植物园无线网络智能管理监测系统的设计

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

植物园是一个小型化的森林，为了将植物园打造成更适合游客旅游参观的园林，同时也为了做好对植物园的保护工作，需要引进智能管理技术。

照明是植物园的基本要求，植物的生长也需要合适的温湿度，又由于人流量大、树木植被多和天气易干燥等因素使植物园易发生火灾险情。鉴于此，本文设计了一套基于ZigBee技术的植物园无线管理监测系统。系统在满足照明和空气温湿度需求的同时，还能预警火情，避免了出现火情不能及时发现带来的财产损失，极大地满足了植物园的现代化建设需求；在为游客参观游玩提供便利的同时保障了人身安全。

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)[1-3]能够通过微型传感器节点协作地完成实时监测、感知和采集信息[4]。将ZigBee无线传感网络应用于植物园管理监测系统，具有以下特点：①ZigBee低功耗，具有节能优势；②组网简单可靠；③依据路灯分布方位，可以做到无通信盲区；④利用其地理定位功能，便于及时发现问题。因此，植物园无线管理监测系统高效节能、科学合理、安全可靠，对植物园的管理监测能够起到很大的作用。

1 系统设计

系统构建了由管理中心、控制单元和节点控制器组成的控制网络，其框图如图1所示。

图1 系统总体框图

管理中心相当于WSN的服务器，通过GPRS与控制单元通信。控制单元担任WSN网络协调器角色，通过ZigBee和节点控制器通信，可以实现GPRS和ZigBee两种通信协议栈之间的通信协议转换，充当管理中心和节点控制器之间的通信员。节点控制器中各节点是WSN的终端节点，部分节点具有路由器功能，节点除了需要收集植物园各状态的信息，还要对所收集数据进行处理。

系统通过使用ZigBee网络节点和ZigBee系统的低成本的无线收发模块，建立起一个ZigBee控制网，再通过GPRS与管理中心的计算机相连，从而实现低成本、高效率的遥测遥控。

1.1 节点控制器设计

节点控制器是系统的基本单元，其在对路灯进行开关控制、亮度调节和状态监测的同时，采集园中空气温湿度和烟雾浓度；与临近的节点组成无线传感器网络，用于传送控制单元发送的控制指令以及回传各节点的状态信息。节点控制器组成框图如图2所示。

图2 节点控制器框图

节点控制器的硬件电路主要是以CC2530为核心的最小系统，配以无线通信接口、光照度传感器、温湿度传感器和烟雾传感器，通过无线通信接口收发信息，实现对路灯的开关控制、亮度调节和状态监测以及上传空气温湿度和烟雾浓度信息。

CC2530具有不同的运行模式，尤其适应具有超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。鉴于这些优点，CC2530成为本设计的主控芯片。

路灯采用LED节能灯，LED能够避免传统光源路灯造成的光浪费，且使用寿命长，有利于环保。LED调光是利用一个直流信号或滤波脉宽调制信号对LED中的正向电流进行调节来完成的。

由于传感器节点是在外部环境中进行测量，因此需要做好传感器节点的防晒防水工作。参考加州大学伯克利分校的GDI系统，可以给传感器节点涂上一层10 μm的帕利灵密封剂，表面涂胶的传感器节点装在一个透明的丙烯酸外壳中。该外壳通风且不会影响传感器的感知或通信[5-6]。

1.2 控制单元设计

控制单元是系统的主控节点，其构成框图如图3所示。一方面,它与节点控制器建立无线通信网络，监控网络中各节点的工作状态；另一方面,将接收的数据转换成用户可知的信息，并通过GPRS与管理中心进行远距离通信。当接收到节点控制器上传的空气温湿度和烟雾浓度信息时，控制单元将信息及时回传给管理中心；管理中心则将新接收的信息与以往信息进行对比，如有异常，则立即采取相应措施。

图3 控制单元框图

一个无线传感器网络的网关硬件部分通常包括5个主要模块：网络控制与接入设备、IEEE 802.15.4无线通信模块、核心控制与处理模块、外部存储器模块和能量供应模块。控制单元内部结构如图4所示。控制单元采用符合IEEE 802.15.4协议的2.4 GHz芯片CC2530接入ZigBee网络，再加上外围辅助电路，完成了整个硬件电路的设计。

图4 控制单元内部结构图

网络控制与接入设备用来实现无线传感器网络与GPRS之间的通信；IEEE 802.15.4无线通信模块则用来实现与节点控制器之间的通信；核心控制与处理模块是整个网关节点的调度中心装置,主要实现对无线传感网络任务的全局处理、数据融合与信息提取；由于无线传感器网络采集与处理的数据量大，需设置一个外部存储器；能量供应模块一般由一些微型电池组成，这些电池主要是为节点提供能量，本系统可以与路灯采用同一供电电源。

