基于WSN的温室环境监测节点设计

设施农业环境因子无线监测及预警系统设计张佐经,张海辉,翟长远,胡瑾(西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100摘要:针对传统温室内环境因子数据采集系统存在的问题,设计了一种能够实时测量、自动传输数据的设施农业环境因子监测以及预警系统。该系统基于无线传感器网络,以ZigBee模块CC2430芯片为核心,实现环境因子数据的采集、汇聚;采用GSM模块MC39i将数据以短信形式发至监控中心,实现了温室大棚内环境因子数据的无线监测以及远程传输;当某一环境因子超出阈值时,系统自动发送预警短信至用户手机或监控中心,提醒用户及时采取预防措施。该系统解决了传统手工测量工作量大、传统有线网络布线难的问题,提高了设施农业的自动化、信息化程度,可预防灾害性天气对农户造成的损失,可方便有效地用于各种温室大棚。关键词:设施农业;环境因子;无线监测;短信预警;ZigBee中图分类号:TP273+．5文献标识码:A文章编号:1003－188X(201011－0078－050引言近年来,设施农业在我国取得了长足的发展,特别是温室大棚的应用越来越广泛。而对温室大棚内大气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度等环境因子数据的监测是实现农业自动化高效化的重要环节之一。传统的手工测量费时费力,效率低下,数据误差大;有线网络监测系统布线困难、前期投资大、后期维护困难;而无线传感器网络是近年来随着嵌入式技术、无线通信技术、网络技术的快速发展而出现的一种全新的信息获取技术,可随时随地实现数据采集和无线传输,并且具有低功耗、维护成本低和自组网等特点。因此,将无线传感器网络技术、GSM技术引入到温室监测中,建立温室大棚环境因子无线监测及预警系统,对实现温室大棚内环境因子信息采集的自动化、信息化、智能化具有重要意义,同时可预防灾害性天气对农户造成的损失,降低农户种植风险,切实提高农户收入。1系统结构1．1系统基本架构该监测系统基于ZigBee无线传感器网络,采用终收稿日期:2010－04－11基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2007BAD79B00;西安市农业科技攻关项目(NC09007(2作者简介:张佐经(1982－,男,西安人,助教,([e-mail]。通讯作者:张海辉(1977－,男,湖南娄底人,副教授,([e-mail]。端监测节点加网关节点的设计思想,组成一个树状网络,如图1所示。图1系统架构图终端监测节点放置在大棚内需要监测的各点处,负责完成温湿度、光照强度、CO2浓度等环境因子数据的采集、处理和无线发送。终端节点采用chipcon公司的CC2430芯片作为核心,该芯片内置一个小巧的8051控制器和一个高性能的2．4GHz射频收发器,能够同时完成数据的采集、处理和无线传输任务。网关节点是整个系统运作的核心,负责整个无线传感器网络的建立、维护以及所有终端监测节点采集数据的接收、处理和转发,并具有短信预警功能。网关节点采用CC2430加GSM模块MC39i的设计,负责将各节点采集到的环境因子数据通过GSM网络以短信的形式发送至监控中心或通过RS232串口发送至PC机。当某一数据超出设定的阈值时,通过发送预警短信至用户手机或监控中心实行预警功能,提醒用户及时采取预防措施。1．2系统特点该系统采用ZigBee无线通信技术,具有以下几个特点:1自组网能力。基于ZigBee的无线传感器网络具有无需人工干预、自组网、自动增加删除节点等特点。当某个节点发生故障时,网络能够进行自我修复,重新选择路由路径,保证整个系统仍能正常工作。2通信可靠。系统采用CSMA－CA的碰撞避免机制,避免数据通信时的竞争和冲突,保证数据传输的可靠性。2终端监测节点设计2．1终端监测节点硬件电路设计终端监测节点是设施农业环境因子监测以及预警系统的基本组成单元,用来完成环境因子数据的采集、处理和无线发送以及路由功能。