基于WSN技術的低功耗大棚關鍵環境因子監控系統

摘要：為了有效監控大棚環境狀況，保證大棚作物健康生長，提出一種基于WSN技術的低功耗環境監測系統。該系統對大棚溫度、濕度、光照、土壤溫濕度等環境數據進行動態監測，系統采用太陽能鋰電供電方式，并采用動態電源管理算法，結合改進路由協議，降低系統功耗，該系統穩定可靠，可有效監測溫室大棚的關鍵環境因子參數，具有一定的推廣價值。

關鍵詞：環境監測；溫室大棚；無線傳感器網絡；WSN技術；關鍵因子

中圖分類號： S126；TP277.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0377-03

收稿日期：2013-12-04

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（13）5066]。

作者簡介：柳軍（1984—），男，江蘇南京人，碩士研究生，助理研究員，主要從事智能農業設施與裝備研究。Tel：（025）84390441；E-mail：nkyliu@163.com。近年來，無線通信技術、微電子技術、傳感器技術以及嵌入式計算等技術的不斷進步推動了低成本、低功耗無線傳感網絡（wireless sensor network，WSN）的發展，促使無線傳感器網絡成為當今的熱門研究領域。WSN是在一定范圍內部署的微型傳感器節點，由這些節點通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網絡系統，并將結果發送給觀察者[1]。作為種植花卉、蔬菜的重要場所，溫室大棚能夠顯著增強農業的抗災、減災、反季節生產能力。溫室大棚利用WSN無線網絡技術的低功耗、低成本、免許可無線通信頻段等特點，改變傳統的有線檢測方式，避免布線，通過利用太陽能小型鋰電供給系統，在不利于電力線路鋪設的區域實現監測電力供給，并且節能、環保[2-3]。隨著數字化農業的快速發展，低功耗的無線環境監測系統越來越受到重視。本研究提出了基于WSN技術的低功耗大棚關鍵環境因子監控系統，應用于溫室大棚生產環境監測，實時精確獲得溫室大棚環境的關鍵參數，對于系統掌握植物生長發育規律及其與環境的關系，維持溫室作物的均衡供應具有重要意義。1總體設計

本系統由分布在大棚各處的溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤傳感器節點、路由節點、無線網關、主控機構成。整個WSN網絡通過優化過的路由協議，改進算法并采用低功耗動態電源管理方式來達到降低全系統電能需求的目的。WSN網絡節點間通過無線通信協議建立聯系，形成無線網絡，設計交互命令接口以便通過主控或者上位機對全部節點進行一次性參數配置。傳感器節點與路由主控星網連接，即時傳遞采集信息，也可通過網關向上位機傳遞采集信息，實現遠距離對大棚環境的實時監測，提高了整個系統的延展性。

2硬件設計

監測系統的無線傳感網絡主要由無線網關節點、路由節點以及傳感器節點組成。這些網絡節點采用統一的硬件結構模塊組合，再通過不同的軟件設計實現功能切換與配置。整體硬件結構模塊如圖1所示。

2.1能量管理硬件模塊

本系統采用太陽能電池發電、鋰電池儲能的供電方式，是低功耗無線傳感能量供應方式的發展趨勢。無線網絡節點通常由電池供電，每個節點受電池容量限制，節點通常放置在高溫濕度的惡劣環境下，使用過程中如不能及時給電池充電或更換電池，一旦電池能量耗盡，節點就會停止工作。本系統能量管理模塊設計之一是通過提高電源轉換效率，盡量減少電池能量消耗，使用升壓型DC/DC轉換芯片MAX1678，該芯片是低噪聲、高效芯片，滿載效率為90%，典型輸出為 3.3 V，可調輸出為2.0～5.5 V，同時具有欠壓保護、報警功能[4-5]。當到達采集指令周期時，由電源管理模塊對傳感器電源進行供電，閑時停止對傳感器模塊、路由模塊的供電，避免浪費電源（圖2）。

