基于无线传感器网络的智能生态保障系统

Intelligent Ecological Guarantee System Based on Wireless Sensor Network

许　东　高　杰

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京　100191)



基于无线传感器网络的智能生态保障系统

Intelligent Ecological Guarantee System Based on Wireless Sensor Network

许东高杰

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)

摘要：为满足多功能、多给水条件，研究设计了一种基于无线传感器网络的智能生态保障系统。以CC2530芯片为基础设计了传感器节点和给水控制节点;以低功耗MSP430芯片结合CC2530设计了主控节点。系统可以根据预设的植物种类、时间信息确定植物的生长周期，并依据感知的环境参数，针对植物的不同生长周期生成灌溉策略来实现自动灌溉。测试结果表明，系统提供了对自来水、无压蓄水等不同给水条件的适应能力，克服了现有系统功能单一、使用范围小、灌溉控制不合理的缺点。

关键词：传感器网络生态保障系统生态环境智能控制人机交互给水控制

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

植物的生长需要合适的环境，对水分、温度、光照等因素的有效控制是现代生态保障研究中的重要课题。利用保障系统对生态环境中温度、湿度、光照、CO2浓度、土壤等环境因子进行控制，从而达到植物生长的最佳条件[1-3]。随着技术的发展，特别是无线传感网络技术的发展，ZigBee技术具有设备成本低、网络功耗低、组网简单灵活、数据传输安全可靠等特点，在生态环境保障领域中得到了广泛应用[4-6]。

现有的生态保障系统仍存在一定的问题，难以满足当前生态保障技术需求：功能单一，难以适应复杂的生态保障要求；没有考虑在无压蓄水情况下的控制问题，对给水条件的要求较高；智能化程度不高，不能根据植物对水分的不同需求进行有针对性的保障控制[7-8]。

综上所述，亟需一种多功能、适用于多种给水条件并且能够满足不同种类植物在不同生长周期对水分需求的生态保障系统，以提高生态保障系统的自动化、智能化水平。

1系统总体结构

植物在不同的生长周期对水分的需求是不断变化的，需要综合环境温/湿度、光照强度、土壤水分等因素，进行保障控制。本文设计的一种生态保障系统结构示意图如图1所示。

图1　系统结构示意图

系统包括传感器节点、给水控制器节点和主控节点。传感器节点分布式部署在环境中，其携带温湿度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器，负责采集环境参数(环境温/湿度、光照强度和土壤湿度)数据。主控节点是整个生态保障系统的核心，存储了多种植物在不同生长周期所需的最佳环境条件。主控节点负责接收传感器节点发送的环境参数数据，通过查询时间信息确定当前植物所处的生长周期，制定相应的控制策略，产生控制命令并发送至给水控制器节点。给水控制器节点接收主控节点发送的控制命令，驱动相应的给水设备，完成给水控制任务，使得生态环境能够达到植物生长所需的最佳条件。

2硬件设计

传感器节点和给水控制节点都是基于CC2530芯片设计的，虽然这两种节点在功能上不同，但是在硬件结构上有很多相似的地方。为了减少系统的复杂性并增加节点的通用性，可设计一块核心板，包含两节点相同的部分，留有传感器模块与控制器模块接口。当传感器模块接入时，为传感器节点；当控制器模块接入时，为给水控制节点。

2.1核心板设计

核心板主要由无线处理器模块、电源模块、传感器模块和控制器模块构成，其硬件结构如图2所示。

图2　核心板结构框图

无线处理器采用TI公司的CC2530芯片。CC2530的主要特点如下：采用了增强型工业标准8051MCU，具有高达256 kB可编程闪存和8 kB的RAM；结合了一个高性能2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心与IEEE 802.15.4/ZigBee协议；具有4种电源管理模式，可灵活配置系统工作模式以降低系统功耗，工作电流损耗仅为29 mA。因此，CC2530具有体积小、功耗低、成本低等特性，完全满足无线传感器网络节点的设计要求[9]。

考虑到系统应用在无人看守的野外或者室外，采用2～3节5号干电池供电。利用升压芯片TPS61032将干电池升压至5 V，然后通过AMS1117芯片降压得到3.3 V的电压，以满足系统的电压要求。

2.2传感器模块设计

在本文设计中，针对生态保障的要求，需要对环境温度、湿度、光照强度和土壤湿度4个环境参数进行监测。结合CC2530的特点和监测的要求，传感器模块选用SHT11温湿度传感器、BH1750FVI光照传感器和湿敏土壤传感器。

SHT11是一款数字温湿度传感器芯片。它接口非常简单，工作电压范围为2.4～5.5 V，默认的测量温度和相对湿度的分辨率分别为14位、12位，通过状态寄存器可降至12位、8位[10]。

BH1750FVI芯片是一种支持IIC总线接口的16位数字输出型环境光强度传感器集成电路。其分辨率高，可探测较大范围的光强度变化(1～65 535 lx)，具有接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性，光源依赖性弱，受红外线影响小，能够实现稳定的测定[11]。

湿敏土壤传感器采用湿敏电阻实现土壤湿度的测量，通过模拟数字转换器(ADC)可将湿度信号转换为电压信号，根据测量的电压值计算土壤的湿度值。该土壤湿度传感器结构简单，成本低，十分利于普及和推广[12]。

