温室信息采集

基于无线传感器网络的温室信息采集系统设计研究罗海勇1,2，李锦涛1，赵方3，朱珍民1，王琳11(中国科学院计算技术研究所，北京2704信箱，100080)2(中国科学院研究生院，北京，100080)3(北京邮电大学软件学院，北京，100876)摘要：本文把无线传感器网络技术应用于温室无线测控网络信息采集系统设计。通过在温室大棚部署无线传感器网络，结合温室智能控制系统和农业信息专家系统，实现了温室环境信息采集的节点自动部署、数据自组织传输和温室环境参数的精细化控制。其中无线传感器节点负责完成温室环境信息的自动采集和自组织传输；基于PC机的优化控制站点负责完成温室环境控制的智能决策及温室传感信息的实时查询、海量存储、统计分析和图形化显示；系统集成GPRS和以太网接口，实现了温室环境信息的远程访问。关键词：无线传感器网络；温室无线测控；温室数据采集；节点定位1．引言1近年来，温室产业的快速发展对温室测控技术提出了更高要求。荷兰、美国等发达国家的温室生产目前已基本实现自动化、无线化和智能化[1]，而我国现有温室测控系统大部分采用有线通信方式，存在安装施工量大、工期过长、成本较高、部署调整不便等缺点，影响了温室测控技术的大面积推广和温室产业效益的进一步提高。顺应温室测控无线化和网络化发展趋势，本文采用无线传感器网络（wirelesssensornetwork,简称WSN）技术，设计了温室信息采集系统，结合温室无线控制系统和农业信息专家系统，实现了温室信息采集的自动部署、自组织传输和温室环境的智能控制。2．温室无线测控网络信息采集系统结构设计温室无线测控网络主要由温室信息采集系统和温室无线控制系统组成，如图1所示。其中温室信息采集系统主要由无线传感器节点群、无线汇聚节点和优化控制站部分软件（主要包括无线传感器网络分析与管理软件系统）构成。每个传感器节点负责采集自身周围的环境、土壤和作物生理生态信息，并采用无线自组网多跳路由方式，把采集数据传输到无线汇聚节点。无线汇聚节点对接收的多个节点数据进行融合处理后，通过中长距离无线数传模块，把融合后的数据发送到优化控制站点；同时接收来自优化控制站的控制指令，向资助项目：国家高技术研究发展计划(863计划)（2006AA10Z253,2006AA01Z223,2007AA12Z321）联系作者：罗海勇，E-mail：[e-mail]；李锦涛，E-mail：[e-mail]；赵方，E-mail：[e-mail]；朱珍民，E-mail：[e-mail]；王琳，E-mail：[e-mail]882WSN节点或温室无线控制节点转发。基于PC机的优化控制站集成了无线传感器网络分析与管理软件系统，具有数据存储、查询、网络状态监控、网络拓扑动态显示、采样间隔参数及实时查询设置等功能，并以图表化方式显示数据处理结果。图1温室无线测控网络系统结构温室信息采集系统结构设计考虑因素：（1）不同于密集部署的大规模传感器网络[3]，温室环境部署的无线传感器网络规模相对较小（约50～60个节点），网络节点密度稀疏（每600m2左右的温室大约部署16个节点），需高效利用每个节点信息；（2）节点可更换电池或进行充电，不存在电池能量耗尽后节点失效问题，不过需要对节点剩余能量进行监测，以便系统能根据电池剩余能量及时提醒补充能量。节能并不是温室无线测控系统的首要优化目标，而是根据应用需求在数据采样间隔和能耗之间进行平衡；（3）现有无线传感器网络监测系统既有非实时采样（如大鸭岛生态监测系统[4]），也有“实时”采样（如VigilNet[5]），其中前者使用时间驱动机制，要求网络节点时钟同步，对多传感器数据进行融合和压缩，以牺牲监测的实时性能换取网络能量的高效利用；而“实时”采样使用事件驱动机制，采用任务实时性调度策略，在保证事件响应实时性前提下，尽可能降低系统能耗。本系统依据温室无线测控网络需求，采用实时和非实时采样相结合方式，由优化控制站点对节点采样模式进行控制。