基于無線傳感器網絡的智能生態保障系統

Intelligent Ecological Guarantee System Based on Wireless Sensor Network

許　東　高　杰

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京　100191)

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基于無線傳感器網絡的智能生態保障系統

Intelligent Ecological Guarantee System Based on Wireless Sensor Network

許東高杰

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191)

摘要：為滿足多功能、多給水條件，研究設計了一種基于無線傳感器網絡的智能生態保障系統。以CC2530芯片為基礎設計了傳感器節點和給水控制節點;以低功耗MSP430芯片結合CC2530設計了主控節點。系統可以根據預設的植物種類、時間信息確定植物的生長周期，并依據感知的環境參數，針對植物的不同生長周期生成灌溉策略來實現自動灌溉。測試結果表明，系統提供了對自來水、無壓蓄水等不同給水條件的適應能力，克服了現有系統功能單一、使用范圍小、灌溉控制不合理的缺點。

關鍵詞：傳感器網絡生態保障系統生態環境智能控制人機交互給水控制

Abstract：To meet the conditions of multi-function and multi-feed-water,the intelligent ecological guarantee system based on wireless sensor network is researched and designed.The sensor nodes and the feed water nodes are designed on the basis of CC2530 chips,and the main control node is designed by combining CC2530 chip and low power consumption chip MSP430.In accordance with the preset plant species and the time information,the growth cycle of plants can be determined by the system.In addition,based on perceived environmental parameters and different growth cycle of the plants,the irrigation strategies are generated for implementing automatic irrigation.The test result shows that the system provides the adaptability for different conditions of water supply,such as tap water,non-pressure water storage,and so on,and overcomes the shortcomings of sole function,small applying scope and unreasonable irrigation control in existing systems.

Keywords:Sensor networkEcological guarantee systemEcological environmentIntelligent controlHuman machine interaction

Feed water control

0引言

植物的生長需要合適的環境，對水分、溫度、光照等因素的有效控制是現代生態保障研究中的重要課題。利用保障系統對生態環境中溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤等環境因子進行控制，從而達到植物生長的最佳條件[1-3]。隨著技術的發展，特別是無線傳感網絡技術的發展，ZigBee技術具有設備成本低、網絡功耗低、組網簡單靈活、數據傳輸安全可靠等特點，在生態環境保障領域中得到了廣泛應用[4-6]。

現有的生態保障系統仍存在一定的問題，難以滿足當前生態保障技術需求：功能單一，難以適應復雜的生態保障要求；沒有考慮在無壓蓄水情況下的控制問題，對給水條件的要求較高；智能化程度不高，不能根據植物對水分的不同需求進行有針對性的保障控制[7-8]。

綜上所述，亟需一種多功能、適用于多種給水條件并且能夠滿足不同種類植物在不同生長周期對水分需求的生態保障系統，以提高生態保障系統的自動化、智能化水平。

1系統總體結構

植物在不同的生長周期對水分的需求是不斷變化的，需要綜合環境溫/濕度、光照強度、土壤水分等因素，進行保障控制。本文設計的一種生態保障系統結構示意圖如圖1所示。

圖1　系統結構示意圖

系統包括傳感器節點、給水控制器節點和主控節點。傳感器節點分布式部署在環境中，其攜帶溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤濕度傳感器，負責采集環境參數(環境溫/濕度、光照強度和土壤濕度)數據。主控節點是整個生態保障系統的核心，存儲了多種植物在不同生長周期所需的最佳環境條件。主控節點負責接收傳感器節點發送的環境參數數據，通過查詢時間信息確定當前植物所處的生長周期，制定相應的控制策略，產生控制命令并發送至給水控制器節點。給水控制器節點接收主控節點發送的控制命令，驅動相應的給水設備，完成給水控制任務，使得生態環境能夠達到植物生長所需的最佳條件。

2硬件設計

傳感器節點和給水控制節點都是基于CC2530芯片設計的，雖然這兩種節點在功能上不同，但是在硬件結構上有很多相似的地方。為了減少系統的復雜性并增加節點的通用性，可設計一塊核心板，包含兩節點相同的部分，留有傳感器模塊與控制器模塊接口。當傳感器模塊接入時，為傳感器節點；當控制器模塊接入時，為給水控制節點。

2.1核心板設計

核心板主要由無線處理器模塊、電源模塊、傳感器模塊和控制器模塊構成，其硬件結構如圖2所示。

圖2　核心板結構框圖

無線處理器采用TI公司的CC2530芯片。CC2530的主要特點如下：采用了增強型工業標準8051MCU，具有高達256 kB可編程閃存和8 kB的RAM；結合了一個高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心與IEEE 802.15.4/ZigBee協議；具有4種電源管理模式，可靈活配置系統工作模式以降低系統功耗，工作電流損耗僅為29 mA。因此，CC2530具有體積小、功耗低、成本低等特性，完全滿足無線傳感器網絡節點的設計要求[9]。

