基于SI4432和SIM900A的溫室環境監測系統設計

李興山 王曉超

摘要：針對傳統溫室環境監測采用有線通信方式的不足，提出了1種基于無線通信技術的智能溫室環境監測系統的架構及應用實施方案。該系統以射頻芯片SI4432為基礎構成短距離無線通信模塊，模塊通過配置相應的傳感器對溫室環境中的空氣與土壤溫濕度等信息進行采集，并將采集信息通過由SIM900A構建的GSM模塊傳送至遠程監控中心。結果表明，該系統具有操作簡單、部署靈活等特點，系統傳輸數據的正確率在95.0%以上。

關鍵詞：溫室；監控；GSM網絡；無線傳感器網絡；通信；平臺

中圖分類號：TP274+.2；S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0426-03

智能溫室是設施農業的一個重要領域，它是指配置有計算機控制的遮陽系統、溫控系統、濕度控制系統、二氧化碳控制系統等構成的自動化設施。通常，1個智能溫室控制系統由基于傳感器的感知系統、控制中心、控制系統、信息傳輸網絡構成。其中，信息傳輸網絡關系到感知數據的自動化監測和自動傳輸的正確性和有效性，是智能溫室設計中須要重點關注的一個環節。

根據信息傳輸介質的不同，信息傳輸網絡可分為有線通信方式、無線通信方式2種。有線通信通常采用RS485總線通信方式[1]、CAN總線通信方式[2]等，盡管該方式具有價格便宜、可靠性好等優點，但也有明顯的不足，如須要在監控現場布線，布線結束后監控設備基本上不能再調整位置。而現代化溫室的整體結構越來越復雜，且常須要根據市場情況不斷調整所種植的植物種類，因此須要經常調整監控設備的位置和種類，使有線方式不能很好地適應這種變化。與有線通信方式相比，無線通信方式則具有部署方便、維護成本較低、可以根據需要增加或減少測量節等優點，因此目前在智能溫室設計中正逐步取代有線通信方式。

無線通信方式可分為短距離無線通信、長距離無線通信。短距離無線通信通常是指在較小的區域內（數百米）通過無線電波傳輸技術提供無線通信的技術。當前，典型的用于智能溫室的無線通信方式有藍牙（Bluetooth）[3]、ZigBee技術[4]、射頻識別（RFID）技術[5]。長距離無線通信方式是指超過1 200 m的無線通信方式，例如數傳電臺、全球移動通信系統（GSM）[6]等。GSM網絡具有覆蓋區域廣、受環境影響小等特點，可用于分布式遠程數據采集和監控，被廣泛應用于各種監控系統。無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）是一種全新的信息獲取和處理技術，基于WSN構建的監控系統具有部署方便、成本低廉等優點，并可有效實現環境信息的采集和傳輸，為溫室環境監控提供了一種新穎的、低成本的解決方案[7]。本研究綜合長距離無線通信方式和短距離無線通信方式的優點，研發了一種基于無線通信方式的智能溫室環境監控系統。該系統結合嵌入式技術和無線通信技術，實現對溫室作物生長環境（如空氣與土壤溫濕度）的監控。在該系統中，每個監測節點配置有短距離通信模塊，節點間通過自組織方式形成無線傳感器網絡，將溫室內的環境數據傳送至每個溫室的匯聚節點；通過GSM網絡，由匯聚節點將監測信息送至遠端的監測控制中心。

1 系統整體結構

該系統主要由無線傳感器節點、匯聚節點、遠程控制中心構成，系統整體結構如圖1所示。

在該系統中，傳感器節點都配置有短距離無線通信模塊SI4432，節點可通過自組織方式形成層次型的無線傳感網絡。每個溫室形成1個以匯聚節點為根節點的樹狀子網，信息在網絡中傳輸時采用“多跳”方式實現。每個溫室有1個匯聚節點，匯聚節點上除配置有無線通信模塊外，還配置了GSM通信模塊，用于實現基于GSM網絡的遠程監控。

