基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 鐘，張盛龍，房安康，肖伶俐，楊 靖

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025)

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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 鐘，張盛龍，房安康，肖伶俐，楊 靖*

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025)

針對(duì)溫室環(huán)境監(jiān)控的需要，設(shè)計(jì)了一種用MSP430作為控制終端的溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器采集信息，然后以無線傳送方式將信息發(fā)送至主控制器上和上位機(jī)。初步測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有部署方便、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，適合在溫室環(huán)境監(jiān)控中使用。

MSP430；溫室控制；傳感器；無線網(wǎng)絡(luò)；上位機(jī)監(jiān)控

隨著社會(huì)的發(fā)展，農(nóng)民對(duì)于生產(chǎn)效率的要求在逐步提高。大棚作物作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要形式，對(duì)溫室大棚進(jìn)行高效的管理，就成了提高作物生產(chǎn)效率的主要因素。有效的溫室大棚管理，能防止因?yàn)樗帧囟取⒍趸嫉牟蛔愣鹱魑锏貌坏匠浞值纳L(zhǎng)，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益降低。傳統(tǒng)的溫室大棚多采用人工方式讀取溫室內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)，從而做出相應(yīng)的控制，控制精度不高。隨著物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚進(jìn)行智能化管控成為了可能。通過傳感器技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)等完成從傳感器接收信號(hào)到主控制器顯示和上位機(jī)監(jiān)控的功能。為滿足溫室環(huán)境的需要，筆者設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，采用低功耗且功能強(qiáng)大的MSP430微處理器作為控制器，底層的無線傳感器節(jié)點(diǎn)在部署后通過自組織方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在主控制器上進(jìn)行顯示和實(shí)現(xiàn)控制功能，比如打開風(fēng)機(jī)、打開電磁閥、打開補(bǔ)光措施等，并將這些信息發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)通過使用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行，供進(jìn)一步的處理和分析。系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)間通過短距離無線方式通信，沒有布線的困擾，且節(jié)點(diǎn)部署靈活，對(duì)多個(gè)溫室大棚進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，具有較好的可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)、主控制器、上位機(jī)等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

通過分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)溫室的土壤溫濕度、室內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等信息進(jìn)行采集，然后將這些信息以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送到主控制器，由主控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)處理，通過控制補(bǔ)光系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等底層控制器對(duì)整個(gè)溫室的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行宏觀調(diào)控，使溫室系統(tǒng)達(dá)到適合植物生長(zhǎng)的水平。上位機(jī)將這些數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)供用戶參考。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)由若干個(gè)底層傳感器節(jié)點(diǎn)、主控制器、控制裝置、上位機(jī)組成。一個(gè)MSP430連接1～2個(gè)傳感器，通過nRF905對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線通訊。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是對(duì)溫室的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行采集和發(fā)送，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在無線傳感器的設(shè)計(jì)中，用到的無線射頻裝置是nRF905。它擁有433MHZ開放ISM頻段免許可證使用，最高工作速率可達(dá)50 kpbs，抗干擾能力強(qiáng)，使用于多種場(chǎng)合，并且含有125個(gè)頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要，內(nèi)置硬件CRC 檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制，低功耗1.9～3.6 V 工作，待機(jī)模式下狀態(tài)僅為2.5 uA，收發(fā)模式切換時(shí)間小于650 us，模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，軟件編程非常方便[2]。nRF905有2種活動(dòng)模式：ShockBurst RX 和ShockBurst TX。2種節(jié)電模式：掉電和SPI編程以及STANDBY和SPI編程。

2.2 主控制器與控制裝置的設(shè)計(jì)主控制器在整個(gè)溫室中起到了顯示功能、傳輸數(shù)據(jù)功能、對(duì)控制裝置的控制功能，是整個(gè)溫室智能化的核心之所在。

2.2.1主控制器的設(shè)計(jì)。主控制器放置在溫室的側(cè)面，專門對(duì)溫室的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行顯示，方便用戶觀察和檢查溫室狀況。同時(shí)主控制器在傳感器網(wǎng)絡(luò)中還有基站節(jié)點(diǎn)的作用，通過基站節(jié)點(diǎn)向底層傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)組網(wǎng)廣播幀使得整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自組織成網(wǎng)的功能，然后接收來自底層網(wǎng)絡(luò)所發(fā)送的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示分析。具體設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

2.2.2控制裝置的設(shè)計(jì)。控制裝置主要有自動(dòng)給水系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)。主控制器從傳感器網(wǎng)絡(luò)中接收到關(guān)于溫室各個(gè)部分的詳細(xì)參數(shù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后給相關(guān)的控制裝置發(fā)出命令，通過控制裝置的動(dòng)作，改變整個(gè)溫室的環(huán)境，從而使得溫室內(nèi)的參數(shù)在一個(gè)給定的范圍內(nèi)波動(dòng)。

