植物園無線網絡智能管理監測系統的設計

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

植物園是一個小型化的森林，為了將植物園打造成更適合游客旅游參觀的園林，同時也為了做好對植物園的保護工作，需要引進智能管理技術。

照明是植物園的基本要求，植物的生長也需要合適的溫濕度，又由于人流量大、樹木植被多和天氣易干燥等因素使植物園易發生火災險情。鑒于此，本文設計了一套基于ZigBee技術的植物園無線管理監測系統。系統在滿足照明和空氣溫濕度需求的同時，還能預警火情，避免了出現火情不能及時發現帶來的財產損失，極大地滿足了植物園的現代化建設需求；在為游客參觀游玩提供便利的同時保障了人身安全。

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSN)[1-3]能夠通過微型傳感器節點協作地完成實時監測、感知和采集信息[4]。將ZigBee無線傳感網絡應用于植物園管理監測系統，具有以下特點：①ZigBee低功耗，具有節能優勢；②組網簡單可靠；③依據路燈分布方位，可以做到無通信盲區；④利用其地理定位功能，便于及時發現問題。因此，植物園無線管理監測系統高效節能、科學合理、安全可靠，對植物園的管理監測能夠起到很大的作用。

1 系統設計

系統構建了由管理中心、控制單元和節點控制器組成的控制網絡，其框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

管理中心相當于WSN的服務器，通過GPRS與控制單元通信。控制單元擔任WSN網絡協調器角色，通過ZigBee和節點控制器通信，可以實現GPRS和ZigBee兩種通信協議棧之間的通信協議轉換，充當管理中心和節點控制器之間的通信員。節點控制器中各節點是WSN的終端節點，部分節點具有路由器功能，節點除了需要收集植物園各狀態的信息，還要對所收集數據進行處理。

系統通過使用ZigBee網絡節點和ZigBee系統的低成本的無線收發模塊，建立起一個ZigBee控制網，再通過GPRS與管理中心的計算機相連，從而實現低成本、高效率的遙測遙控。

1.1 節點控制器設計

節點控制器是系統的基本單元，其在對路燈進行開關控制、亮度調節和狀態監測的同時，采集園中空氣溫濕度和煙霧濃度；與臨近的節點組成無線傳感器網絡，用于傳送控制單元發送的控制指令以及回傳各節點的狀態信息。節點控制器組成框圖如圖2所示。

圖2 節點控制器框圖

節點控制器的硬件電路主要是以CC2530為核心的最小系統，配以無線通信接口、光照度傳感器、溫濕度傳感器和煙霧傳感器，通過無線通信接口收發信息，實現對路燈的開關控制、亮度調節和狀態監測以及上傳空氣溫濕度和煙霧濃度信息。

CC2530具有不同的運行模式，尤其適應具有超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。鑒于這些優點，CC2530成為本設計的主控芯片。

路燈采用LED節能燈，LED能夠避免傳統光源路燈造成的光浪費，且使用壽命長，有利于環保。LED調光是利用一個直流信號或濾波脈寬調制信號對LED中的正向電流進行調節來完成的。

由于傳感器節點是在外部環境中進行測量，因此需要做好傳感器節點的防曬防水工作。參考加州大學伯克利分校的GDI系統，可以給傳感器節點涂上一層10 μm的帕利靈密封劑，表面涂膠的傳感器節點裝在一個透明的丙烯酸外殼中。該外殼通風且不會影響傳感器的感知或通信[5-6]。

1.2 控制單元設計

控制單元是系統的主控節點，其構成框圖如圖3所示。一方面,它與節點控制器建立無線通信網絡，監控網絡中各節點的工作狀態；另一方面,將接收的數據轉換成用戶可知的信息，并通過GPRS與管理中心進行遠距離通信。當接收到節點控制器上傳的空氣溫濕度和煙霧濃度信息時，控制單元將信息及時回傳給管理中心；管理中心則將新接收的信息與以往信息進行對比，如有異常，則立即采取相應措施。

圖3 控制單元框圖

一個無線傳感器網絡的網關硬件部分通常包括5個主要模塊：網絡控制與接入設備、IEEE 802.15.4無線通信模塊、核心控制與處理模塊、外部存儲器模塊和能量供應模塊。控制單元內部結構如圖4所示?？刂茊卧捎梅螴EEE 802.15.4協議的2.4 GHz芯片CC2530接入ZigBee網絡，再加上外圍輔助電路，完成了整個硬件電路的設計。

圖4 控制單元內部結構圖

網絡控制與接入設備用來實現無線傳感器網絡與GPRS之間的通信；IEEE 802.15.4無線通信模塊則用來實現與節點控制器之間的通信；核心控制與處理模塊是整個網關節點的調度中心裝置,主要實現對無線傳感網絡任務的全局處理、數據融合與信息提??；由于無線傳感器網絡采集與處理的數據量大，需設置一個外部存儲器；能量供應模塊一般由一些微型電池組成，這些電池主要是為節點提供能量，本系統可以與路燈采用同一供電電源。