2.2無線網關路由的硬件模塊設計

無線網關用于選擇通信信道、網絡標示符，啟動時建立并維護網絡節點聯系，允許其他節點設備加入網絡，同時允許多跳路由。

2.2.1主控MCU選擇主控MCU對數據的可靠性要求很高，由于采用電池供電，因此對功耗的要求也很苛刻。數據處理單元的微控制器主要側重于多項功能的開發，選擇時主要從功能、抗干擾、功耗、速度等幾個方面進行考慮。C8051F930是 Silicon Labs公司推出的高性能、低功耗9系列單片機中的一款。該系列單片機具有集成度高、速度快、混合模擬信號處理、低壓低功耗及兼容8051 指令集等特點，是儀表、手持設備主控制器的理想選擇。

2.2.2Si4432射頻控制接口Si4432 與主機 MCU 之間的通信是通過 SPI 總線實現的，主要涉及 SCLK、SDI、SDO、nSEL 4個引腳[6-7]。Si4432中 SCLK 串行時鐘信號的速率可靈活設定，最大可達 10 MHz。Si4432 主要存在于SHUTDOWN、IDLE、TX、RX 4種狀態中（表1），在 SHUTDOWN狀態下功耗最低。主控MCU有5種不同的 IDLE模式，主控可以根據不同的應用靈活選擇。這些狀態或模式可以通過操作模式、功能控制寄存器 07H設定。通過在寄存器 07H 中設定 txon/rxon 控制位可以從 IDLE 狀態中的任意模式自動轉移到 TX/RX 狀態。通過主控對不同模式/狀態下靈活轉換，基于整個網絡狀態判斷調節所處狀態，可以大大降低網關及整個傳感網絡因數據傳輸帶來的功耗損失。表1無線網關路由硬件模塊不同模式/狀態下轉換所需要的時間、功耗

狀態/模式xtalpllwtLBD/TS響應時間發送接收當前狀態/模式下電流值關閉狀態XXXX16.21 ms16.21 ms10 nA空閑狀態待機模式00001.21 ms1.21 ms400 nA休眠模式0010[8]800 nA傳感器模式00X1〖8〗1 μA預備模式10XX210 μs210 μs600 μA調諧模式11XX200 μs200 μs9.5 mA發送狀態11XXNA200 μs80 mA@+20 dBm27 mA@+11 dBm接收狀態11XX200 μsNA18.5 mAendprint

2.3傳感器節點

該節點設計主要由無線收發模塊、AD模塊、微控制器模塊、存儲器模塊、傳感器等組成。微控制器模塊采用C8051F930完成傳感信息初處理，模擬信號數字化解釋任務。無線收發射頻模塊核心為Si4432收發器，實現節點數據傳輸與路由任務。AD模塊負責將傳感器信號由模擬量轉換為數字量。

3軟件設計

軟件設計主要包括數據采集配置、無線傳感網絡建立、無線收發機制、HMI處理等。本系統首先由網關、路由節點根據網絡ID標識建立起無線傳感網絡，傳感節點、控制節點再相繼加入網絡。成功建立網絡后，傳感節點將上次采集的參數進行配置，通過路由網關發送至主控節點進行識別，確認后進行采樣。

3.1優化節點路由協議

由于低功耗傳感器網絡采集節點供電方式為太陽能-電池供電，節點能量非常有限，節點之間的通信距離、存儲空間都受能量限制，為了降低能耗，采樣節點本身不增加存儲功能，同時本系統設計了采樣時間，節點間默認間隔10 min蘇醒1次，之后15 s內保持清醒，與整個傳感網絡建立連接，主控與路由如果修改了采樣時間，就在蘇醒的15 s內反饋給采樣節點。為保證溫室大棚環境采樣數據的準確性，采樣節點蘇醒時間隔2 s完成3次采樣，取中間值為有效值上傳至主控。

3.2主控軟件設計

啟動主程序時，首先初始化軟硬件設置，建立無線傳感器網絡連接，啟動電源管理策略，開始進入采集環境關鍵因子循環。有針對性地預先設置環境因子對比庫，根據經驗設置閾值、參數對比邏輯，設置不同的溫室大棚數值，每次采樣信息數據均須進行存儲，以便進行后續經驗數據分析。用戶可根據作物的實際情況設定關鍵環境因子的閾值，執行操作后繼續觀測反饋狀態，如進入了報警范圍則啟動故障報警及信息處理功能模塊（圖3）。