考虑到系统的低成本、低功耗、可靠性等因素,本系统终端监测节点硬件结构框图如图2所示。图2终端监测节点框图本节点选用CC2430作为其核心,该芯片集成了1个增强型工业标准8051内核和1个符合2．4GHzIEEE802．15．4的RF射频收发模块;具有多种电源管理模式,可根据需要灵活配置工作模式以降低系统功耗。休眠模式下,电流消耗仅为0．9μA,待机模式下电流消耗小于0．6μA。根据设施农业环境因子监测的需求以及降低系统成本考虑,本系统选择SHT11数字型温湿度传感器。该传感器温度精度为ʃ0．4ħ,相对湿度精度≤2%,接口为标准I2C总线,与CC2430接口简单,仅需较少的外围电路即可实现数据的采集以及发送,极大地提高了系统的可靠性并降低了系统功耗。采用ISL29010数字型光照强度传感器,其工作电流0．25mA,待机电流0．1μA,测量精度ʃ50lux,接口为I2C总线。采用SLST1－5数字型土壤温度传感器,其工作电流1．5mA,待机电流1μA,测量精度ʃ0．5ħ,接口为单总线。采用H550数字型CO2传感器,其工作电流15mA,精度为ʃ30ˑ10－6,接口为I2C总线。采用FDS100模拟型土壤湿度传感器,工作电流15mA,精度≤3%,输出为02V模拟电压信号。其输出信号与CC2430的ADC接口相连,通过CC2430的内部模数转换实现数据转换。2．2终端监测节点电源设计终端监测节点采用锂电池供电,电源电路主要包括电压转换电路和锂电池的充电电路。正常工作时,通过锂电池供电,电源转换芯片将4．2V锂电池电压转换为3．3V供给各芯片;当插上5V直流电源时,锂电池和终端监测节点共同作为负载,这时可实现锂电池的充电。系统电源电路如图3所示。图3电源电路2．3终端监测节点ZigBee通信协议实现ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的无线通信技术标准,其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低速率和低成本。此外,ZigBee设备具有能量检测和链路质量指示功能,根据检测结果,设备可自动调整发射功率,在保证通信链路质量的前提下,最小地消耗设备能量。本系统针对温室大棚监测的需要,无线传感器网络拓扑采用了树状结构,其优点是比星型结构功能完善,覆盖面积大,同时比网状网络容易实现和维护。根据在无线网络中职能的不同,终端监测节点分为叶子节点、路由节点两种类型。叶子节点主要完成环境因子数据的采集;路由节点除了具备数据采集功能,还具备路由功能,即数据转发功能;正是由于具有路由功能,无线传感器网络的通信距离才能够大大加长。系统工作时,多个终端监测节点完成数据采集并传递给路由节点,由路由节点沿动态路由路径将数据转发到协调器节点(网关节点,最终网关节点通过GSM网络将接收到的数据以短信形式发送至监控中心或用户手机。在节点软件设计中,通过调用ZigBee协议栈提供的API函数完成网络管理层的设备初始化、配置网络、启动网络,实现分布在多个温室大棚中的无线传感器节点的自组网络。2．4终端监测节点软件流程终端监测节点采用锂电池供电,单块锂电池由于其体积、价格等因素,所储存能量有限,因此要尽量减小系统的能耗以延长使用时间。在系统软件设计时,要充分考虑到该问题,本系统通过使CC2430在两个数据采集间隙处于休眠模式来达到降低能耗的目的。系统采集、处理、发送完一条数据后即进入休眠状态(关闭射频,由于CC2430的能耗主要消耗在射频收发数据时,因此关闭射频电路后系统的能耗仅为0．9μA,大大延长了系统的使用时间。终端监测节点软件流程如图4所示。图4终端监测节点软件流程2．5终端监测节点数据格式终端监测节点所有传感器采集到数据后,将采集到的数据进行处理,发送至网关节点,其数据格式如表1所示。其中,当前电量值为05级,该电量值通过将当前电池电压测量后,通过CC2430进行A/D转换,将电压分为6个级别。表1终端节点数据格式节点编号当前电量大气温度/ħ大气湿度/%光照强度/luxCO2浓度/ˑ10－6土壤温度/ħ土壤湿度/%时间戳11000319．