基于WSN和GPRS 远程温室大棚环境监测系统的研究

俞昌忠，陈跃东

（安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室，芜湖241000）

0 引言

近年来，温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。种植环境中的温度、湿度、光照度、CO2质量浓度等环境因子对作物的生长有很大的影响。因此，对温室大棚环境进行监测是非常必要的。传统的监测方法是在温室大棚中布置大量的传感器节点，通过RS－485总线的方式把传感器采集到的信息传输到工业控制计算机上进行处理分析[1]，这种监测方法需要在温室大棚中铺设通信线路来传递监测信息。但通过这种方法给现场安装和维护带来了不便，一旦通信电缆发生故障，可能会造成整个监测系统的瘫痪，严重影响了系统的可靠性和稳定性。

无线传感器网络的发展，为温室大棚的环境信息监测提供了新的途径，弥补了传统信息监测的缺点，已经成为现代化农业环境信息监测的研究热点[2]。移动无线通信技术的发展，实现了农业信息与互联网（Internet）“最后1km”的无缝连接，为远程信息的获取、传输与交换提供了有效的途径，其中GPRS技术因其具有“传输质量高”、“永远在线”和“通信费用低”等优点，应用最广泛[3－4]。

本文提出一种基于ZigBee无线传感器网络和GPRS技术的远程温室大棚环境监测系统。该系统采用数字传感器对作物生长的环境因子进行实时监测，通过ZigBee和GPRS无线技术把数据传输到监测中心，具有低功耗和低成本等特点。因此，此方案将无线传感器网络技术、移动无线通信技术以及嵌入式技术相结合，克服了传统温室大棚环境监测系统中存在的缺点，实现了远程温室大棚环境监测。

1 系统整体设计方案

整个系统主要包括传感器节点、网关节点和监测中心服务器，其结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

在大棚监测区域布置了若干个传感器节点和在临近大棚的位置布置1个网关节点，传感器节点和网关节点组成无线传感器网络，传感器节点采集大棚内的环境信息，通过路由协议将数据汇聚到网关节点，网关节点通过GPRS无线移动网络接入Internet并和远程监测中心的服务器建立通信，将采集到的数据传输到服务器；服务器负责接收数据并进行分析处理、对客户端提供Web浏览服务，客户端通过Web浏览器访问服务器，对数据进行查询和管理操作。

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要包括传感器节点和网关节点，传感器节点主要完成本地信息数据的采集、转发和处理其他节点传送来的信息数据，网关节点负责连接传感器网络与互联网等外部网络，实现多种通信协议的转换，同时管理节点和网络，并把收集的数据转发到外部网络。

2.1 传感器节点硬件设计

传感器节点硬件主要由微处理器模块、传感器模块（温度湿度、光照强度、CO2质量浓度及通用模拟数字传感器接口）、无线通信模块、能量供应及管理模块等组成，其硬件框图如图2所示。

图2 传感器节点硬件框图

2.1.1 微处理器

微处理器采用TI公司的MSP430系列单片机中的MSP430F1611型号，它是一种超低功耗的混合信号控制器，具有以下特点：（1）低电压、超低功耗。其工作电压为1.8～3.6V，在1MHz的时钟频率下，耗电电流为0.1～400μA，具有16个中断源，可将CPU置于省电模式，用中断请求唤醒CPU，唤醒时间只需6μs。针对在无线传感器网络中能量消耗的问题，采用这款微处理器可以使功耗得到有效的降低。（2）强大的处理能力。具有16位RISC结构、大量的寄存器及片内数据存储器、高效的查表处理方法和较高的处理速度。（3）丰富的片上资源。包括12位的ADC和DAC、看门狗、2个16位定时器串行通信接口（USART／SPI）等。

2.1.2 无线通信模块

无线通信模块是一个射频集成电路模块，作为ZigBee无线网络的物理层射频前端实现无线数据的收发。该模块选用Chipcon公司的CC2420射频芯片作为无线收发单元，和主电路板预留的I／O口连接。该款芯片可以实现多点对多点的快速组网，对于短距离通信具有性能稳定和超低功耗的特点，特别适合于电池长期供电的场合[5]。