4低功耗電源管理算法設計

常用的電源管理策略有靜態電源策略、動態電源策略2種。靜態電源策略是指系統在初始化過程中的電源低功耗管理技術。動態電源策略是指CPU運行過程中的低功耗技術。調整程序運行頻率，當系統忙時提高CPU運行速度，系統空閑時CPU處于睡眠狀態；降低I/O口的平均電流、電壓，電流、電壓不變時減少供電時間，從而降低系統功耗。本系統采用動態電壓電源管理（dynamic power management，DPM）技術，確保節點在主控芯片的控制下，始終能夠在節能模式運行，有必要的事件發生時可以讓主控芯片接管電源模塊[8-10]。系統主要DPM對象有電池、傳感器接口、射頻模塊、主控MCU。當檢測到電池電量不足時，對同一網路ID節點的轉發請求降低響應頻率。傳感器接口AD模塊的電源管理，主控掃描啟動后會分析當前狀態，區分正常電壓模式、自動掉電模式、自動待機模式3個模式。在正常電壓模式下，至少有一路AD在工作。當主控判斷當前所有AD接口均處于不采樣狀態時，自動掉電模式啟動，關閉AD以及傳感器電源。

5結論

為解決現場布線難、供電難的現狀，結合目前大棚環境監測需求的實際情況，筆者研制了基于WSN技術的低功耗大棚關鍵環境因子監控系統，達到降低全系統電能需求的目的，實際測試中，4 500 mA的鋰電滿電能供應溫度、濕度、光照3參數單節點正常運行10 d左右，配備太陽能充電模塊，可長期在設施大棚中工作而不斷電。同時，系統主控與傳感網絡通過串口連接，具有易擴展、易操作的優點。本系統組網速度快、節點現場布置靈活、性能穩定可靠，可長期有效監測溫室大棚的環境參數，具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]暴建民. 物聯網技術與應用導論[M]. 北京：人民郵電出版社，2011：53-55.

[2]馮友宏，麻金繼，楊凌云，等. 基于物聯網和LabVIEW高效環境監測系統設計[J]. 傳感器與微系統，2013，32（2）：128-130，134.

[3]楊璽. 面向實時監測的無線傳感器網絡[M]. 北京：人民郵電出版社，2010：5-7.

[4]邵汝峰，張彪，張矢，等. 無線傳感器網絡節能技術的研究[J]. 傳感器世界，2007（7）：40-43.

[5]伍春，陳雪冬，江虹，等. 基于藍牙的無線傳感器網絡節點設計與實現[J]. 計算機應用與軟件，2010，27（4）：74-76，101.

[6]李正民，王建輝，劉偉偉.基于Si4432的無線射頻通信模塊的設計與實現[J]. 測控技術，2012，31（4）：40-43.

[7]趙虎，王三根，王紀元.Si4432無線芯片在普適農業系統中的應用[J]. 農機化研究，2011（2）：158-162.

[8]盧可義，關鵬，張文超. 智能生命信息無線傳感器低功耗研究[J]. 生命科學儀器，2007，5（2）：28-33.

[9]胥琳，朱藝華，胡華. 無線局域網中時延感知的電源管理策略[J]. 計算機科學，2011，38（10）：113-116.