根据温室无线测控网络信息采集系统上述特点，本文设计并实现了信息采集子系统。3．信息采集子系统模块设计信息采集子系统包含软硬件设计两部分内容，其中硬件设计主要包括无线传感节点和无线汇聚节点设计，软件部分主要包括无线传感节点支撑软件设计、优化控制站点软件设883无线收发模块处理器模块可扩展接口液晶显示模块智能电源模块传感器板处理器板计和节点定位算法实现等。3.1信息采集子系统硬件设计3.1.1无线传感节点硬件传感器节点由传感器板与处理器板组成，通过插槽相连。根据温室测控的不同应用需求，选择相应传感器（如温湿度、光照、CO2浓度等）集成或连接到传感器板相应接口上。处理器板主要由处理器模块、无线收发模块及智能电源模块组成，如图2所示。其中处理器模块采用低功耗微处理器芯片ATMEGA128L，其工作频率为7.3728MHz，具有128KB系统内可编程Flash、4KBEEPROM、4KB内部SRAM、10路8位ADC。它负责控制传感器数据采集、无线收发、液晶显示（可选）、电池能量监测、各硬件模块功耗以及系统任务调度、MAC/路由协议执行等。无线收发模块核心为射频芯片CC1000，它具有工作电压低、可编程功率输出(-20～10dBm)、接收灵敏度高(-109dBm)等特点，采用FSK调制方式，工作频率为915MHz（可配置），数据传输速率可达72.8Kbps。智能电源模块由单节锂电池（容量1200mAh）、智能电池检测器件（DS2438）、电池保护电路（R5421）、充电芯片（MAX1551）、电源处理电路及外围接口电路组成，为节点提供智能充电和电路短路保护等功能。3.1.2无线汇聚节点硬件无线汇聚节点（sink节点）除了采用有线供电方式，没有智能供电模块外，其它结构与无线传感节点的处理器模块基本相同。其天线增益和无线发射功率较大，可覆盖整个温室，实现对温室无线传感器网络的实时控制，它通过串口连接中长距离数传模块，实现与远程优化控制站点间的双向数据通信。3.2信息采集子系统软件设计3.2.1无线传感器节点软件系统节点软件开发基于TinyOS操作系统，并采用模块化编程思想。其开发流程是，先用C语言设计实现传感器数据采集程序和液晶显示程序，然后再移植到TinyOS操作系统上。节点软件系统结构由多个模块构成，如图3所示。其中任务控制模块GreenhouseControl.nc为系统总控模块，控制其它模块的运行时序和模块之间的逻辑关系。传感器数据采集模块SampleSensorM.nc负责环境数据采集。液晶显示模块DatatoLcdM.nc实现环境数据信息的本地实时显示。无线收发模块GenericComm.nc负责数据/指令的发送、接收与转发。多跳路由模块MultihopRouter.nc提供转发数据的下1跳地址。电源控制模块HPLManagementM.nc用于节点的功耗控制。命令侦听模块CmdListen.nc用于侦听无线汇聚节点指令，来调整节点运行状态。本文根据温室监控应用具体需求，对任务控制模块进行了二次开发设计，对Tinyos操作系统中原有路由模块和电源控制模块进行了改进，详细介绍如下。（1）任务控制模块任务控制模块对系统其它模块进行调度，控制系统运行流程。在系统上电后的前一段时图2无线传感器节点硬件框架884间内，数据采样和发送间隔设置为较小的值，来尽快完成系统网络初始化。在系统网络初始化阶段，节点数据包格式定义如下：typedefstructSensorMsg{uint8_ttype;//1获取传感器数据类型uint16_tparentaddr;//下1跳地址，初始值为0xff（广播模式）uint16_tsourceMoteID;//数据源地址uint16_treading[8];//传感器数据}__attribute__((packed))SensorMsg;在完成系统网络初始化后，对数据采样间隔和发送数据间隔进行重新设置，路由信息的更新速度也随之改变。