2.1.3 传感器模块

传感器模块是构成本系统的基础和关键，由它来实现对大棚内作物生长环境数据信息的采集。主要包括大棚内空气的温湿度、光照强度、CO2质量浓度，其中温度湿度传感器选用Sensirion公司的SHT11型智能化湿度／温度传感器，它不仅能准确测量相对湿度，还能测量温度；光照强度传感器选用TI公司的TSL230B智能传感器，它可直接对可见光进行频率转换，其灵敏度、分频输出可由程序控制，特别适用于频率计数器、脉冲累加器及高速定时器；CO2质量浓度传感器选用ETC公司的MG811，它对CO2具有良好的灵敏度和选择性、受温湿度变化的影响较小、良好的稳定性和再现性等特点。

2.1.4 电源供应及管理模块

为了降低电源转换带来的损耗，获取纯净的电源，本模块采用电池直接供电设计，选用高效的电源芯片和管理芯片进行相关转换获得稳定的输出，同时能够对每一路电源消耗进行监控。

由于系统射频部分对电源要求比较高，选用成本低、封装小、外围器件小及噪声小的低压差输出电源即线性电源（LDO）TPS780330220，输出3.3V／150mA为系统供电，可以使待机功耗为原来的1／2。它具有超低的输出电压噪声（小于50μmA）和极高的信噪比，非常适合对噪声较敏感的射频电路。电源控制单元采用TPS2044控制芯片，分别为不同传感器供电，当不使用该传感器接口时，直接关闭其供电电源，以降低功耗。

2.2 网关节点硬件设计

网关节点在无线传感器网络中起着关键作用，它负责组网、路由维护、数据收集和转发、网络定位等重要任务。硬件部分主要包括中央处理器、存储器模块、通信模块和外扩接口模块，其硬件框图如图3所示。

网关节点中央处理器选用三星公司的16／32位RISC处理器S3C2410A，该芯片采用ARM920T内核，具有低功耗、高性能和全静态设计等特点，并且集成了丰富的系统外围设备。选用2MB的NOR FLASH（SST39VF1601）、64MB的NAND FLASH（K9F1208U0M－YCB0）和64MB的 SDRAM（HY57V561620）组成系统存储器模块。GPRS无线收发模块选用由德国西门子公司生产的一款工业级的GPRS无线模块MC35，它可实现语音和数据传输、短信、传真等功能，支持AT命令和TCP／IP协议，工作在EGSM900和GSM1800双频段模式，通过芯片MAX232电平转换后与S3C2410A相连[6]。

图3 网关节点硬件框图

3 系统软件设计

3.1 无线传感器网络通信协议

通信协议设计是基于ZigBee标准的无线传感器网络，网络节点之间的数据传输机制随着网络类型的改变而有所不同。ZigBee协议定义了3种网络拓扑结构，包括星型结构、簇树结构和网状结构，并在网络拓扑结构中定义了3种不同功能的设备，分别是协调器（即网关节点）、路由设备和终端设备。本设计根据温室大棚的具体情况，采用了网状网络拓扑结构，如图4所示。这种网状拓扑结构具有更加灵活的信息路由规则，路由节点之间可以直接通信，一旦一条路由路径出现问题，信息可自动地寻求其他最优化路径进行传输，使得信息更有效率地传输[7]。

图4 网状网络拓扑结构

3.2 传感器节点软件设计

传感器节点（终端节点和路由节点）是整个系统数据采集的主要执行机构，主要功能是接收到网关节点的采集命令后，对接入的不同传感器进行数据采集并传输给网关节点，其中路由节点还具有数据路由中继的功能。软件流程如图5所示。

图5 传感器节点的软件流程

3.3 网关节点程序设计

网关节点（协调器）是一个带有GPRS无线通信接口的设备，它的处理能力、存储能力和通信能力较强，不仅负责组建和维护ZigBee无线网络，同时还负责连接外网、向监测中心服务器传输数据。软件流程如图6所示。