2 软件设计

在管理中心创建一个WSN数据库管理系统，库中数据有静态数据，如节点位置等；也有动态数据，如光强度、温湿度、烟雾浓度等。数据库的内容通过WSN的数据管理系统动态维护，管理中心通过WSN数据库发出结构化查询语言(structured query language，SQL)查询命令或SQL查询请求，这些查询被“插入”到WSN中，并通过网内查询处理执行数据收集和查询结果计算，最后查询结果通过控制单元从节点控制器传送回发出请求的管理中心。

2.1 传感器节点软件设计

白天和夜晚的光照度明显不同，夜幕降临时，光照度传感器所接收的光通量减少，当光通量达到某一设定的阈值时,节点控制器上传信息，经控制单元到达管理中心，管理中心依此发布控制指令，路灯开启。晚间植物园闭园后，路灯只需维持简单照明，此时对LED进行调光，亮度可以相对减弱至一半。凌晨，当光照度传感器采集的光通量到达另一阈值时，节点控制器上传信息，管理中心发送指令到控制单元，节点控制器接收到命令后，关闭LED灯。因此，依据不同时间段对照明的需求不同，合理地对LED进行调光，可以达到节能的目的，同时也实现了照明的智能控制。

水是生物体最重要的组成部分，在以植物为主的植物园中，水分尤为重要，因此要确保植物园中空气的温湿度，以保障植物正常生长。通过温湿度传感器，采集空气温湿度信息并上传到管理中心，若空气温湿度低于正常状况，则工作人员及时组织浇水工作。温湿度传感器的工作流程如图5所示。

图5 温湿度传感器的工作流程图

若有异常情况发生火险时，可以根据烟雾传感器接收的烟雾浓度，判断火灾的严重程度以及蔓延情况，及时掌握烟雾浓度的变化情况，从而给管理部门的救援工作带来很大帮助。

LED节能灯不仅能够满足正常的照明功能，有效节约电力资源，还能根据不同的照明需求提供多样的控制方案。此外，节点控制器中加入温湿度和烟雾传感器，在满足植物园照明需求的同时还可以检测环境参数，不但能够为植物提供一个良好的生存环境，而且也起到火情预警的功能，同时也减少了多种设备占地、占资源所造成的资源浪费。

2.2 节点间通信协议

路由协议是组网的基础，它的主要任务是在节点控制器和控制单元间建立路由，以可靠地传递数据。在考虑植物园和无线传感网络的实际应用前提下，本系统中的路由协议使用低功耗自适应聚类路由(low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)协议[5-7]。

节点控制器之间的路由通信通过数据应答和数据重发的握手协议，确保通信的可靠性。若通信时发现某节点失效,则可跳过此节点与邻近节点进行通信，并及时把该节点故障状态反馈给控制单元。路灯节点间的通信流程如图6所示。

图6 路灯节点间通信流程图

在WSN中，无线信道的使用方式是由介质访问控制(media access control，MAC)协议决定的。单个传感器节点资源有限，WSN的强大作用则需要由多个节点协作完成才能实现，局部范围内的多点通信需要MAC协议协调节点间的无线信道分配。为了能够使传感器节点合理分配通信资源，避免众多节点在同一时间发射信号时产生碰撞冲突，采用基于固定分配的码分多址技术(code division multiple access,CDMA)[4]。

系统使用分布式计算的定位算法，在传感器节点间进行信息交换。定位是WSN重要的技术，确定传感器节点在WSN覆盖范围内的坐标位置，有利于管理中心对发生异常状况时及时做出相应对策。

3 结束语

试验表明，基于ZigBee技术的植物园智能管理监测系统能够很好地实现对光照度、空气温湿度和烟雾浓度的采集，进而起到智能管理监测的作用。在倡导

低碳生活和电力资源综合利用的今天，处处讲究节约环保、以人为本。该系统促进了植物园的科学人性化管理，因而具有重要的社会价值和广阔的商业前景。

[1] Akyildiz I F,Wei L S,Sankarasubramaniam Y,et al.A survey on sensor networks[J].Communications Magazine,IEEF,2002,40(8):102-114.

[2] Akyildiz I F,Su W,Sanakarasubramaniam Y,et al.Wireless sensor networks:a survey[J].Computer Networks,2002,38(4):393-422.

[3] David E C,Wei H.Wireless sensor networks[J].Communications of ACM,2004,47(6):30-33.

[4] 王汝传,孙力娟.无线传感器网络技术及其应用[M].北京:人民邮电出版社,2011:46-50.

[5] Mainwaring A,Polastre J,Szewczyk R,et al.Wireless senor networks for habitat monitoring[C]∥ACM International Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications,New York,2002.

[6] 于海斌,曾鹏,梁书华.智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社,2006:283-319.

[7] 李善仓,张克旺.无线传感器网络原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2008:65.