温室环境无线监控系统设计

温室环境无线监控系统设计赵勇，等温室环境无线监控系统设计ＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＷｉｒｅｌｅｓｓＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＧｒｅｅｎｈｏｕｓｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ赵爱互曙光（西安邮电学院自动化学院，陕西西安７１０１２１）摘要：为提高温摩环境监控的效率．针对传统的有线温室监控系统接线复杂和节点放置不灵活等缺点，提出一种基于无线传感器网络的温宦环境监控系统的方案，并详细给出主节点和子节点的软硬件设计方案。试验结果表明。系统具有运行可靠、成本低、组网灵话以及人机交互界面友好等特点，实现了温室环境的本地监控和远程监控，能够满足当前我国温室环境监控的实际需要。关键词：温室无线传感器网络监测控制ＣＣｌｌ００中图分类号：ＴＰ２１２文献标志码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏＭｅｒｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｅｆｉ％ｉｅｎｅｙｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｗｉｒｉｎｇａｎｄｉｎｆｌｅｘｉｂｌｅｎｏｄｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｗｉｒｅｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ．ｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄＯｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ。ａｎｄｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｓｏｆｍａｓｔｅｒｎｏｄｅａｎｄｃｈｉｌｄｎｏｄｅａｒｅｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆｅａｔｕｒｅｓｒｅｌｉａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ。ｌｏｗｃ吲，ｆｌｅｘｉｂｌｅｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇａｎｄｕｇｅｒ—ｆｒｉｅｎｄｌｙｈｕｍａｎｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｉｔｒｅａｌｉｚｅｓｌｏｃａｌａｎｄｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ａｎｄｓａｔｉｓｆｉｅｓｃｕｒｒｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧｒｅｅｎｈｏｕｓｅＷｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＣＣＩ１０００引言ＧＳＭ模块，实现了温室环境的本地监控和远程监控。作为高效、高科技含量的大规模生产方式，温室生１系统总体架构产已经成为世界农业的发展趋势。“。长期以来，我国监控系统总体架构如图１所示。温窀环境的监控工作大多凭人工经验进行管理，而人工管理存在调控效果差等诸多缺点。郭佳、王艳芳、马玉泉等提出了基于ＣＡＮ总线、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线以及ＲＳ．是传输速度快、信息量大，但其共同的缺点是节点放置不灵活、监测效率低等”１。袁洪波、卫勇、车艳双等提ｉ……一．璺皇………；上位Ｐｃ机出了基于ＧＰＲＳ、手机短消息、ＧＰＳ和ＰＤＡ的无线温室图１系统总体架构图监测系统旧１１。该类系统的优势是系统运行稳定、传Ｆｉｇ．１Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｙｓｔｅｍ输距离远，但其最大的缺点是通信费用高，很难进行大温室环境无线监控系统由子节点、主节点、上位面积的推广和应用。ＰＣ机以及ＧＳＭ模块等构成。综合以上两类系统的优缺点，本文设计了一套基子节点实时采集温毫内的温度、湿度等环境参数，于无线传感器网络的温室环境监控系统。