图6 网关节点软件流程

3.4 监测中心服务器软件的设计

监测中心采用B／S（Brower／Server）体系结构，主要事务（包括数据的存储、提取和处理等）在服务器端实现，用户操作通过客户端 Web浏览器实现[8]。用户在拥有权限后通过 Web浏览器登录访问服务器，查询和下载数据。该结构不仅有利于系统的维护和升级，还使得用户不受地域的限制，面向所有具有访问服务器权限的Internet用户都可查询和下载数据信息。服务器主要由数据库服务器和Web服务器构成，两者设计在一台主机上。

数据库采用MS SQL Server 2000设计，为系统提供易于维护、稳定的支持。大棚环境数据库包含了一系列数据表Info和采集系统参数表param，其中Info数据表包括各种传感器采集的数据和时间，采集系统参数表param包括正在运行的传感器数量、组数和各传感器的数据采样间隔等。网关节点数据传输模块和Web应用程序服务器上的网络发布模块都以大棚环境数据库为中心，为Internet用户提供数据查询及相关服务。

Web服务器由Visual CJHJ语言编写，采用ASP.NET（动态服务器页面）技术搭建Web应用程序框架。其软件流程如下：（1）用户登陆，即通过浏览器向网络上的Web服务器发出请求，Web服务器响应浏览器的请求，将用户操作主页面返回到浏览器；（2）用户进行数据查询参数的输入、采集系统的参数修改等操作，完成后向Web服务器发出提交请求；（3）服务器对浏览器的数据提交请求进行处理，包括数据分析计算、数据库存取、动态页面生成等工作；（4）最后Web服务器将结果返回到客户端浏览器。

4 监测结果与分析

将上述方案设计进行调试和实验，在浏览器界面显示的测试结果如图7所示。通过测试结果表明，系统运行正常，能全天候地对大棚内的温度、湿度、光照强度和CO2质量浓度4个环境因子进行采集，用户可以在任意地方随时通过Internet监测到大棚内环境动态变化。从图8监测到的历史数据可以分析出，在这一段时间内大棚内环境条件的变化情况，在上午6：00—8：00之间，温度处于很低状态，光照也只有约3μmol／（s·m2），影响了作物光合作用，导致CO2质量浓度和湿度都保持在很高的状态。在8：00以后，光照强度和温度随着时间不断的上升，作物的光合作用也随之加强，导致CO2质量浓度和湿度持续下降。由此可见，该方案为用户对大棚环境监测提供了一种方便稳定的方法。

图7 系统实时监测数据界面

图8 系统历史数据查询界面

5 结语

本文设计了一种基于ZigBee无线传感器网络和GPRS无线通信技术的监测系统。该系统利用ZigBee无线传感器网络对采集数据进行传输，解决了采用有线方式布置网络所产生的布线和维护困难等问题。同时利用GPRS无线通信技术结合Internet网络，为实现在偏僻而分散条件下对农业信息的采集与监测提供了途径，具有一定的实用价值和应用前景。

[1]赵伟，孙忠富，杜克明，等.基于GPRS和WEB的温室环境信息采集系统的实现[J].农业工程学报，2006，22（6）：131－134.

[2]蔡义华，刘刚，李莉，等.基于无线传感器网络的农田信息采集节点设计与试验[J].农业工程学报，2009，25（4）：176－178.

[3]赵伟，孙忠富，杜克明，等.基于GPRS和WEB的温室远程自动控制系统设计与实现[J].微计算机信息，2010，26（11）：20－22.

[4]李秀红，黄天戍，孙忠富，等.基于GPRS／SMS的嵌入式环境监测系统[J].吉林大学学报：工学版，2007，37（06）：1409－1414.

[5]包长春，石瑞珍，马玉泉，等.基于ZigBee技术的农业设施测控系统的设计[J].农业工程学报，2007，23（08）：160－164.

[6]侯婷，杨宏业，李俊芬，等.GPRS无线数据传输终端的设计和实现[J].微计算机信息，2006，22（8）：287－289.

[7]于海斌，曾鹏，王忠锋，等.分布式无线传感器网络通信协议研究[J].通信学报，2004，25（10）：102－110.

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