温室环境无线传感器节点设计

尹晶晶，徐振峰

(安徽国防科技职业学院 电气技术学院，安徽 六安 237011)

温室环境无线传感器节点设计

尹晶晶，徐振峰

(安徽国防科技职业学院 电气技术学院，安徽 六安 237011)

针对目前国内温室环境参数有线监测系统的不足，设计了一种温室环境无线传感器节点。节点硬件以Mica2节点为核心，使用SHT11传感器测量室内温度和相对湿度，使用TSL2561传感器测量室内光照度。节点工作频段433MHz，比2.4GHz频段的无线传感器节点具有更好的绕射传输能力。节点软件设计采用TinyOS操作系统，用软件看门狗提高节点的抗干扰能力，通过ACK传输机制提高无线通信质量。测试结果表明，该节点运行较稳定，可用于温室环境实时监测。

无线传感器网络；温室；环境因子；TinyOS

0 引言

近30年来我国温室栽培得到了大力发展，目前温室栽培面积已达到世界第一位[1]。不过，我国温室环境调控整体水平较低，而且现有农业设施环境监控系统主要采用有线通信技术，如串行总线技术和现场总线技术等。这种系统虽然具有设备操作性好、抗干扰能力强等优点，但存在价格昂贵、施工复杂、而且节点不易扩展等缺点，因此极大地限制了其在设施农业领域中的应用[2-3]。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)为温室环境监测提供了一种新方法。采用无线传感网络采集温室内外环境因子，不仅可以省去大量的线缆、降低成本，还可以方便移动节点的位置。将无线传感器网络应用于温室环境监控领域已不是崭新的课题，国内外许多科技工作者进行了相关研究[4-7]。目前相关研究多采用工作于2.4GHz频段的ZigBee无线通信协议。本文采用Mica2硬件节点和TinyOS操作系统，来设计温室环境参数无线监测节点。节点工作于433MHz频段，比2.4GHz频段的无线传感器节点具有更好的绕射传输能力。

温室环境因子通常指的是作物根上环境因子，包括室内空气温度、相对湿度、光照度以及CO2浓度等[8]。室内空气温度是影响作物生长最为重要的环境因子，温室环境小气候控制就是室内空气温度的控制。相对湿度虽然对作物生长没有直接影响，但过高的相对湿度容易滋生真菌，影响作物光合作用，阻碍作物对水分和营养液的吸收。过弱的光照度会导致作物光合作用不足，而过强的光照度不仅会灼伤室内作物，还会导致室内温度过高。CO2气体是作物进行光合作用的原材料，其浓度直接影响作物光合作用的强度和物质产生的效率。对于我国南方地区的温室来说，由于运行过程中有充足的通风操作，因此室内CO2气体浓度波动不大，能够满足作物光合作用的需求。本文将重点监测室内空气温度、相对湿度和光照度三个环境因子。

1 节点硬件设计

为了降低节点硬件的设计复杂度，选择了集成ATmega128L单片机和CC1000无线收发芯片的Mica2硬件节点。CC1000具有低供电电压、低功耗、高灵敏度的特点，-20-10dBm的可编程输出功率和大约200m的传输范围，完全适合温室环境监测[7]。选择了瑞士SENSIRION公司生产的数字传感器SHT11来监测温湿度。该传感器具有响应速度快、精度高、稳定性好、无需再标定等优点[9]。其供电电压为2.4V-5.5V。温度测量精度为±0.4℃，量程为-40℃-123.8℃。相对湿度测量精度为±3%RH，量程为0%-100%。光照度感器选用了TAOS公司生产的数字传感器TSL2561，该传感器具有低功耗、宽量程、可灵活编程等特点[10]。其供电电压为2.7V-3.8V，工作温度范围为-40℃-85℃。综合两个传感器及Mica2节点的工作电压范围，确定节点工作电压为3.3V。由于室内有线供电方便，因此设计了电压转换电路，即传感器节点采用有线供电方式。电压转换模块采用了深圳海凌科电子有限公司生产的AC-DC隔离降压电源模块HLK-PM03。该模块具有低纹波、低噪声以及输出过载短路保护功能等优点[11]。节点硬件电路硬件结构如图1所示。

