基于WSN和GPRS网络的温室环境监测系统设计

Liang-Ying1

Guo Yun-feng2

Shenyang Ligong University

Shenyang, China

E-mail: liangying.slg@163.com

E-mail: guo133017@163.com

摘要-温室监测存在一些问题，如线路过于复杂，耗电量大，节点功率低，检测效率低，无法实现远程监控，维护等，所以我们提出了一个基于无线传感器网络（WSN）的温室监测系统解决方案。系统采用ANT超低功耗无线技术，以传感器网络和GPRS为核心，实现对温室内部参数的远程实时监控，空气温度和湿度，土壤温度和湿度，二氧化碳浓度，光照强度等。系统功耗低，网络灵活，友好的互动界面等，可以有效地满足温室环境监测的需求。

关键词：温室; 监视系统; 无线传感器；网络; ANT。

1、介绍

随着人们对物质需求的不断增长，传统作物无法满足人们的需求。因此，温室技术作为一种新的作物出现了。到目前为止，温室技术已经超出了受地理，自然环境，气候等诸多因素影响的限制，这对农业生产具有重要意义，温室是实现温室监测的最重要部分。传统的温室控制系统主要基于有线通信，实际存在很多问题，如布线复杂，更新和维护困难，部署不灵活等。无线传感器网络技术作为一种新的信息采集技术，具有节点覆盖，成本低，体积小，组网灵活等特点，应用前景广阔。近年来，许多研究人员将无线通信技术与温室监测系统相结合，如基于蓝牙技术的温室监测系统，基于GSM的温室控制系统，但这些系统存在明显的弊端，如：高成本，高功率消费在这一领域的大规模推广中遇到很大困难。本文针对现有温室监控系统存在的不足，将WSN技术，ANT技术，GPRS技术和嵌入式技术与系统相结合，设计了低功耗，低成本，灵活的组网，友好的人机界面，并为温室环境监测系统的现场和远程管理做好准备。

2、整体系统设计

A.整体系统需求分析

温室环境监测系统的主要需求包括：实时采集气温，湿度，土壤温湿度，光照强度，CO2浓度等因素;显示通过无线方式收集分析和汇总的数据;通过GPRS将数据传输到远程管理存储平台。

B.整体系统架构

结合上述监测系统的要求，我们得到一个温室监测系统，下面为级别架构图。如图1所示。

图1.系统结构图

系统由6种无线传感器节点和网络感知终端平台组成。 无线传感器节点可根据需要设置在温室的指定区域。 由于ANT协议的灵活性，无线传感器节点可以根据期望的地形，运动范围，温室大小以及单跳或多跳通信所需的信息的收敛来布置在不同的拓扑中。UCOSII嵌入式系统配备了终端的网络感知管理功能，将对温室环境内所有传感器节点的管理，以及存储，实时显示数据需要通过GPRS上传到远程通信平台，为相关区域管理提供可靠支持。

图2.设备布局

3、硬件设计

A.传感器节点硬件设计

在充分考虑成本，稳定性，功耗等因素的基础上，我们的主要目标是实现数据采集，无线通信的功能，使系统更具适用性。 结构和外观如图3所示。

图3. 传感器硬件模块结构

图4.传感器节点的外观

1）NRF51822

NRF51822嵌入式ANT系统由瑞典北欧公司开发。 32位ARMreg;CortexTM-M0处理器具有强大的处理能力，并兼容低功耗蓝牙和ANT协议，具有强大的兼容性，低工作电流芯片10.5mA，普通纽扣电池可保证传感器工作数年， 帮助确保系统的可靠性和可行性。 此外，该芯片提供了大量可编程外围设备，满足各种应用需求。

2）传感器模块

传感器是整个系统的前端“触角”，负责数据收集的任务。 系统采用以下传感器：S505无线光发射器，工作电流lt;7mA，睡眠电流lt;6uA，测试范围0-100000Lux，测量精度高达7％。 H550无线CO2传感器，工作电流为15mA，测量精度为30ppm。 SHT71空气温湿度传感器，低工作电流550uA，待机低至0.3uA，测量精度为0.3度和11.8％。 18B20土壤温湿度传感器，测量范围-55度至 125度，固有温度分辨率为0.5度。 工作电压为3-5V。

B.网络感知终端硬件设计

网络感知传感器终端主要负责区域内传感器的管理和显示，存储，转发所收集的数据。 因此，系统要求有好的稳定性，数据处理的速度和外围接口的丰富性。 网络感知终端使用电源，可以极大地保证系统的稳定性。 处理器具有基于ARMreg;的32位通用增强型144引脚512K字节闪存微控制器，最高工作频率可达72MHz，电源为2.0~3.6V，芯片提供大量外设，如：Rs232串口 ，Rs485串口使得开发更加容易，缩短了开发周期。

1）电源模块

系统使用电源来确保系统的最大稳定性。 通过DC-DC转换器将220V转换为24V，以通过5V和3.3V之间所需的极板电压进入。

图5.24V至5V电压转换

图6.5V至3.3V电压转换

2）470无线发射模块

470无线模块是一种低成本的高性能RF模块。 工作在470MHz。传输速率高达1.2k-500kbps。使用470无线模块可以实现网络感知终端之间的相互通信。

3）GPRS模块

为实现远程收发功能，系统采用SIM900A模块完成功能要求。SIM900A是一款GSM / GPRS双频模块，设计紧凑，采用SMT封装，接收速率和传输速率可达86kb/s和21kb/s，完全可以满足需求。

