溫室環境無線傳感器節點設計

尹晶晶，徐振峰

(安徽國防科技職業學院 電氣技術學院，安徽 六安 237011)

溫室環境無線傳感器節點設計

尹晶晶，徐振峰

(安徽國防科技職業學院 電氣技術學院，安徽 六安 237011)

針對目前國內溫室環境參數有線監測系統的不足，設計了一種溫室環境無線傳感器節點。節點硬件以Mica2節點為核心，使用SHT11傳感器測量室內溫度和相對濕度，使用TSL2561傳感器測量室內光照度。節點工作頻段433MHz，比2.4GHz頻段的無線傳感器節點具有更好的繞射傳輸能力。節點軟件設計采用TinyOS操作系統，用軟件看門狗提高節點的抗干擾能力，通過ACK傳輸機制提高無線通信質量。測試結果表明，該節點運行較穩定，可用于溫室環境實時監測。

無線傳感器網絡；溫室；環境因子；TinyOS

0 引言

近30年來我國溫室栽培得到了大力發展，目前溫室栽培面積已達到世界第一位[1]。不過，我國溫室環境調控整體水平較低，而且現有農業設施環境監控系統主要采用有線通信技術，如串行總線技術和現場總線技術等。這種系統雖然具有設備操作性好、抗干擾能力強等優點，但存在價格昂貴、施工復雜、而且節點不易擴展等缺點，因此極大地限制了其在設施農業領域中的應用[2-3]。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)為溫室環境監測提供了一種新方法。采用無線傳感網絡采集溫室內外環境因子，不僅可以省去大量的線纜、降低成本，還可以方便移動節點的位置。將無線傳感器網絡應用于溫室環境監控領域已不是嶄新的課題，國內外許多科技工作者進行了相關研究[4-7]。目前相關研究多采用工作于2.4GHz頻段的ZigBee無線通信協議。本文采用Mica2硬件節點和TinyOS操作系統，來設計溫室環境參數無線監測節點。節點工作于433MHz頻段，比2.4GHz頻段的無線傳感器節點具有更好的繞射傳輸能力。

溫室環境因子通常指的是作物根上環境因子，包括室內空氣溫度、相對濕度、光照度以及CO2濃度等[8]。室內空氣溫度是影響作物生長最為重要的環境因子，溫室環境小氣候控制就是室內空氣溫度的控制。相對濕度雖然對作物生長沒有直接影響，但過高的相對濕度容易滋生真菌，影響作物光合作用，阻礙作物對水分和營養液的吸收。過弱的光照度會導致作物光合作用不足，而過強的光照度不僅會灼傷室內作物，還會導致室內溫度過高。CO2氣體是作物進行光合作用的原材料，其濃度直接影響作物光合作用的強度和物質產生的效率。對于我國南方地區的溫室來說，由于運行過程中有充足的通風操作，因此室內CO2氣體濃度波動不大，能夠滿足作物光合作用的需求。本文將重點監測室內空氣溫度、相對濕度和光照度三個環境因子。

1 節點硬件設計

為了降低節點硬件的設計復雜度，選擇了集成ATmega128L單片機和CC1000無線收發芯片的Mica2硬件節點。CC1000具有低供電電壓、低功耗、高靈敏度的特點，-20-10dBm的可編程輸出功率和大約200m的傳輸范圍，完全適合溫室環境監測[7]。選擇了瑞士SENSIRION公司生產的數字傳感器SHT11來監測溫濕度。該傳感器具有響應速度快、精度高、穩定性好、無需再標定等優點[9]。其供電電壓為2.4V-5.5V。溫度測量精度為±0.4℃，量程為-40℃-123.8℃。相對濕度測量精度為±3%RH，量程為0%-100%。光照度感器選用了TAOS公司生產的數字傳感器TSL2561，該傳感器具有低功耗、寬量程、可靈活編程等特點[10]。其供電電壓為2.7V-3.8V，工作溫度范圍為-40℃-85℃。綜合兩個傳感器及Mica2節點的工作電壓范圍，確定節點工作電壓為3.3V。由于室內有線供電方便，因此設計了電壓轉換電路，即傳感器節點采用有線供電方式。電壓轉換模塊采用了深圳海凌科電子有限公司生產的AC-DC隔離降壓電源模塊HLK-PM03。該模塊具有低紋波、低噪聲以及輸出過載短路保護功能等優點[11]。節點硬件電路硬件結構如圖1所示。