2 軟件設計

在管理中心創建一個WSN數據庫管理系統，庫中數據有靜態數據，如節點位置等；也有動態數據，如光強度、溫濕度、煙霧濃度等。數據庫的內容通過WSN的數據管理系統動態維護，管理中心通過WSN數據庫發出結構化查詢語言(structured query language，SQL)查詢命令或SQL查詢請求，這些查詢被“插入”到WSN中，并通過網內查詢處理執行數據收集和查詢結果計算，最后查詢結果通過控制單元從節點控制器傳送回發出請求的管理中心。

2.1 傳感器節點軟件設計

白天和夜晚的光照度明顯不同，夜幕降臨時，光照度傳感器所接收的光通量減少，當光通量達到某一設定的閾值時,節點控制器上傳信息，經控制單元到達管理中心，管理中心依此發布控制指令，路燈開啟。晚間植物園閉園后，路燈只需維持簡單照明，此時對LED進行調光，亮度可以相對減弱至一半。凌晨，當光照度傳感器采集的光通量到達另一閾值時，節點控制器上傳信息，管理中心發送指令到控制單元，節點控制器接收到命令后，關閉LED燈。因此，依據不同時間段對照明的需求不同，合理地對LED進行調光，可以達到節能的目的，同時也實現了照明的智能控制。

水是生物體最重要的組成部分，在以植物為主的植物園中，水分尤為重要，因此要確保植物園中空氣的溫濕度，以保障植物正常生長。通過溫濕度傳感器，采集空氣溫濕度信息并上傳到管理中心，若空氣溫濕度低于正常狀況，則工作人員及時組織澆水工作。溫濕度傳感器的工作流程如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器的工作流程圖

若有異常情況發生火險時，可以根據煙霧傳感器接收的煙霧濃度，判斷火災的嚴重程度以及蔓延情況，及時掌握煙霧濃度的變化情況，從而給管理部門的救援工作帶來很大幫助。

LED節能燈不僅能夠滿足正常的照明功能，有效節約電力資源，還能根據不同的照明需求提供多樣的控制方案。此外，節點控制器中加入溫濕度和煙霧傳感器，在滿足植物園照明需求的同時還可以檢測環境參數，不但能夠為植物提供一個良好的生存環境，而且也起到火情預警的功能，同時也減少了多種設備占地、占資源所造成的資源浪費。

2.2 節點間通信協議

路由協議是組網的基礎，它的主要任務是在節點控制器和控制單元間建立路由，以可靠地傳遞數據。在考慮植物園和無線傳感網絡的實際應用前提下，本系統中的路由協議使用低功耗自適應聚類路由(low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)協議[5-7]。

節點控制器之間的路由通信通過數據應答和數據重發的握手協議，確保通信的可靠性。若通信時發現某節點失效,則可跳過此節點與鄰近節點進行通信，并及時把該節點故障狀態反饋給控制單元。路燈節點間的通信流程如圖6所示。

圖6 路燈節點間通信流程圖

在WSN中，無線信道的使用方式是由介質訪問控制(media access control，MAC)協議決定的。單個傳感器節點資源有限，WSN的強大作用則需要由多個節點協作完成才能實現，局部范圍內的多點通信需要MAC協議協調節點間的無線信道分配。為了能夠使傳感器節點合理分配通信資源，避免眾多節點在同一時間發射信號時產生碰撞沖突，采用基于固定分配的碼分多址技術(code division multiple access,CDMA)[4]。

系統使用分布式計算的定位算法，在傳感器節點間進行信息交換。定位是WSN重要的技術，確定傳感器節點在WSN覆蓋范圍內的坐標位置，有利于管理中心對發生異常狀況時及時做出相應對策。

3 結束語

試驗表明，基于ZigBee技術的植物園智能管理監測系統能夠很好地實現對光照度、空氣溫濕度和煙霧濃度的采集，進而起到智能管理監測的作用。在倡導

低碳生活和電力資源綜合利用的今天，處處講究節約環保、以人為本。該系統促進了植物園的科學人性化管理，因而具有重要的社會價值和廣闊的商業前景。

[1] Akyildiz I F,Wei L S,Sankarasubramaniam Y,et al.A survey on sensor networks[J].Communications Magazine,IEEF,2002,40(8):102-114.

[2] Akyildiz I F,Su W,Sanakarasubramaniam Y,et al.Wireless sensor networks:a survey[J].Computer Networks,2002,38(4):393-422.

[3] David E C,Wei H.Wireless sensor networks[J].Communications of ACM,2004,47(6):30-33.

[4] 王汝傳,孫力娟.無線傳感器網絡技術及其應用[M].北京:人民郵電出版社,2011:46-50.

[5] Mainwaring A,Polastre J,Szewczyk R,et al.Wireless senor networks for habitat monitoring[C]∥ACM International Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications,New York,2002.

[6] 于海斌,曾鵬,梁書華.智能無線傳感器網絡系統[M].北京:科學出版社,2006:283-319.

[7] 李善倉,張克旺.無線傳感器網絡原理與應用[M].北京:機械工業出版社,2008:65.