基于WSN的农业温室自动监控系统的设计
发布时间：2022-06-07
摘 要：农业温室系统的核心对温室内部的环境进行有效的监测、调控，使温室内部的环境适宜农作物的生长、发育，营造一个的农作物的最佳生长环境.目前的农业环境监控主要采用串行总线技术和现场总线技术等有线通信技术.有线监控系统有着可靠性差、网络部署难、安装和维护成本高等很多缺点.无线传感器网络(WSN)是一种新兴的无线通信技术，具有精度高、灵活性强、可靠性好、价格低廉等优点，可以有效克服上述缺陷.本文就设计一个基于无线传感器网络的温室监控
关键词：WSN;监控系统;农业温室
1监控系统的体系结构
WSN系统的主要功能是对温室内生物生长环境的监控和调节.要完成监控功能，系统必须具备以下功能：(1)感应、采样和存储相关环境信息，并把数据传给相应处理或执行机构.(2)自组织网络和多跳路由，布置在温室内的节点必须能够以无线Ad Hoc组成网络，且每个节点采集的信息能够以多跳路由方式传给Sink节点.(3)必须能够对数据进行现场和远程访问.(4)用户在操作室必须能对现场的设备进行远程的调控.(5)系统必须是低功耗的，系统节点长期在环境下，无人干预，自身供电的条件下工作.基于以上考虑，其整体结构图如下：
从结构图可以看出，在温室内的监控区域，随机的布置着大量的传感器节点，它们通过自组织的方式组成无线传感器网络.在网络内部，每个节点既可以采集信息又可以传送信息，还可以充当信息路由.节点然后再将信息传给Sink节点.传递过程中，节点算法会对信息进行归纳、汇总和推断，从更高层判断事件或者现象的发生.
当用户管理中心里温室无线传感器网络之间的距离较远时，我们可以通过主干网把无线传感器网络和用户管理界面连接起来.在网络中，sink节点充当着连接他们的桥梁作用.
和主干网连接起来后，当无线传感器网络中节点把采集到的信息传递给sink节点，sink节点经过处理后经过Internet、GSM或卫星等途径传递给监控中心的上位机软件的数据库里.用户就可以在监控中心对无线传感器网络发布任务、进行相关的系统设置和收集现实环境的相关信息，这样就可以实现对无线传感器网络的远程监控.
在温室的内部的监测区域内，除了采集节点和sink节点外，还布置着执行机构节点，这些节点除了具有一般节点的功能以外，还具备实现开关功能的作用，进而控制执行电磁阀或相关的物理开关装置，实现对环境的自动调控.例如实现环境内部的自动换气、自动灌溉等.
Sink节点是系统的关键，它不同于一般的节点，通常具有强大的处理能力、通信能力和存储能力，在系统中，充当着连接网络和主干网的桥梁作用，并且在它的内部本身具有内存资源和强大的自主运算能力.
2 Sink节点的设计
在系统中，监控人员需要通过Internet来访问系统中的数据，并向节点发布指令.因此必须实现 WSN和internet的无缝连接，有结构图中可以看出，这个功能是由sink节点实现的.已有非常多的学者研究无线传感器网络和主干网之间的通信，这些方法可以分为三类：协议转换方式、协议承载方式以及全IP方式.这三种技术各有优缺点，不能满足本系统的需要，就本文的系统而言，我们采用的是VIP 桥技术，将VIP桥技术应用在具体的无线传感器网络中.
以前学者在论文中曾提出过以点或位置为中心的通信方式的VIP桥的理念.在无线传感器网络中，以每个节点的ID或者它的位置为依据，为其分配一个虚拟的IP地址.每个节点均有一个IP地址，且每个IP地址均是全网唯一的.IP并不是存在无线传感器网络中，而是存储在桥关中.对于Internet 用户来说，它的数据传递过程是这样的：无线传感器网络中节点将采集到的信息通过自组织的网络传递给sink节点，通过sink节点将其翻译成TCP/IP的数据格式，并过VIP桥发送到Internet的网络中.这样就实现了两网数据的互联.反之，VIP桥将internet发送给无线传感器网络的数据转换成WSN的格式，通过VIP桥发送到WSN网络中.
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VIP桥的结构如图2所示，主要有以下部分组成：S—T翻译器、T—S翻译器、查询引擎、知识库、映射表交换器和数据分析器.结构图中的两个数据分析器的作用是分析来自IPv4网络和WSN网络的数据包，分别由两个翻译器实现两网数据格式的相互转换，对来自两网的数据分析后，经查询引擎，从数据库中获取相应的数据信息.然后构成各网所需的数据格式.映射表作用就是将两网之间的数据建立一个映射信息表.形成一个映射集成，sink节点的桥与桥之间采用SOAP进行通信.
Sink节点的硬件的MCU是采样的德州仪器的MSP430F5418的作为微处理器实现的，它是一种 16位的超低功耗的单片机，处理能力强.时钟的关断模式的最低功耗只有0.1 uA;6 tlS的启动时间更加迅速，集成看门狗、低功耗时钟和多个穿行输入结构.选择这款单片机作为sink节点的微控制器的主要基于以下三点考虑：(1)处理能力强、功耗低.(2)对节点的Tinyos操作系统支持较好.(3)内部可运行着精简的TCP/IP协议.
系统的以太网接口采用以太网控制器CS8900A，选择它主要是因为低成本和低功耗.其最大电流消耗为55 mA(5 V电源);GSM接口选用GSM模块TC35实现，其工作电压为3.3—5.5 v，可以工作在 900 MHz和1800 MHz两个频段.
射频模块选取的是2.4 GHzRF芯片CC2500.CC2500具有体积小、高灵敏度、低电流消耗、可编程数据传输率、可编程输出功率等特点，启动时间(从休眠模式到RX模式或TX模式)为240 US.CC2500 可由Tl的MSP430微控制器通过SPI口、一系列的通用I/0端口和中断来控制.
3 软件系统
监控系统的软件部分主要由以下三大部分构成：相关信息的采集阶段、信息在网中的传送阶段和信息的使用和处理阶段.系统的软件原理框图如图4所示.
(1)数据信息采集阶段，布置在温室内的无线传感器网络节点，通过节点上的传感器采集温室内的相关环境信息.通过中继节点和主干网传送至上位机.同时考虑到环境信息的一些固定量，可以将系统软件与采煤机控制器进行兼容性设计.从而优化系统，避免不必要重复监测数据，可以直接从环境相关固定量读取.
(2)网络信息传送部分：节点将采集到的温室内的相关信息经过简单的加工、筛选和处理，然后通过网络传给sink节点.Sink节点通过VIP桥将信息传主干网，最后到用户界面.节点可设置为睡眠状态，进行中断触发的方式唤醒后转发数据.
(3)数据处理终端将采用具有高速处理能力的CC2531芯片.对sink节点上传来的数据进行处理.首先对模拟量进行标定，然后将标定后的数字量通过显示屏进行相应参数显示.信息处理终端实现实时监测、故障报警、参数设置、关键数据查询等功能.
4 结束语
图4软件原理框图本文设计的监控系统是基于TinyOS操作系统的，并且采用了低功耗的MSP430单片机.系统结构相对简单、可靠性高、稳定性强.与此同时，系统的维护和使用均比较便捷.有效地弥补了有线监控系统的不足.除此之外，由于系统是自组网，所以系统和通用性和扩展性都较强可.在环境监测、工程安全、空间探索等领域均有一定的实用和参考价值.——论文作者：李亚杰
参 考 文 献
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