系统采用成并进行前期预处理，然后以无线方式发送至主节点。本低、功耗小的ＩＳＭ无线射频通信技术，使整个系统主节点接收来自子节点发来的数据后进行实时的监测和控制过程均实现无线化，同时辅以上位机和显示，并将数据通过串口上传至上位ＰＣ机。同时，主节点可接收来自上位ＰＣ机或用户手机下发的控陕西省自然基金资助项目（蝙号：２０１ＩＪＭ８００３）：制命令并发送至相应子节点，再由子节点打开相应西安邮电学院青年教师科研基金资助项目（编号：ＺＬ２０１１－ｌＯ）。的执行机构．以实现温室环境参数的自动调节，从而修改稿收到日期：２０１１一ｌｌ一１９。使设计的系统能够集温室环境的监测功能和控制功第一作者赵勇（１９７９一），男，２００９年毕业于西安电干科技大学模式识别与智能系统专业，获硕士学位．工程师；主要从事无线传感嚣网络、能于一身。智能控制的研究。当异常情况发生时（如牲畜或盗贼入侵等），子节《自动化仪表》第３３卷第６期２０１２年６月５３万方数据４８５总线的有线温室测控系统旧‘４１。这些系统的优势温室环境无线监控系统设计赵勇。等点首先获取异常信息。并传送给主节点，主节点经判断后即启动声光报警装置，并通过ＧＳＭ模块向种植人员发送短信提示，使种植人员及时采取措施，实现温室的远程监控和本地监控。模块ＴＣ３５ｉ，它通过ＲＳ－２３２串行接口与单片机实现数据通信。报警模块由继电器和声光报警装置等构成。当温室系统出现异常情况时（如牲畜或盗贼入侵等），主节点接收到来自子节点的报警信息后，由单片机输出控制信号并打开继电器，从而实现报警功能。液晶显示模块主要用于显示子节点发送来的温室环境信息。系统采用１２８×６４点阵的汉字图形型液晶显示模块１２８６４—１２，可显示汉字及图形，由单片机的ＳＣＩ功能口直接驱动。２．２子节点硬件设计位于整个温室无线监控系统最前端的子节点，主要实现温室环境信息的采集、数据预处理以及执行机构的控制等功能。子节点主要由单片机、温湿度检测模块、热释红外检测模块、无线收发模块、执行机构以及电源模块等构成。图２主节点硬件结构图ｒ＇ｉｓ．２Ｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２系统硬件设计２．１主节点硬件设计主节点负责完成子节点的管理、数据信息的显示和上传、控制命令的下发等任务。主节点以单片机ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８Ｂ为控制核心，主要包括无线收发模块、ＧＳＭ通信模块、报警模块、液晶显示模块以及电源模块等，其硬件结构如图２所示。子节点硬件结构如图３所示。ｏｆｍａｓｔｅｒｎｏｄｅ作为主节点的核心控制器，单片机ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８Ｂ负责整个节点的监控和数据处理任务。ＭＣ９Ｓ１２ＸＳｌ２８Ｂ是飞思卡尔公司生产的一款１６位单片机，采用哈佛结构和流水线指令结构；其基于Ｓ１２ＣＰＵ内核．内部Ｆｌａｓｈ达１２８ｋｂｉｔ，具有ＳＣＩ、ＳＰＩ和ＣＡＮ总线端口；最高总线频图３子节点硬件结构图Ｆｉｇ．３Ｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｔｌｃｔｔｌｒｅｏｆｃｈｉｌｄｎｏｄｅ率可以达到９６ＭＨｚ，具有功耗低、稳定性好和抗干扰能力强等特点一１。无线收发模块采用ＩＳＭ射频芯片ＣＣｌｌ００，通过设置收发数据的参数，完成数据和命令信息的无线发送与接收。ＣＣｌｌ００是单片的ＵＨＦ收发器，具有功耗低、电压低、体积小、灵敏度高等特点，可在４３３ＭＨｚ和９１５温湿度检测模块主要用于检测温室内空气和土壤的温湿度等环境参数，系统采用温湿度传感器删．１０Ｓ。该传感器集温度和湿度采集于一体，具有输出电压范围宽、线性度好以及精度高等特点。温湿度传感器ＨＵ．１０Ｓ的输出为模拟电压信号。该信号与单片机的Ａ／Ｄ口相连接，最终实现温湿度的采集。热释电红外检测模块的核心部件是人体热释电红外传感器ＬＨｌ９５８。该传感器为３引脚金属封装。采用数字量输出，具有灵敏度高、功耗小以及隐蔽性好等特点。当检测到有牲畜或盗贼进入温室时，子节点立即将该信息上传至主节点。主节点首先启动声光报警装置，然后以短消息的方式通知种植人员。执行机构由继电器、通风装置、加热装置以及降温装置等构成。当温室环境参数越限时，子节点根据来自上位机或种植人员的命令开启继电器，控制相应的执行装置，以实现温室环境参数的自动调节。ＭＨｚ等频段工作。１”“１。它集成了一个可配置的调制解调器，可支持不同的调制格式，数据传输率最高可达５００ｋｂｉｔ／ｓ。