[10]白斌，韓國棟，姜玲玲. 基于隊列的動態電源管理策略[J]. 計算機工程與設計，2009，30（21）：4875-4877，4959.楊業娟，屠莉. 基于蟻群算法的水果圖像分割技術[J]. 江蘇農業科學，2014，42（9）：380-382.endprint

2.3傳感器節點

該節點設計主要由無線收發模塊、AD模塊、微控制器模塊、存儲器模塊、傳感器等組成。微控制器模塊采用C8051F930完成傳感信息初處理，模擬信號數字化解釋任務。無線收發射頻模塊核心為Si4432收發器，實現節點數據傳輸與路由任務。AD模塊負責將傳感器信號由模擬量轉換為數字量。

3軟件設計

軟件設計主要包括數據采集配置、無線傳感網絡建立、無線收發機制、HMI處理等。本系統首先由網關、路由節點根據網絡ID標識建立起無線傳感網絡，傳感節點、控制節點再相繼加入網絡。成功建立網絡后，傳感節點將上次采集的參數進行配置，通過路由網關發送至主控節點進行識別，確認后進行采樣。

3.1優化節點路由協議

由于低功耗傳感器網絡采集節點供電方式為太陽能-電池供電，節點能量非常有限，節點之間的通信距離、存儲空間都受能量限制，為了降低能耗，采樣節點本身不增加存儲功能，同時本系統設計了采樣時間，節點間默認間隔10 min蘇醒1次，之后15 s內保持清醒，與整個傳感網絡建立連接，主控與路由如果修改了采樣時間，就在蘇醒的15 s內反饋給采樣節點。為保證溫室大棚環境采樣數據的準確性，采樣節點蘇醒時間隔2 s完成3次采樣，取中間值為有效值上傳至主控。

3.2主控軟件設計

啟動主程序時，首先初始化軟硬件設置，建立無線傳感器網絡連接，啟動電源管理策略，開始進入采集環境關鍵因子循環。有針對性地預先設置環境因子對比庫，根據經驗設置閾值、參數對比邏輯，設置不同的溫室大棚數值，每次采樣信息數據均須進行存儲，以便進行后續經驗數據分析。用戶可根據作物的實際情況設定關鍵環境因子的閾值，執行操作后繼續觀測反饋狀態，如進入了報警范圍則啟動故障報警及信息處理功能模塊（圖3）。

4低功耗電源管理算法設計

常用的電源管理策略有靜態電源策略、動態電源策略2種。靜態電源策略是指系統在初始化過程中的電源低功耗管理技術。動態電源策略是指CPU運行過程中的低功耗技術。調整程序運行頻率，當系統忙時提高CPU運行速度，系統空閑時CPU處于睡眠狀態；降低I/O口的平均電流、電壓，電流、電壓不變時減少供電時間，從而降低系統功耗。本系統采用動態電壓電源管理（dynamic power management，DPM）技術，確保節點在主控芯片的控制下，始終能夠在節能模式運行，有必要的事件發生時可以讓主控芯片接管電源模塊[8-10]。系統主要DPM對象有電池、傳感器接口、射頻模塊、主控MCU。當檢測到電池電量不足時，對同一網路ID節點的轉發請求降低響應頻率。傳感器接口AD模塊的電源管理，主控掃描啟動后會分析當前狀態，區分正常電壓模式、自動掉電模式、自動待機模式3個模式。在正常電壓模式下，至少有一路AD在工作。當主控判斷當前所有AD接口均處于不采樣狀態時，自動掉電模式啟動，關閉AD以及傳感器電源。

5結論

為解決現場布線難、供電難的現狀，結合目前大棚環境監測需求的實際情況，筆者研制了基于WSN技術的低功耗大棚關鍵環境因子監控系統，達到降低全系統電能需求的目的，實際測試中，4 500 mA的鋰電滿電能供應溫度、濕度、光照3參數單節點正常運行10 d左右，配備太陽能充電模塊，可長期在設施大棚中工作而不斷電。同時，系統主控與傳感網絡通過串口連接，具有易擴展、易操作的優點。本系統組網速度快、節點現場布置靈活、性能穩定可靠，可長期有效監測溫室大棚的環境參數，具有一定的應用價值。

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[6]李正民，王建輝，劉偉偉.基于Si4432的無線射頻通信模塊的設計與實現[J]. 測控技術，2012，31（4）：40-43.