图1 传感器节点硬件结构

由于SHT11传感器的湿度输出具有一定的非线性，为获得精确的测量结果，需要对SHT11传感器输出的相对湿度数据进行修正，具体修正公式如式(1)所示[12]。相对湿度有12位和8位两种测量数据，为尽可能获得准确的测量结果，选择了12位的测量结果。由于实际温度与测试参考温度25℃显著不同，因此需要式(1)中的湿度信号再次进行温度补偿，具体公式如式(2)所示。

(1)

RHtrue=(T-25)·(t1+t2·SORH)+RHlinear

(2)

式中，c1，c2，c3分别取值为-2.0468，0.0367，-1.5955E-6；SORH为传感器中测量的12位二进制数据；T为测量温度值(℃)；t1，t2分别取值为0.01，00008；RHtrue为相对湿度最终的测量值(%)。

由于SHT11传感器中所使用的能隙材料PTAT(正比于绝对温度)与温度具有很好的线性关系，因此可采用式(3)将数字输出信号转变为温度值。

T=d1+d2·SOT

(3)

式中，d1，d2为待定系数；SOT为传感器直接输出的温度数值。需要注意的是，当传感器工作电压不同时，式(3)中两个系数d1和d2也会有所变化。虽然传感器说明书给出了不同工作电压下的系数值，但所列出的工作电压值并没有包括本文中所使用的3.3V。为此，采用高精度玻璃温度计对传感器数据进行了标定，最终确定两系数d1和d2的值分别为-40和0.01。

2 节点软件设计

在本系统中，采用TinyOS操作系统来实现节点软件。TinyOS操作系统是专门为嵌入式无线传感器网络设计的开源操作系统，因此采用该系统可以方便设计节点软件程序。传感节点的任务是周期性地采集室内空气温度、相对湿度和光照度三种环境因子，并无线发送出去。通过设置定时器的方法实现对环境因子的周期采集。由于温度、湿度和光照度随时间变化比较缓慢，因此不必进行频繁采集。这里将采集周期设置为5分钟。节点主程序主要完成无线通信模块的启动、TSL2561传感器和SHT11传感器的启动，以及设置周期定时器。每次定时时间结束时，触发传感器进行环境因子数据采集。

对于运行现场的传感节点来说，温室电力设备产生的电磁干扰以及节点本身产生的故障可能会影响节点的正常工作，而程序跑飞则会导致节点不能正常采集环境数据。因此需要采取措施以提高节点的抗干扰能力。在程序设计中增加了软件看门狗，以确保程序跑飞时节点能够自动复位。但TinyOS系统中没有提供Mica2节点的看门狗组件。文献[13]给出了两种应用于TinyOS节点的看门狗设计方法：(1) 采用硬件看门狗；(2) 采用Buddy System看门狗，即多个节点相互周期性发送数据。当多个节点监测不到某节点的数据时，则确定其出现故障，然后向其发送“URDEAD”命令，以便该节点能够重启无线通信部分。但对于不带有看门狗硬件的单个节点来说，上述两种方法都不适用。由于Mica2节点采用的是ATmega128作为其微处理器，因此有关看门狗的操作即是对ATmega128看门狗的操作。这需要在当前文件夹中创建软件看门狗的头文件，并在其中定义看门狗的操作，以便在程序中调用。由于传感节点的主要任务是周期性地读取外部传感器中的数据，因此当微处理器读取传感器数据时，启动看门狗并设置足够长的喂狗时间。正常情况下，微处理器在喂狗时间内完全可以完成数据的读取功能，读取完毕后关闭看门狗。如果读取数据出现异常，导致微处理器不能及时获得传感数据，则看门狗定时时间结束时系统自动复位。每次定时结束后，传感数据读取流程如图2所示。