圖1 傳感器節點硬件結構

由于SHT11傳感器的濕度輸出具有一定的非線性，為獲得精確的測量結果，需要對SHT11傳感器輸出的相對濕度數據進行修正，具體修正公式如式(1)所示[12]。相對濕度有12位和8位兩種測量數據，為盡可能獲得準確的測量結果，選擇了12位的測量結果。由于實際溫度與測試參考溫度25℃顯著不同，因此需要式(1)中的濕度信號再次進行溫度補償，具體公式如式(2)所示。

(1)

RHtrue=(T-25)·(t1+t2·SORH)+RHlinear

(2)

式中，c1，c2，c3分別取值為-2.0468，0.0367，-1.5955E-6；SORH為傳感器中測量的12位二進制數據；T為測量溫度值(℃)；t1，t2分別取值為0.01，00008；RHtrue為相對濕度最終的測量值(%)。

由于SHT11傳感器中所使用的能隙材料PTAT(正比于絕對溫度)與溫度具有很好的線性關系，因此可采用式(3)將數字輸出信號轉變為溫度值。

T=d1+d2·SOT

(3)

式中，d1，d2為待定系數；SOT為傳感器直接輸出的溫度數值。需要注意的是，當傳感器工作電壓不同時，式(3)中兩個系數d1和d2也會有所變化。雖然傳感器說明書給出了不同工作電壓下的系數值，但所列出的工作電壓值并沒有包括本文中所使用的3.3V。為此，采用高精度玻璃溫度計對傳感器數據進行了標定，最終確定兩系數d1和d2的值分別為-40和0.01。

2 節點軟件設計

在本系統中，采用TinyOS操作系統來實現節點軟件。TinyOS操作系統是專門為嵌入式無線傳感器網絡設計的開源操作系統，因此采用該系統可以方便設計節點軟件程序。傳感節點的任務是周期性地采集室內空氣溫度、相對濕度和光照度三種環境因子，并無線發送出去。通過設置定時器的方法實現對環境因子的周期采集。由于溫度、濕度和光照度隨時間變化比較緩慢，因此不必進行頻繁采集。這里將采集周期設置為5分鐘。節點主程序主要完成無線通信模塊的啟動、TSL2561傳感器和SHT11傳感器的啟動，以及設置周期定時器。每次定時時間結束時，觸發傳感器進行環境因子數據采集。

對于運行現場的傳感節點來說，溫室電力設備產生的電磁干擾以及節點本身產生的故障可能會影響節點的正常工作，而程序跑飛則會導致節點不能正常采集環境數據。因此需要采取措施以提高節點的抗干擾能力。在程序設計中增加了軟件看門狗，以確保程序跑飛時節點能夠自動復位。但TinyOS系統中沒有提供Mica2節點的看門狗組件。文獻[13]給出了兩種應用于TinyOS節點的看門狗設計方法：(1) 采用硬件看門狗；(2) 采用Buddy System看門狗，即多個節點相互周期性發送數據。當多個節點監測不到某節點的數據時，則確定其出現故障，然后向其發送“URDEAD”命令，以便該節點能夠重啟無線通信部分。但對于不帶有看門狗硬件的單個節點來說，上述兩種方法都不適用。由于Mica2節點采用的是ATmega128作為其微處理器，因此有關看門狗的操作即是對ATmega128看門狗的操作。這需要在當前文件夾中創建軟件看門狗的頭文件，并在其中定義看門狗的操作，以便在程序中調用。由于傳感節點的主要任務是周期性地讀取外部傳感器中的數據，因此當微處理器讀取傳感器數據時，啟動看門狗并設置足夠長的喂狗時間。正常情況下，微處理器在喂狗時間內完全可以完成數據的讀取功能，讀取完畢后關閉看門狗。如果讀取數據出現異常，導致微處理器不能及時獲得傳感數據，則看門狗定時時間結束時系統自動復位。每次定時結束后，傳感數據讀取流程如圖2所示。