系统中，ＣＣｌｌ００的工作频段设置为４３３ＭＨｚ，可通过ＳＰＩ接口与单片机进行数据交互，实ＧＳＭ通信模块通过短信息的方式与种植户进行现数据信息和控制命令的无线收发。通信，但考虑到通信资费的问题，ＧＳＭ模块在正常情况下并不向种植人员发送短信，只有当主节点判断温室环境参数越限或在某个子节点出现异常情况时（如牲畜或盗贼入侵等），才向种植人员发送短信。种植人员可通过发送短信或是在上位机上点击相应按钮启动温室的执行机构，使温室环境参数始终处于最适宜作物生长的范围内。此外，用户可通过手机发送查询命令．实时了解温室的环境信息。本系统采用集成有射频单元和基带处理器的工业级ＧＳＭ５４ＰＲＯＣＥＳＳ３系统软件设计３．１主节点程序设计主节点负责接收由子节点发送的温室环境数据和ＡＵＴＯＭＡＴＩｏＮＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴｌｏＮＶｏＬ３３Ｎｏ．６Ｊｕｎｅ２０１２万方数据报警信息。系统为每个子节点分配了不同的ＩＤ号，主节点通过提取接收数据中的ＩＤ号来区分不同的节点信息，并将处理后的数据传送给上位Ｐｃ机。当温室环境参数超限或盗贼入侵时，主节点首先启动报警装置，并以短消息的方式给种植户提示信息；同时，主节点接收来自种植户和上位Ｐｃ机的控制命令，然后转发至相应子节点。主节点程序流程如图４所示。二［开始系统初蛤化退塑兰坚互＞≮≥聿］是＋救据分析及处理——＿垄■Ｌ一一．Ｉｌ上位机／ＧｓＭ命令．———上Ｌ＿————ｒ—一．１致据处理敷据发送及显示｜Ｊ并发送控制命令囱图４主节点程序流程图Ｆｉｇ．４ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｍａｓｔｅｒｎｏｄｅｐｍＦａｍ３．２子节点程序设计子节点程序流程如图５所示。厂ｉ荔订回，有教据传输ｊＶ，发往＿奉节点，，，ｋ＼采集敛据｜｜敷据分析及处理处理并发送数据ｌｌ开启相应执行机构囱图５子节点程序流程图Ｆｉｇ．５Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｃｈｉｌｄｎｏｄｅｐｒｏｇｒａｍ子节点主要负责采集温室环境参数，并将这些数据发送至主节点；同时接收来自主节点的控制命令，并根据这些命令开启相应的执行机构。由于温室环境中不可避免地存在各种干扰，需要对传感器获取的数据进行必要的处理，如数字滤波、线性化处理等。此外，每个子节点都有一个事先分配的唯一ＩＤ。当子节点收到主节点发来的控制命令时，先取出该命令包包头的ＩＤ号与自己的ＩＤ号进行比较，如果一致则接收，否《自动化仪表》第３３卷第６期２０１２年６月万方数据http://www.seed17.net/product/97.html温室环境无线监控系统设计赵勇。等则就丢弃。３．３上位机软件设计上位机软件包含串１２１通信模块、测量数据显示模块和数据库访问模块等，主要完成系统自检设置、用户管理、数据读取显示、报警参数设置以及历史数据分析等任务。本系统的上位机软件在ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０环境下开发设计，利用ＶＢ提供的通用串口控件ＭＳＣｏｍｍ实现串口通信的数据接收和发送，通过设置Ｄａｔａ控件的Ｃｏｎｎｅｃｔ、ＤａｔａｂａｓｅＮａｍｅ和ＲｅｃｏｒｄＳｏｕｒｃｅ来实现对Ａｃｃｅｓｓ数据库的连接和调用。测量数据的显示则采用Ｐｉｃｔｕｒｅ控件．分别显示各个子节点的温湿度数据。４结束语本系统将ＩＳＭ射频技术应用于温室环境监控系统，利用无线传感器网络对温搴温湿度等环境参数进行采集和传送；设计了无线传感器网络的组网方案，并给出主节点和子节点的软硬件设计。系统运行试验表明，系统实现了温事温湿度等环境参数的无线监测和自动调节功能，具有运行可靠、成本低、组网灵活以及人机交互界面友好等特点，能够满足当前我国温室环境监控的实际需要。参考文献［１］蒋录全．信息生态与社会可持续发展［Ｍ］．北京：北京图书馆出版社．２００９：２３８—２４２．［２］郭佳，任博．张侃渝．基于ＣＡＮ的ＦＣＳ型智能温室系统的设计与实现［Ｊ］．自动化与仪表，２０ｔｏ（９）：３２—３５．［３］王艳芳，任胜杰，李智强Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线在智能温室监控系统中的应用［Ｊ］．机床与液压．２０１０，３８（４）：６４—６８．［４］马玉泉，卢卫娜，蔺志鹏．主从分布式温室环境参数测控系统［Ｊ］．农机化研究。２０１１（３）：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