考慮到系統應用在無人看守的野外或者室外，采用2～3節5號干電池供電。利用升壓芯片TPS61032將干電池升壓至5 V，然后通過AMS1117芯片降壓得到3.3 V的電壓，以滿足系統的電壓要求。

2.2傳感器模塊設計

在本文設計中，針對生態保障的要求，需要對環境溫度、濕度、光照強度和土壤濕度4個環境參數進行監測。結合CC2530的特點和監測的要求，傳感器模塊選用SHT11溫濕度傳感器、BH1750FVI光照傳感器和濕敏土壤傳感器。

SHT11是一款數字溫濕度傳感器芯片。它接口非常簡單，工作電壓范圍為2.4～5.5 V，默認的測量溫度和相對濕度的分辨率分別為14位、12位，通過狀態寄存器可降至12位、8位[10]。

BH1750FVI芯片是一種支持IIC總線接口的16位數字輸出型環境光強度傳感器集成電路。其分辨率高，可探測較大范圍的光強度變化(1～65 535 lx)，具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，光源依賴性弱，受紅外線影響小，能夠實現穩定的測定[11]。

濕敏土壤傳感器采用濕敏電阻實現土壤濕度的測量，通過模擬數字轉換器(ADC)可將濕度信號轉換為電壓信號，根據測量的電壓值計算土壤的濕度值。該土壤濕度傳感器結構簡單，成本低，十分利于普及和推廣[12]。

2.3控制器模塊設計

控制器模塊主要是提供直流電源輸出接口，通過電源輸出接口的通/斷電完成設備的驅動。該接口能夠驅動不同設備。本文所設計的輸出接口既可驅動電磁閥控制自來水，也可驅動小功率水泵控制無壓蓄水，能夠適用于不同給水條件的應用。在驅動設備時需要幾百毫安的大電流，這就需要對該接口進行隔離處理，否則會燒毀控制芯片。考慮以上因素，選用驅動芯片ULN2003完成接口驅動。

2.4主控節點設計

主控節點是系統的核心，其結構框圖如圖3所示。主控節點包括處理器芯片、時鐘模塊、存儲模塊、顯示模塊、按鍵模塊、無線通信模塊和電源模塊。

處理器芯片采用TI公司的MSP430F169，MSP430F169是一款16位超低功耗的混合信號控制器，具有4種超低功耗模式和5種節電模式，是目前功耗最低的單片機。它具有高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊，內部集成看門狗定時器、12位ADC、DMA控制器、液晶驅動器、串行通信(UART、IIC、SPI)等，還自帶多達2 kB的RAM和60 kB的Flash存儲器，這些性能使得它被應用于各類智能儀器儀表中[13]。

圖3　主控節點結構框圖

時鐘模塊為整個系統提供時間參考，通過讀取時鐘模塊的時間信息，可判斷植物所處的生長周期，從而能夠制定出該生長周期的控制策略。存儲模塊中存儲了多種植物在不同生長周期所需的最佳環境數據。顯示模塊和按鍵模塊提供了一個簡單的人機交互方式，通過按鍵模塊可以操作主控節點，進行功能的選擇和信息的查詢。

無線通信模塊采用上文已設計的CC2530核心板，主要負責接收傳感器節點發送的環境參數數據和發送控制命令到給水控制節點。電源模塊為主控節點提供能量。

3軟件設計

3.1實驗對象和目的選擇

所設計的生態保障系統要解決的問題：針對植物處于不同生長周期時所需的水分不同，通過控制技術實現這種變化的環境需求。選取番茄為實驗植物，并通過控制其生長過程中對水分的需求，給出所設計的生態保障系統的工作原理和控制結果。

番茄的生長周期分為發芽期、幼苗期、果實膨大期和盛果期。具體的生長周期如表1所示。該表也反映了番茄在不同的生長周期對于環境中土壤濕度的需求是不同的[14]。

表1　番茄生長周期與土壤濕度需求表

3.2主控節點程序

主控節點的軟件流程如圖4所示。主控節點上電初始化后建立無線網絡，發送采集命令給傳感器節點并接收傳感器節點發送的環境參數數據，再通過讀取系統時間信息，判斷番茄處于何種生長周期，并制定與該生長周期對應的控制策略。根據已制定的控制策略，處理環境參數數據，產生控制命令，并發送給給水控制節點進行控制，保障土壤濕度處于最佳條件。