圖2 定時結束后的程序執行流程

傳感數據讀取完畢之后，需要將數據打包，并無線發送出去。由于數據傳輸碰撞、通信距離等原因，無線通信質量明顯低于有線通信。如果每個周期內僅向外發送一次數據包，則很難確保目標節點能接收到該數據包。但如果每個周期內均向外發送多次數據，則會造成節點能量的浪費。為此，采用了接收確認機制(acknowledgement，ACK)。當源節點發送一個數據包時，如果目標節點成功接收到該數據包，則向源節點返回一個ACK信息。源節點接收到此ACK信息后，則不再向目標節點發送該數據包；否則重復發送該數據包，直到目標節點接收到該數據包或者達到一定的發送次數為止。源節點在請求ACK之前，需要設置最大發送次數，以防數據包不能被目標節點正常接收而造成無限制地重復發送原數據包。帶有ACK請求的數據發送流程如圖3所示。

圖3 帶有ACK的數據發送流程

3 測試試驗

將所設計的無線傳感器節點安裝在一座玻璃溫室內。該節點周期性采集室內空氣溫度、相對濕度和太陽照射強度，并無線發送至室外接收基站。無線通信基站也是基于Mica2硬件電路進行設計的，通過RS232接口傳送給上位機。基于Java技術在上位機開發了數據顯示軟件。圖4-圖6顯示了某日上午8：00-12：00所監測到的室內環境因子數據。測試結果顯示僅在9：50和9：55發生兩次數據丟包現象。可見傳感器節點能夠實現數據的實時采集和可靠傳輸。

圖4 室內溫度顯示(°C)

圖5 室內相對濕度(%)

圖6 室內光照度(Lux)

4 結語

本文設計了一種工作于433MHz頻段的溫室無線傳感器節點，能夠采集溫室內空氣溫度、相對濕度和光照度三種重要的環境參數。通過設計看門狗軟件，確保節點具有強抗干擾能力；采用ACK機制確保了節點具有可靠的無線通信質量。以上兩點使得所設計的節點能夠應用于溫室實際環境監測系統。實際測試結果表明，該節點無線傳輸性能比較穩定，這為進一步構建無線監測網絡奠定了基礎。該溫室環境無線傳感器節點的實現有利于今后提高溫室大棚種植業的科技含量與技術裝備水平。另外，在節點硬件上預留了其它I/O接口，方便今后連接其它傳感器以擴展節點所能監測的環境因子種類，諸如增加二氧化碳等氣體傳感器等。

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[責任編輯、校對：李琳]

Abstract：In order to overcome the deficiencies of the cable monitoring system,a wireless sensor node for monitoring the greenhouse environmental factors was designed.The node hardware was designed based on the Mica2 node.The digital sensor SHT11 was adopted to measure the indoor temperature and relative humidity.The sensor TSL2561 was adopted to measure the indoor illumination intensity.The node operates in the 433MHz band,and has the better diffraction transmission capability than that operating in the 2.4GHz band.The node software was developed based on the TinyOS operating system.The software watchdog was used to improve the anti-jamming ability of the nodes.The ACK mechanism was used to guarantee the good wireless communication quality.The test results show that the node can run stably and can be used to monitor the greenhouse environment in future.

Keywords：wireless sensor network;greenhouse;environmental factor;TinyOS

DesignofWirelessSensorNodeforGreenhouseEnvironment

YINJing-jing,XUZhen-feng

(School of Electrical Technology,Anhui Vocational College of Defense Technology,Lu′an 237011,China)

TP274；S625

A

1008-9233(2017)05-0057-04

2017-07-20

安徽省高校自然科學研究重點項目(KJ2016A121)

尹晶晶(1984-)，女，安徽六安人，講師，主要從事智能控制研究。