图2 定时结束后的程序执行流程

传感数据读取完毕之后，需要将数据打包，并无线发送出去。由于数据传输碰撞、通信距离等原因，无线通信质量明显低于有线通信。如果每个周期内仅向外发送一次数据包，则很难确保目标节点能接收到该数据包。但如果每个周期内均向外发送多次数据，则会造成节点能量的浪费。为此，采用了接收确认机制(acknowledgement，ACK)。当源节点发送一个数据包时，如果目标节点成功接收到该数据包，则向源节点返回一个ACK信息。源节点接收到此ACK信息后，则不再向目标节点发送该数据包；否则重复发送该数据包，直到目标节点接收到该数据包或者达到一定的发送次数为止。源节点在请求ACK之前，需要设置最大发送次数，以防数据包不能被目标节点正常接收而造成无限制地重复发送原数据包。带有ACK请求的数据发送流程如图3所示。

图3 带有ACK的数据发送流程

3 测试试验

将所设计的无线传感器节点安装在一座玻璃温室内。该节点周期性采集室内空气温度、相对湿度和太阳照射强度，并无线发送至室外接收基站。无线通信基站也是基于Mica2硬件电路进行设计的，通过RS232接口传送给上位机。基于Java技术在上位机开发了数据显示软件。图4-图6显示了某日上午8：00-12：00所监测到的室内环境因子数据。测试结果显示仅在9：50和9：55发生两次数据丢包现象。可见传感器节点能够实现数据的实时采集和可靠传输。

图4 室内温度显示(°C)

图5 室内相对湿度(%)

图6 室内光照度(Lux)

4 结语

本文设计了一种工作于433MHz频段的温室无线传感器节点，能够采集温室内空气温度、相对湿度和光照度三种重要的环境参数。通过设计看门狗软件，确保节点具有强抗干扰能力；采用ACK机制确保了节点具有可靠的无线通信质量。以上两点使得所设计的节点能够应用于温室实际环境监测系统。实际测试结果表明，该节点无线传输性能比较稳定，这为进一步构建无线监测网络奠定了基础。该温室环境无线传感器节点的实现有利于今后提高温室大棚种植业的科技含量与技术装备水平。另外，在节点硬件上预留了其它I/O接口，方便今后连接其它传感器以扩展节点所能监测的环境因子种类，诸如增加二氧化碳等气体传感器等。

[1] 潘文维,罗庆熙,李军.我国温室产业现状及发展建议[J].北方园艺,2002(3):4-5.

[2] 庞娜,程德福.基于ZigBee无线传感器网络的温室监测系统设计[J].吉林大学学报(信息科学版),2010,28(1):55-60.

[3] 孙学岩.基于ZigBee无线传感器网络的温室测控系统[J].仪表技术与传感器,2010(8):47-49.

[4] 曹新,董玮,谭一酉.基于无线传感网络的智能温室大棚监控系统[J].电子技术应用,2012,38(2):84-87.

[5] 魏芬,季宇峰.基于无线传感网的温室大棚智能监控系统的研究[J].2016,35(2):104-107.

[6] 尹晶晶,吴卫东,徐振峰.温室环境无线监测系统的设计[J].淮海工学院学报(自然科学版),2015,24(2):23-26.

[7] 牛永超,马孝义.基于CC1100的温室温湿度监测系统[J].农机化研究,2009,31(8):90-92.

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[12] SHT10 SHT11中文资料[EB/OL].(2012-08-20)[2017-05-21].https://wenku.baidu.com/view/94493eefb8f67c1cfad6b8ac.html.

[13] IBEN H,LAKHIA A,RUBIN R.Watchdog Designs for TinyOS Motes[EB/OL].(2012-05-16)[2017-05-24].http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.134.1135&rep=rep1&type=pdf.

[责任编辑、校对：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

安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2016A121)

尹晶晶(1984-)，女，安徽六安人，讲师，主要从事智能控制研究。