2.2.3主控制器和控制裝置的布置。主控制器是一個(gè)為用戶提供溫室信息，使用戶不用進(jìn)入溫室就能查看到溫室內(nèi)的各種參數(shù)的器件，所以在布置的時(shí)候可以將主控制器放置在溫室大棚的側(cè)面。而相應(yīng)的控制裝置，則通過其不同的作用和占地面積來進(jìn)行調(diào)整。一般情況下，可以將補(bǔ)光系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)放置在大棚的頂部，而自動(dòng)給水系統(tǒng)均勻的放置于溫室內(nèi)部的土壤里。在該研究設(shè)計(jì)中，自動(dòng)給水系統(tǒng)采用的主要元器件是電磁閥和花灑噴頭。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過對(duì)nRF905傳輸距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)論之一就是在有障礙物的前提下，nRF905的傳輸距離為30 m。這個(gè)距離完全能適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)在溫室大棚之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)采用了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過主控制器(基站節(jié)點(diǎn))來收集整個(gè)溫室的全部數(shù)據(jù)。整個(gè)通訊系統(tǒng)是通過廣播幀的收發(fā)來實(shí)現(xiàn)自組織成網(wǎng)[3]。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的程序都運(yùn)行著同樣的程序，用戶在向系統(tǒng)添加節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，只需要將節(jié)點(diǎn)放入網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)就可以在整個(gè)系統(tǒng)中工作。

3.1.1nRF905收發(fā)數(shù)據(jù)。MCU通過SPI對(duì)nRF905進(jìn)行控制，使其發(fā)送數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)。

通過SpiWrite 函數(shù)發(fā)送WTP命令，準(zhǔn)備寫入TX有效數(shù)據(jù)，然后循環(huán)調(diào)用SpiWrite向TX-Payload寄存器寫入TX有效數(shù)據(jù)(中間夾有CSN電平變化)，延時(shí)一段時(shí)間過后，通過SpiWrite函數(shù)發(fā)送WTA命令，準(zhǔn)備寫入TX地址，循環(huán)調(diào)用SpiWrite向TX-Address寄存器寫入TX地址，關(guān)閉SPI并進(jìn)入發(fā)送模式，發(fā)送數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，必須將TRX_CE引腳置低，使nRF905進(jìn)入standby模式，然后向nRF905發(fā)送RRP指令，準(zhǔn)備寫入RX有效數(shù)據(jù)，通過循環(huán)調(diào)用SpiRead函數(shù)，來讀取接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)DR和AM引腳復(fù)位為低電平(中間夾有CSN電平變化)，數(shù)據(jù)包接收完成。

3.1.2主控制器程序設(shè)計(jì)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制器的時(shí)候，主控制器通過對(duì)幀的定義原則來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理。

通過向節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播幀，節(jié)點(diǎn)通過所到廣播幀對(duì)自己上一跳節(jié)點(diǎn)做出應(yīng)答，并形成一個(gè)路由表，用來記錄節(jié)點(diǎn)信息，當(dāng)應(yīng)答幀發(fā)送到基站節(jié)點(diǎn)(主控制器)時(shí)，就說明整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)組網(wǎng)成功。

廣播幀只在節(jié)點(diǎn)和主控制器上電的時(shí)候才發(fā)送，其他時(shí)候，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息以及主控制器所接收到的信息為傳感器所接收的信息。不管接收到的信息是否超過范圍，主控制器都會(huì)將數(shù)據(jù)顯示出來，供用戶檢查，如果超過范圍則執(zhí)行控制裝置對(duì)溫室進(jìn)行調(diào)控。同時(shí)將信息發(fā)送到上位機(jī)，供用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控。主控制器信息處理流程見圖4。

3.1.3系統(tǒng)綜合測(cè)試。在綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，使用了6個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)如圖5所示。通過采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，主控制器將數(shù)據(jù)顯示出來，如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。從硬件和軟件兩方面介紹了整個(gè)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并搭建一個(gè)附有溫室功能的模型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和調(diào)試，結(jié)果顯示，該研究設(shè)計(jì)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于智能溫室。

[1] 高章飛，朱善安.基于MSP430和nRF905的多點(diǎn)無線通訊模塊[J].電子器件，2006(9)：265-267.

[2] Product_Specification_nRF905_v1.5[EB/OL].(2008-04)http：//www.nordicsemi.com/eng/nordic/download_resource/8075/1/37743305.

[3] 趙明，徐科軍，倪偉.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和通信協(xié)議研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005(8)：630-632.

Design of Greenhouse Control System Based on Wireless Sensor Network

WANG Zhong, ZHANG Sheng-long, FANG An-kang, YANG Jing*et al

(Electrical Engineering College, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025)

Aiming at the demand of monitoring greenhouse environment, a monitoring system for greenhouse is designed. The system used the MSP430 as the controller for the terminal unit. The system can gather the information from greenhouse environment by the sensors. Then, the information is transmitted to the main controller and the host computer. Preliminary experimentations showed that the system met the application requirements of greenhouse monitoring excellently and has a flexible structure and low cost.

MSP430; Greenhouse control; Sensor; Wireless sensor network; Host computer supervision

大學(xué)生國(guó)家創(chuàng)新

[貴大(國(guó))創(chuàng)字2014(012)]；貴州省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(黔科合GY字[2013]3061號(hào))；貴州省農(nóng)業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(黔科合NY字[2011]3108)；貴州省人才培養(yǎng)項(xiàng)目(黔科合人字[2013]11號(hào))；貴州省科學(xué)技術(shù)基金(黔科合J字[2013]2117號(hào))。

王鐘(1992-)，男，貴州赤水人，本科生，專業(yè)：自動(dòng)化。*通訊作者，教授，博士，從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用研究。

2015-02-02

S 126

A

0517-6611(2015)09-374-03