4、 ANT通信协议的成就

ANT通信协议是Nordic，Dynastream公司开发的一种超低功耗无线网络标准，ANT通信协议基于Zigbee协议和实现更低的功耗，更短的开发周期和更便宜的应用程序等。回到我们的应用程序，由于温室区域有限，因此没有必要制定路线，我们还需要找到一些计划策略来节省传感器节点的能量并避免消息冲突和空闲监控。由于网络管理终端的稳定性很强，系统采用星型拓扑结构，节点之间不需要通信，每个节点相互相等，不需要交换消息，系统是独立的，因此传感器节点不需要与其他系统中的终端通信。由于参数指标的不同和时间变化的差异，我们使用定时睡眠，唤醒和分时采集功能，以便可以避免所有不必要的能量损失。

A.睡眠模式

所有传感器节点都有独自的收集周期，因此如果不是工作时间，它们可以休眠。因此，我们的第一个节能解决方案基于上述标准。我们将为6种传感器节点分配不同的工作周期，系统时钟将嵌入到他们的程序中。当他们的工作时间到来时，他们会醒来并收集数据，然后与终端进行通信。当他们的时间结束，他们将再次休眠。因此，通过这种方法，我们不仅可以节省传感器节点的能量，缩短工作时间，还可以避免因为它们在不同时期工作而发生的消息冲突。

图7.时期分布

B.数据传输协议

系统采用2种传输方式，在所有传感器节点的网络感知终端之间进行广播，在网络感知终端和单个传感器节点之间进行单播。当系统准备好收集数据时，网络感知终端广播让所有传感器节点知道他们需要准备好与终端同步。此外，包将包括服务内容，例如总长度，消息ID，序列，版本，安全标志，保留和终端ID，IP地址，系统时间。广播结束后，单播即将到来。当单个传感器节点处于工作期间，他们准备好收集数据并等待他们的时间段，在传输之前，他们将发送一个发送请求数据包，在获得确认后，他们将发送数据包并启动计数器等待确认。如果终端获得数据包，则ack将被发送到传感器节点。如果传感器节点没有得到确认，他们将立即再次发送数据包。

图8. 数据包头的数据元素

C. M2M通信协议

在网络感知终端完成数据收集后，数据应该发送到远程管理平台，我们称之为M2M。 WMMP（无线M2M协议）协议由中国移动建立，用于M2M终端和M2M终端之间的M2M业务，M2M终端和M2M平台，M2M平台和M2M应用平台，用于数据处理层的数据通信。设计的系统如下所示。 WMMP协议由两部分组成：M2M平台和M2M终端接口（WMMP-T）以及M2M平台和M2M应用接口协议（WMMP-A）。 M2M终端与M2M平台之间的WMMP -T协议数据通信。 从一个M2M终端发送到另一个M2M终端的数据和端到端路由的实现也由WMMP-T定义。 WMMP在M2M平台和M2M应用之间的协议数据通信，从一个M2M终端发送到另一个M2M终端的数据和端到端路由的实现也由WMMP-T定义。 WMMP在M2M平台和M2M应用之间的协议数据通信，从一个M2M终端发送到另一个M2M应用的数据和端到端路由的实现也由WMMP-A定义。

WMMP协议是可扩展协议栈和消息结构的核心，而其外层是WMMP协议访问的核心，与通信机制和安全机制无关。在此基础上，从内到外依次为WMMP-M2M终端管理功能和WMMP-M2M应用扩展功能。WMMP与具体的业务应用程序无关，只对设备状态进行注册登录，查询，参数设置，远程控制，固件更新等功能，这些功能是设备或终端在实际应用中的普遍要求，在除业务行为外，由WMMP TRANSPARENT_DATA服务实现。设备状态参数，例如查询，包括GPRS接入点名称，M2M平台IP地址和端口号，分组重传时间和时间等，以及针对特定AD信道测量，不属于查询WMMP协议，应由应用程序数据报告确定。

5、系统测试

我们选择一个真正的温室作为测试场所，在温室中设置了六个传感器节点和一个网络感知终端，除了土壤温度和湿度传感器需要插入土壤并通过电缆连接到终端，其他传感器集成在节点中，系统启动后，每个节点在1.5分钟内完成网络工作，完成第一次数据采集，并在网络成功后15s内显示，网络感知终端自动获取IP地址并通信远程平台。我们收集了3天的数据，并对数据进行了比较，并试图找到规律性，最后我们得出了以下结论。 实验结果如图9所示。

图9.空气，土壤温度和湿度与时间的关系

6.结论

本文基于WSN，GPRS网络，利用ANT协议提出了温室环境下各参数解的集合监测指标。测试结果实时匹配信息，一致地证明了系统的可行性。

致谢

这项工作得到了沈阳技术研究发展计划（F13-148-3-00）的支持。

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多传感器无线集成温室环境监测系统

Gourab Sen Gupta, SMIEEE, Vu Minh Quan

工程与先进技术学院（SEAT）北帕默斯顿梅西大学

G.SenGupta@massey.ac.nz, quanvu.nz@gmail.com

摘要 – 有一些参数有助于商业温室中植物的生长，即土壤湿度，土壤温度，大气温度和湿度，二氧化碳（CO2）和光照强度。保持这些环境参数处于最佳水平对于植物的健康生长和使水果和花的产量最大化是必不可少的。仅监测一些参数，例如温度和湿度，而忽略其他参数，会导致观察不准确和产量不佳。与此同时，温室大小的增加使种植者需要增加测量点（传感器站）以准确地监测环境的变化。然而，测量点的增加意味着传感器站的安装和维护成本的增加。在本文中，详细介绍了自动无线温室气候监测系统，特别强调了温度和湿度传感器的编程方面和测试。建议的系统由三个单元组成 - 传感器站（SS），协调站（CS）和中央控制站（CCS）。

资料编号：[3754]