圖4　主控節點流程圖

3.3傳感器節點程序

傳感器節點的軟件流程如圖5所示。

圖5　傳感器節點流程圖

該程序的主要作用：將傳感器節點接入主控節點建立的無線網絡，接收主控節點發送的采集命令，分析采集命令，根據采集命令讀取各傳感器，獲得環境參數數據。將所測的環境參數數據進行匯集并簡單融合后，發送給主控節點，供主控節點決策。

3.4給水控制節點程序

給水控制節點的軟件流程如圖6所示。

圖6　給水控制節點工作流程圖

給水控制節點的主要作用是將給水控制節點接入主控節點建立的無線網絡，接收主控節點發送的控制命令。當有控制命令由主控節點發送過來時，分析控制命令，根據控制命令對給水控制節點上的直流電源接口進行控制，驅動電磁閥或者水泵工作，完成土壤需水量的供給。控制完成后，將控制的情況反饋到主控節點，供主控節點參考決策下一次控制命令。

4實驗結果與討論

將系統部署在測試環境中，進行實驗測試。每日每隔4 h對環境數據進行采集，并以日均數據作為決策數據，測試結果如表2所示。

表2　系統測試結果表

由表1可知，番茄處于發芽期時，最佳土壤濕度為80%，利用采集的環境數據進行決策，經智能決策，3月23日不需要進行控制；3月24日根據智能決策結果，需要進行給水控制，計算控制時間，需要完成1 min的水分補給控制。當番茄處于幼苗期時，最佳土壤濕度為50%，利用采集的環境數據進行決策，經決策此時滿足環境要求，不需要進行控制。

5結束語

如何保障植物在不同生長周期所處的環境是最佳的，一直是生態環境保障方面的一個難題。本文設計的基于無線傳感器網絡的智能生態保障系統，通過利用系統時間為參考，判別植物處于何種生長周期，進而制定合理的控制策略進行保障控制，從而滿足植物對于環境的變化要求。通過測試不同生長周期的番茄對于土壤濕度的需求，結果說明系統工作良好，能夠保障番茄在不同生長周期總處于最佳的土壤濕度環境中。該系統不僅能保障文中所測試的土壤濕度，還能保障光照、CO2濃度等環境因子，具有廣泛的應用性，可應用于無人看守的果園、溫棚、蔬菜基地等。

參考文獻

[1] 劉方,栗震霄.我國農業溫濕控制系統控制模式的研究[J].農機化研究,2008(10):223-226.

[2] Song Yongxian,Ma Juanli,Zhang Xianjin,et al.Design of wireless sensor network based greenhouse environment monitoring and automatic control system[J].Journal of Networks,2012,7(5):838-844.

[3] 胡瑾,樊宏攀,張海輝,等.基于無線傳感器網絡的溫室光環境調控系統設計[J].農業工程學報,2014,30(4):160-167.

[4] 崔莉,鞠海玲,苗勇,等.無線傳感器網絡研究進展[J].計算機研究與發展,2005,42(1):163-174.

[5] 李文仲,段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社,2007:24-27.

[6] 鄧昀,程小輝.智能灌溉系統的無線傳感器網絡設計[J].自動化儀表,2013,34(2):80-83,88.

[7] 周曉,李杰,邊裕挺.基于無線傳感網絡的環境溫度監測系統設計[J].浙江工業大學學報,2013,41(4):440-443.

[8] 趙敏華,李莉,呼娜.基于無線傳感器網絡的水質監測系統設計[J].計算機工程,2014,40(2):92-96.

[9] 莊立運,魯慶,王曉暉,等.基于CC2530的大棚溫濕度無線采集節點設計與實現[J].湖北農業科學,2014,53(3):582-585.

[10]任紅建,朱玲玲,楊愛琴.果園數據采集和監控的低功耗節點設計[J].計算機測量與控制,2012,20(12):3246-3248,3256.

[11]高英明,張環月,鄒念育,等.一種多功能照度計的設計[J].計算機系統應用,2012,21(3):252-255.

[12]施山菁,封維忠,韓晨燕,等.基于無線傳感器網絡的土壤濕度監控系統[J].測控技術,2013,32(12):118-121.

[13]肖振鋒,袁榮湘,鄧翔天,等.基于MSP430F169的遠程智能故障監測器[J].電力自動化設備,2013,33(1):160-164.

[14]張勝.基于ZigBee無線傳感網和模糊控制的溫室番茄智能灌溉系統設計[D].杭州：浙江大學，2011.

中圖分類號：TP273;TH86

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602010

北京市自然科學基金資助項目(編號：4122044)。

修改稿收到日期：2015-08-20。

第一作者許東(1973-)，男，2002畢業于東南大學模式識別與智能系統專業，獲博士學位，副教授；主要從事無線傳感器網絡的研究。