2 傳感器節點硬件設計

傳感器節點主要由微處理器模塊、短距離無線通信模塊、傳感器模塊、電源模塊4部分構成。首先，通過節點配置的傳感器監測溫室內部的環境因子，經過處理后傳送至微處理器，微處理器對該信息進行處理后通過無線通信模塊傳給匯聚節點。傳感器節點的硬件結構如圖2所示。

（1）微處理器模塊。微處理器模塊主要功能是對數據進行處理后傳送。選用的微處理器是TI公司生產的16位的MSP430f149[8]，工作電壓為1.8～3.6 V，休眠情況下的電流為0.8 μA，2個16位的定時器，集成12位的A/D轉換，通用的全雙工異步串行口，60 kB的片內FLASH和2 kB RAM，具有速度快、功耗低、抗干擾能力強的優點，適用于開發和設計單片系統。

（2）無線通信模塊。無線通信模塊的主要功能是將節點信息通過無線方式傳送出去。選用的是美國SiliconLaboratories公司生產的SI4432芯片[9]，該芯片是一款CMOS的ISM無線射頻收發器，頻段240～930 MHz連續可調，工作電壓為1.8～3.6 V，接收模式的電流為18.5 mA，提供SPI接口與微處理器相連。節點設計上，考慮到433 MHz具有較好的穿越障礙的能力，配置SI4432工作在433 MHz。

無線通信模塊可工作在4種狀態：發送、接收、空閑、休眠。由于空閑狀態與收發數據時的能耗較高，所以設計中根據監測需求設置無線通信模塊處于休眠狀態以降低電源消耗。

（3）傳感器模塊。傳感器模塊的功能是對溫室內部的關鍵環境因子（空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳、光照度）進行檢測。

設計中空氣溫濕度采用的是瑞士Sensirion公司生產的SHT75，供電電壓為2.4～5.5 V，提供I2C總線與微處理器交換數據。與微處理器的接線方式如圖3所示。

土壤溫度傳感器采用的是DS18B20，工作電壓為3.0～5.5 V，采用一線總線與微處理器交換數據。

土壤濕度傳感器選用的是L2610281，工作電壓為（12.0±2.4 ）V，輸出信號為0～5 V的模擬量。二氧化碳傳感器選用MG811，工作電壓（6.0±0.1） V，輸出信號為30～50 mV的模擬量。光照度傳感器選用TSL2561，工作電壓2.7～3.5 V，輸出信號是數字量，可通過I2C總線與微處理器交換數據。

（4）電源模塊。考慮到部分節點的供電電壓需要12 V，設計中采用市電與普通干電池聯合供電的方式。

3 匯聚節點硬件設計

匯聚節點不僅需要收集處理探測節點的數據，而且需要向遠端處理中心傳送數據，因此，與傳感器節點相比，匯聚節點需要更強的處理能力和運行速度，設計中采用了具有豐富片上資源的三星公司開發的基于ARM9的嵌入式芯片S3C2440。S3C2440芯片配置有LCD控制器、3通道UART、2通道SPI、1通道I2C，工作頻率可達400 MHz，在休眠模式可工作，是一款高性能、體積小、低功耗的微處理器芯片。匯聚節點的硬件結構如圖4所示。〗

設計中，采用4.3寸的LCD觸摸屏實現人機交互控制，采用USB卡存儲歷史數據等信息。遠程通信使用的GSM模塊采用的是英國SIMCOM公司的SIM900A，工作電壓為 3.2～4.8 V，支持頻段900/1 800 MHz，可采用單電源供電。具有較高的集成度且使用簡單，只需要添加電源、SIM和通信接口等外圍接口電路，即可實現遠程無線通信功能。通過向用戶提供標準的AT命令接口，為數據、語音、短消息提供了快速、可靠的傳輸。SIM900A可通過芯片自帶的串行口與S3C2440進行信息交換。短距離無線通信使用的射頻通信模塊是SI4432。鑒于匯聚節點的硬件有LCD觸摸屏、GSM模塊等功耗較高的模塊，因此采用“市電-蓄電池”聯合供電模塊供電。市電通過充放電控制電路與12V/38AH蓄電池相連。當有市電時，通過市電對匯聚節點供電；當無市電時，可通過蓄電池經電源控制電路向匯聚節點供電。