2.3控制器模块设计

控制器模块主要是提供直流电源输出接口，通过电源输出接口的通/断电完成设备的驱动。该接口能够驱动不同设备。本文所设计的输出接口既可驱动电磁阀控制自来水，也可驱动小功率水泵控制无压蓄水，能够适用于不同给水条件的应用。在驱动设备时需要几百毫安的大电流，这就需要对该接口进行隔离处理，否则会烧毁控制芯片。考虑以上因素，选用驱动芯片ULN2003完成接口驱动。

2.4主控节点设计

主控节点是系统的核心，其结构框图如图3所示。主控节点包括处理器芯片、时钟模块、存储模块、显示模块、按键模块、无线通信模块和电源模块。

处理器芯片采用TI公司的MSP430F169，MSP430F169是一款16位超低功耗的混合信号控制器，具有4种超低功耗模式和5种节电模式，是目前功耗最低的单片机。它具有高性能模拟技术及丰富的片上外围模块，内部集成看门狗定时器、12位ADC、DMA控制器、液晶驱动器、串行通信(UART、IIC、SPI)等，还自带多达2 kB的RAM和60 kB的Flash存储器，这些性能使得它被应用于各类智能仪器仪表中[13]。

图3　主控节点结构框图

时钟模块为整个系统提供时间参考，通过读取时钟模块的时间信息，可判断植物所处的生长周期，从而能够制定出该生长周期的控制策略。存储模块中存储了多种植物在不同生长周期所需的最佳环境数据。显示模块和按键模块提供了一个简单的人机交互方式，通过按键模块可以操作主控节点，进行功能的选择和信息的查询。

无线通信模块采用上文已设计的CC2530核心板，主要负责接收传感器节点发送的环境参数数据和发送控制命令到给水控制节点。电源模块为主控节点提供能量。

3软件设计

3.1实验对象和目的选择

所设计的生态保障系统要解决的问题：针对植物处于不同生长周期时所需的水分不同，通过控制技术实现这种变化的环境需求。选取番茄为实验植物，并通过控制其生长过程中对水分的需求，给出所设计的生态保障系统的工作原理和控制结果。

番茄的生长周期分为发芽期、幼苗期、果实膨大期和盛果期。具体的生长周期如表1所示。该表也反映了番茄在不同的生长周期对于环境中土壤湿度的需求是不同的[14]。

表1　番茄生长周期与土壤湿度需求表

3.2主控节点程序

主控节点的软件流程如图4所示。主控节点上电初始化后建立无线网络，发送采集命令给传感器节点并接收传感器节点发送的环境参数数据，再通过读取系统时间信息，判断番茄处于何种生长周期，并制定与该生长周期对应的控制策略。根据已制定的控制策略，处理环境参数数据，产生控制命令，并发送给给水控制节点进行控制，保障土壤湿度处于最佳条件。

图4　主控节点流程图

3.3传感器节点程序

传感器节点的软件流程如图5所示。

图5　传感器节点流程图

该程序的主要作用：将传感器节点接入主控节点建立的无线网络，接收主控节点发送的采集命令，分析采集命令，根据采集命令读取各传感器，获得环境参数数据。将所测的环境参数数据进行汇集并简单融合后，发送给主控节点，供主控节点决策。

3.4给水控制节点程序

给水控制节点的软件流程如图6所示。

图6　给水控制节点工作流程图

给水控制节点的主要作用是将给水控制节点接入主控节点建立的无线网络，接收主控节点发送的控制命令。当有控制命令由主控节点发送过来时，分析控制命令，根据控制命令对给水控制节点上的直流电源接口进行控制，驱动电磁阀或者水泵工作，完成土壤需水量的供给。控制完成后，将控制的情况反馈到主控节点，供主控节点参考决策下一次控制命令。

4实验结果与讨论

将系统部署在测试环境中，进行实验测试。每日每隔4 h对环境数据进行采集，并以日均数据作为决策数据，测试结果如表2所示。

表2　系统测试结果表

由表1可知，番茄处于发芽期时，最佳土壤湿度为80%，利用采集的环境数据进行决策，经智能决策，3月23日不需要进行控制；3月24日根据智能决策结果，需要进行给水控制，计算控制时间，需要完成1 min的水分补给控制。当番茄处于幼苗期时，最佳土壤湿度为50%，利用采集的环境数据进行决策，经决策此时满足环境要求，不需要进行控制。

5结束语

如何保障植物在不同生长周期所处的环境是最佳的，一直是生态环境保障方面的一个难题。本文设计的基于无线传感器网络的智能生态保障系统，通过利用系统时间为参考，判别植物处于何种生长周期，进而制定合理的控制策略进行保障控制，从而满足植物对于环境的变化要求。通过测试不同生长周期的番茄对于土壤湿度的需求，结果说明系统工作良好，能够保障番茄在不同生长周期总处于最佳的土壤湿度环境中。该系统不仅能保障文中所测试的土壤湿度，还能保障光照、CO2浓度等环境因子，具有广泛的应用性，可应用于无人看守的果园、温棚、蔬菜基地等。

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中图分类号：TP273;TH86

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602010

北京市自然科学基金资助项目(编号：4122044)。

修改稿收到日期：2015-08-20。

第一作者许东(1973-)，男，2002毕业于东南大学模式识别与智能系统专业，获博士学位，副教授；主要从事无线传感器网络的研究。