在采样但不发送数据期间，如果节点监测到数据异常，节点以发送长数据包方式唤醒网络邻居，把异常数据发送到优化控制站点。图3节点软件系统结构图当需要调整监测区域WSN节点的工作模式时，优化控制站点向无线汇聚节点发送参数调整命令，此时无线汇聚节点采用广播方式发送命令，其数据包格式定义如下：typedefstructSurgeCmdMsg{uint8_ttype;uint16_tsquno;union{uint32_tnewrate;uint16_tfocusaddr;}args;}__attribute__((packed))SensorCmdMsg;GreenhouseControlQueueSendCmdListenHPLManagementMMultihopRouterGenericCommDatatoLcdMSampleSensorMMainLedsCTimerCStdContolStdContolTimerTimerLedsStdContolProcessCmdFuncEnablePowerManagementBatteryTestRouteControlSendTimerStdContolStdContolReceiveMsgGetsensordataGetsensordataGetLcdSendMsgReceiveMsg885命令类型type共定义了5个数值。其中数值2表示采样间隔设置，要求每个节点的采样间隔调整为newrate参数对应值（如1024表示1秒）；数值3表示实时查询功能，对应focusaddr为需查询的节点ID，要求对应节点以较短采样间隔和发送间隔连续多次发送数据到优化控制站点；数值4表示定位模式，要求每个节点广播、侦听邻居节点，把邻居节点ID和其接收信号强度值（RSSI）发送到优化控制站点；数值5表示采样监测模式，优化控制站点不再进行数值2和数值3对应操作，节点进入深度睡眠状态；数值6表示离开采样监测模式，仅在节点唤醒后的时间段内有效。（2）多跳路由模块路由模块主要功能是向任务控制模块提供多跳传输下1跳地址接口和更新路由接口。考虑到能量供应方式和通信能力不同，无线汇聚节点和WSN节点的上下行通信采用非对称路由[2]，如图4所示。WSN节点到无线汇聚节点的通信(上行)采用多跳方式，而无线汇聚节点到无线传感器节点的通信(下行)采用单跳方式，不仅降低了无线传感器节点能耗，而且能够实现网络的时钟同步和控制指令的快速下达。在网络初始化阶段，每个无线传感器节点广播init0消息，并侦听邻居节点，保存邻居节点ID和RSSI均值的邻居列表。无线汇聚节点收到init0消息后，给发送者返回一个OK消息，表示该节点1跳可达，一定时间间隔后，收到OK消息的节点开始广播init1消息，则没有收到ok消息而收到init1消息的节点，把发送节点ID保存到路由表，表示此节点2跳可达，如此类推，直到所有节点建立路由。尽管多跳通信比单跳通信的能量开销小，但频繁使用同一路径会造成该路径上的节点能量消耗过快，为均衡网络能耗，每个节点需维持多个路径路由，并定期依据节点剩余能量进行路由更新。考虑到距离无线汇聚节点越近的节点，因担负较多数据转发任务，导致能量消耗较快，本文采取了如下措施：当1跳节点剩余能量低于某一预定值时，发出警告，邻居2跳节点立即更新路由表，改变路径。如果2跳邻居发现没有其它路径可供选择时，则增大发射功率，直接向无线汇聚节点发送数据。（3）电源管理模块电源管理模块负责检测电池剩余能量和进行系统功耗控制。由于传感器板能耗较低，WSN节点能耗主要集中在处理器板上，即处理器模块和无线收发模块（液晶显示模块在正常使用情况下为关闭状态）。通过对MICA2兼容硬件平台进行测试，节点不同状态下的能耗如表1所示（电池电压为4.2V）：表1处于不同状态下的传感器节点能耗节点状态能耗（mA）发送数据28.5接收数据25.3节点空闲24处理器空闲、射频睡眠