傳感器數據

8、采集模塊以與其他一些外圍電路和模塊組成Do，體系結構如圖2所示。微處理模塊采用低功耗片上系統芯片CC2430，該芯片采用低功耗的CMOS工藝生產，電流損耗低(接收時：27 mA，發送時：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，除不具有數據采集功能外，其余和圖2所示的結構體系完全一樣。32溫濕度傳感器系統所選用的傳感器為DSl8820數字溫度傳感器和GY-HR006濕敏傳感器。其中，數字式溫度傳感器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生交流電，然后通過電阻分壓得到電壓值，并將其送入ADC轉換口進行AD轉換。兩傳感器均掛接于Sensor Node，按照監控主機設定好的采樣頻率進行溫濕度采集并發送。4軟件實現系統軟件開發平臺為IAR73B，通信協議棧采用ZStackl43110，為簡化描述，軟件流程將Relay Node的轉發功能略去。該溫濕度監測系統的軟件主流程見圖3。首先，Sink

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

11、絡的存在，則經Sink Node向監控主機發送網絡拓撲數據包，之后的流程如前所述監控主機向下通訊的過程。如圖3右側所述，提出了一種WSN通訊定程度上不可靠的解決對策，即Sensor Node加入網絡未成功或者未與時接收到上位機發來的校時與下次喚醒時間的指令。Sensor Node會根據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測系統的魯棒性。5時間同步關鍵技術突破在分布式系統中，不同的Sensor Node都有自己的本地時鐘，而分布式系統的協同工作需要Sensor Node間的時間同步，因此時間同步機制是分布式系統基礎和框架的一個關鍵技術。在該溫室大

12、棚溫濕度監測系統中，Sensor Node均外接實時時鐘芯片DSl305，在網絡構建完成后，Sink Node會立刻接收監控主機發來的時間同步指令，然后將該信息廣播給網絡中的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，完成數據的采集和發送，之后Sensor Node再次轉入長時間休眠，等待下一次DSl305的中斷喚醒信號。每次喚醒時，節點的工作時序如圖5所示。在該溫濕度監控系統實際運行過程中

13、，可以在每天固定的時刻(比如晚上0點)喚醒網絡中所有節點，Sink Node會發送時鐘校準信號，各Sensor Node收到校準信號，重新初始化本地時鐘，從而完成整個網絡的時間重新校準，進而實現整個網絡的時間同步。6監測系統上位機設計監控中心控制軟件以LabwindowsCVl工具作為開發環境一，分為用戶界面模塊、數據庫模塊、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、超限報警、歷史數據的記錄和分析與報表的打印輸出、傳感器網絡拓撲顯示。數據庫模塊實現數據庫的創建以與對數據庫讀寫操作、查詢等訪問操作；通信模塊可以實現與網關節點進行GPRS通信，從而實現數據的傳輸，以與將數據I

14、ntemet實現遠程數據共享。監控主界面如圖6所示。該上位機設計的一個創新點在于自主開發了WSN網絡拓撲結構上位機顯示界面，可以實時顯示網絡拓撲結構與各節點的溫濕度值、電池電量等節點信息，方便、直觀、可視性強，而且具有歷史數據存儲功能。上位機的網絡拓撲結構見圖7。7結果測試與數據處理針對該監控系統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，該監測系統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境和自身輸入輸出非線性因素的影響，所以有必要在監測系統中添加對數據的平滑

15、性處理，即對輸入或輸出數據序列的平均化，以壓縮隨機干擾，減少統計誤差，提高信噪比，從而改善檢測數據的質量，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據進行處理。其數學表達式為由于該監控系統中的使用的數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，故這里僅針對監測系統采集到的濕度值做數據平滑處理。如表2所示，給出溫濕度監控系統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據處理前，其上下波動在5左右，然后對采集到的數據進行平滑化處理，并且隨著取樣點數的增加，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據處理的時間。由于WSN的一個突出優勢就在于節點的低功耗，所以這就存在一個動態平衡問題，在追求采集數據精確度的同時還要考慮網絡節點的功耗問題，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中的相對濕度數據，如果監測系統可以允許3一4的誤差波動存在，那么只需要對采集到的數據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，那么數據處理程序則至少需要五點曲線平滑處理。同時，從微處理器在數據計算處理方面的局限性以與整個網絡的低