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2.3傳感器節點

該節點設計主要由無線收發模塊、AD模塊、微控制器模塊、存儲器模塊、傳感器等組成。微控制器模塊采用C8051F930完成傳感信息初處理，模擬信號數字化解釋任務。無線收發射頻模塊核心為Si4432收發器，實現節點數據傳輸與路由任務。AD模塊負責將傳感器信號由模擬量轉換為數字量。

3軟件設計

軟件設計主要包括數據采集配置、無線傳感網絡建立、無線收發機制、HMI處理等。本系統首先由網關、路由節點根據網絡ID標識建立起無線傳感網絡，傳感節點、控制節點再相繼加入網絡。成功建立網絡后，傳感節點將上次采集的參數進行配置，通過路由網關發送至主控節點進行識別，確認后進行采樣。

3.1優化節點路由協議

由于低功耗傳感器網絡采集節點供電方式為太陽能-電池供電，節點能量非常有限，節點之間的通信距離、存儲空間都受能量限制，為了降低能耗，采樣節點本身不增加存儲功能，同時本系統設計了采樣時間，節點間默認間隔10 min蘇醒1次，之后15 s內保持清醒，與整個傳感網絡建立連接，主控與路由如果修改了采樣時間，就在蘇醒的15 s內反饋給采樣節點。為保證溫室大棚環境采樣數據的準確性，采樣節點蘇醒時間隔2 s完成3次采樣，取中間值為有效值上傳至主控。

3.2主控軟件設計

啟動主程序時，首先初始化軟硬件設置，建立無線傳感器網絡連接，啟動電源管理策略，開始進入采集環境關鍵因子循環。有針對性地預先設置環境因子對比庫，根據經驗設置閾值、參數對比邏輯，設置不同的溫室大棚數值，每次采樣信息數據均須進行存儲，以便進行后續經驗數據分析。用戶可根據作物的實際情況設定關鍵環境因子的閾值，執行操作后繼續觀測反饋狀態，如進入了報警范圍則啟動故障報警及信息處理功能模塊（圖3）。

4低功耗電源管理算法設計

常用的電源管理策略有靜態電源策略、動態電源策略2種。靜態電源策略是指系統在初始化過程中的電源低功耗管理技術。動態電源策略是指CPU運行過程中的低功耗技術。調整程序運行頻率，當系統忙時提高CPU運行速度，系統空閑時CPU處于睡眠狀態；降低I/O口的平均電流、電壓，電流、電壓不變時減少供電時間，從而降低系統功耗。本系統采用動態電壓電源管理（dynamic power management，DPM）技術，確保節點在主控芯片的控制下，始終能夠在節能模式運行，有必要的事件發生時可以讓主控芯片接管電源模塊[8-10]。系統主要DPM對象有電池、傳感器接口、射頻模塊、主控MCU。當檢測到電池電量不足時，對同一網路ID節點的轉發請求降低響應頻率。傳感器接口AD模塊的電源管理，主控掃描啟動后會分析當前狀態，區分正常電壓模式、自動掉電模式、自動待機模式3個模式。在正常電壓模式下，至少有一路AD在工作。當主控判斷當前所有AD接口均處于不采樣狀態時，自動掉電模式啟動，關閉AD以及傳感器電源。

5結論

為解決現場布線難、供電難的現狀，結合目前大棚環境監測需求的實際情況，筆者研制了基于WSN技術的低功耗大棚關鍵環境因子監控系統，達到降低全系統電能需求的目的，實際測試中，4 500 mA的鋰電滿電能供應溫度、濕度、光照3參數單節點正常運行10 d左右，配備太陽能充電模塊，可長期在設施大棚中工作而不斷電。同時，系統主控與傳感網絡通過串口連接，具有易擴展、易操作的優點。本系統組網速度快、節點現場布置靈活、性能穩定可靠，可長期有效監測溫室大棚的環境參數，具有一定的應用價值。

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[10]白斌，韓國棟，姜玲玲. 基于隊列的動態電源管理策略[J]. 計算機工程與設計，2009，30（21）：4875-4877，4959.楊業娟，屠莉. 基于蟻群算法的水果圖像分割技術[J]. 江蘇農業科學，2014，42（9）：380-382.endprint