4 系統軟件設計

4.1 傳感器節點軟件設計

傳感器節點上的軟件采用C語言編程實現。主要包括主程序、數據采集子程序、收發子程序等。系統上電后，首先進行系統初始化，完成對無線通信模塊的設置，系統內部時鐘設置；然后開始對環境參數進行監測。為了提高節點能量的使用效率，傳感器節點的工作模式為：休眠、喚醒、正常工作3種狀態。在休眠狀態下，MSP430f149進入低功耗狀態，射頻模塊處于低電流的接收狀態。在節點內部設置定時器，當定時時間到后，節點被喚醒，開始監測發送數據，并將鄰居節點傳送過來的數據進行轉發。當工作時間結束后，節點轉為休眠狀態（圖5）。

4.2 匯聚節點軟件設計

系統軟件采用Linux作為操作系統。匯聚節點的軟件結構分為驅動層和應用層（圖6）。系統上電后，首先進行系統初始化；然后調用驅動層程序讀取傳感器數據，對接收到的傳感器節點的數據進行分析，并根據設置執行繼電器開合、報警、顯示等工作。

4.3 通信協議設計

根據溫室內部結構，系統采用了樹形拓撲結構。構建數據匯集樹的步驟如下：系統上電后首先由匯聚節點發送廣播幀，廣播幀中包含到匯聚節點的跳數信息（初始值為0）和節點當前剩余能量。當傳感器節點接收到該幀后，提取跳數信息，如果比記錄的跳數信息大1，則修改跳數字段和剩余能量字段向外轉發。如果收到的廣播幀跳數字段與自己記錄的跳數字段相同，則不進行轉發。當網絡運行一段時間后，每個節點都可得到自己距離匯聚節點的跳數。然后，根據鄰居節點的剩余能量及跳數，選擇一個鄰居節點作為自己的下一跳節點。此外，將形成一個以匯聚節點為根節點的數據收集樹。最后，每個節點根據樹的高度和自己連接的鄰居節點數設置定時時間，按定時時間進行休眠、喚醒、工作狀態的轉換。

5 測試結果

根據文中的設計，在中國南部省份的1個溫室大棚中進行了測試。10個節點（含匯聚節點）部署在1個24 m×60 m的溫室大棚中。設置節點每1 h采集1次數據。報警溫度下

限設置為10 ℃，相對濕度報警下限設置為50%，測試時間10 d。信息包在測試時間期中總的數據包傳輸率如表1所示。從表中可知，節點的數據包傳輸成功率在95%以上，能保證監測數據的準確性。用戶接收到的短信報警信息如圖7所示。

6 結論

本研究針對溫室環境監控的需要，設計了一種基于無線通信方式的溫室環境信息實時監控系統。該系統通過采用短距離無線通信芯片SI4432和遠程無線通信芯片SIM900A構建的無線傳感器網絡不僅有效克服了傳統有線通信方式部署不靈活的缺點，而且具有低成本、低功耗、系統結構靈活、擴展性好等優點，將為溫室環境監控系統的選擇提供參考。

參考文獻：

[1]]楊 靖，白保良，李澤滔. 溫室環境監控系統的設計——基于RS-485總線和無線通信方式[J]. 農機化研究，2013，35（10）：166-170.

[2]徐 津，杜尚豐，趙興炳，等. 基于CAN總線的溫室智能控制節點的開發[J]. 儀器儀表學報，2004，25（z1）：522-523.

[3]楊 瑋，李民贊，王 秀. 農田信息傳輸方式現狀及研究進展[J]. 農業工程學報，2008，24（5）：297-301.

[4]韓華峰，杜克明，孫忠富，等. 基于ZigBee網絡的溫室環境遠程監控系統設計與應用[J]. 農業工程學報，2009，25（7）：158-163.

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[7]李 莉，李海霞，劉 卉. 基于無線傳感器網絡的溫室環境監測系統[J]. 農業機械學報，2009，40（z1）：228-231.