3068．10815．60580．0021．1072．102010－01－2616:43:093网关节点设计3．1网关节点硬件电路设计网关节点作为系统运行核心,不仅要负责整个无线传感器网络的建立、维护和所有终端监测节点数据的汇集,同时还要实现数据的上传和短信预警功能。该系统中网关节点采用CC2430+MC39i的结构,CC2430负责建立、维护整个无线传感器网络以及终端监测节点采集数据的汇聚和处理;MC39i负责将所监测到的数据以短信形式通过GSM网络发送至监控中心以及预警短信的发送。CC2430和MC39i采用串口进行通讯,其接口电路如图5所示。其中PWKEY为MC39i的启动信号。图5CC2430与MC39i接口电路3．2网关节点软件流程网关节点在建立好整个无线传感器网络之后,主要任务是接收所有终端节点监测到的数据并将该数据通过短信形式发送至用户手机或监控中心。为了节省费用,可将多条终端节点采集的数据写入1条短信内,每次发送前通过CC2430的IO口输出1个大于20MS的低电平启动MC39i,发送完成后,关闭MC39i。在发送该数据前,先判断其是否超出所设定的阈值,若某条数据超出设定阈值,在转发该数据前先向用户手机或监控中心发生预警短信,然后再发生数据短信。其软件流程如图6所示。3．3监控中心(用户手机号码的设定网关将整个系统监测到的数据发送至监控中心或用户手机。每个网关上可预先设置一个监控中心号码,一个用户手机号码,这两个号码还支持短信动态设置。向网关节点的SIM卡号码发送设置短信可动态设置该号码,其格式字段如下:网关密码:******;监控中心号码:***********;用户手机号码:***********(如网关密码:123456;监控中心号码:139********;用户手机号码:159********。网关接收到该短信后,首先判断网关密码是否匹配,若不匹配,则不作处理;若密码匹配,则将监控中心号码和用户手机号码存入系统存储器中并修改当前监控中心和用户手机号码。图6网关节点软件流程4试验测试4．1终端节点通信距离测试在我国,常用的ZigBee无线通信信号的频率分为433MHz和2．4GHz。通常情况下,433MHz的通信距离可以达到400m左右,而2．4GHz的通信距离则由于其波长较短传输距离有限,一般小于120m。本系统采用CC2430芯片,其通信频率为2．4GHz。经过实际测试,终端监测节点与网关节点之间无阻挡的正常通信距离为80120m;植物茎叶对其传输距离影响较小;中间有单面砖墙阻挡时通信距离大大下降,大约为2030m;节点间信号不能够穿透整栋建筑物或较厚的土墙。4．2数据精准度测试经过大量的实际测试,发现系统测试数据与标定仪器测量结果相近,其误差在可接受范围内。但大气温湿度特别是大气温度测量值始终高于标定仪器测量值。经分析讨论,发现造成该误差的原因是大气温湿度传感器SHT11为贴片封装,其焊接在电路板上,而电路板工作时会发热,从而影响其精度。后续试验中,测试了两种方案并进行对比,一种直接将该传感器焊接于PCB板上,将PCB板放置于密封的盒子内;第二种方案将该传感器单独焊接于一块独立的PCB板上,该PCB板放置于盒子外。通过实际测量数据与标准温湿度计数据进行比较,发现第二种方案较第一种方案有非常明显的优势。大气温度数据精准度对比如图7所示。其中,紫色为标准温湿度计测量值,黄色为第一种方案测量值,蓝色为第二种方案测量值。通过实际测量数据的对比确定采用第二种方案。图7大气温度数据精准度对比图4．3系统整体性能测试通过实际部署测量,在节点之间的通信距离约为30m时,系统启动后30s内即可完成无线传感器网络的建立、所有终端监测节点的绑定,形成自组网络。终端监测节点在数据采样完成后,30s内可完成数据的发送。网关节点接收数据后可在1min之内通过GSM短信将该数据发送到监控中心。系统监控中心接收到的数据如图8所示。5结束语本文给出了基于ZigBee技术的温室大棚环境无线监测以及预警系统的