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摘要：无线传感器网络因具有低功耗、低维护成本和自组网等特点已逐渐应用于温室环境信息监测中。利用 igBee 技术设计温室WSN监测系统，该系统具有稳定可靠、通信效率高、能耗低、监测精度高等特点。试验结果表明，该温室WSN监测系统能准确采集温室环境参数，并可实现保存和查询历史数据，有效提高温室环境种植的科学性、客观性，从而提高温室生产水平。
关键词：igBee技术；温室；WSN监测系统；设计
中图分类号： TP274；S126文献标志码： A
文章编号：1002-1302（201412-0445-03[HS][HT9SS]
收稿日期：2014-10-12
基金项目：江苏省农业三新工程[编号：SX（2011387]。
作者简介：彭爱梅（1980—，女，江苏东台人，硕士，讲师，从事无线传感网络、电力电子技术等方向的研究。
通信作者：尹玉军，硕士，讲师，从事无线传感网络、射频集成电路设计等方向的研究。E-mail：120328690@qqcom。
随着无线通信技术、网络技术的发展，无线传感网络（WSN技术已越来越广泛地应用于工农业生产中。无线传感器网络由部署在监测区域内的多个传感器节点组成，因其具有低功耗、低维护成本和自组网等特点已逐渐应用于温室环境信息监测，可随时随地实现对温室内温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度等环境因子的采集和无线传输[1]。无线传感网络是温室智能控制的最前端，对实现温室内环境因子信息采集的自动化、信息化、智能化具有重要意义。在短距离的无线控制、监测和数据传输领域，igBee技术由于具有传输距离短、功耗低、成本低、安全性好和自组网等特点，成为最适合构建低速率WSN的标准之一。本研究基于igBee通信协议，设计了基于igBee技术的温室无线传感网络监测系统，以期实现对温室环境参数的无线监测。
[WTH]1igBee技术概述
igBee网络可以工作的频段为868、915 MHz或 24 GHz，在不同频段的传输速率也不相同，在868 MHz频段的传输速率最高为20 kb/s，在915 MHz频段的传输速率最高为40 kb/s，而在24GHz频段的传输速率最高为250 kb/s，因此igBee是一种低传输速率的无线网络。igBee网络的传输距离比较短，适合近距离传输，它的有效传输范围为10～75 m。在igBee无线传感网络中，网络节点最多可以达到65 000个，这些网络节点之间可以实现直接通信，通信的可靠性比较高。在目前广泛使用的所有无线通信网络（如移动通信的GSM和CDMA网络等中，从功耗、成本、安全等因素考虑，igBee技术都是最低的，正是由于igBee技术具有距离近、功耗低、可靠性高的特点，因此在自动控制、远程控制等领域有着非常广泛的应用。随着互联网和移动通信网络的迅速发展和完善，igBee无线传感网络已经通过一定的手段或方式实现了与其他网络的互连和通信[5]。
igBee网络节点需要依赖一定的无线网络协议才能进行通信，而传统的无线通信协议又无法满足igBee网络的低成本要求，因而igBee协议应运而生。igBee协议是在IEEE 802154协议[6]的基础上发展起来的，但是IEEE802154标准定义媒体访问控制层和物理层，igBee联盟对IEEE 802154协议进行了补充和扩展，形成了igBee协议。当igBee网络有了自己的协议标准后，网络中所有的传感器之间相互连接实现通信。
在igBee 无线传感网络中存在协调器、路由器和终端设备3种逻辑设备类型。通常情况下，协调器只能是1个，而路由器和终端设备可以不止1个。在网络中，协调器的作用是设置网络参数，组建网络，它就是网络的总控制器；路由器相当于一个中继器，主要负责设备之间通信的中继，同时还可以实现网络范围的拓展；终端设备是整个igBee网络的子节点。
igBee无线传感器网络有3种常用拓扑结构：星状结构、串状结构和网状结构。对于这3种网络拓扑结构，连接相对简单实用的是星状结构，但是它能够连接到的网络节点比较少，在所有的传感器节点中心布置协调器，网络连接是通过协调器实现的；串状结构是通过增加路由器实现网络连接的，主要采用多跳方式来进行数据的转发[7]；网状结构是在所有节点之间进行互连实现网络连接，每个节点之间都已经实现了连接，所有节点之间可以直接进行信息的传输。
2系统组成及原理
由图1可以看出，温室监测系统是由网关、传感器节点、路由器节点、移动通信网（GPRS、3G或4G网络或互联网、服务器和监控终端设备等部分组成，其中传感器节点是按照智能温室的相关要求和规定在温室大棚内部进行布置的，通过这些传感器采集温室中的温度、湿度、CO2浓度和光照情况，并将采集到的环境监测信号进行信号处理后传送给微处理器；路由器节点负责监控现场数据的收集和中转，并进行传感器节点和网络协调器之间的通信；协调器主要完成网络的建立、管理和控制的功能，同时将相关网络信息进行保存，并且通过协调器转发传感器节点采集的监测数据给网关进行处理，将处理后的数据通过移动通信网络（如GPRS、3G或4G等转发给监控中心处理；监控中心主要有数据和通信2种类型的服务器，在系统中数据服务器的作用是保存接收到的监测数据，同时也可以进行数据的管理，通信服务器的作用是通过移动通信网络（如GPRS、3G或4G等与网关完成数据交换工作。监控终端设备可以通过电脑、手机、iPad等设备访问服务器，实现数据查询功能。
[F（W9][TPPAM1tif][F]
3硬件电路设计
31传感器节点
在igBee网络中，构成网络的最基本单元是传感器节点。在各种不同的系统中采用的传感器节点也是各有千秋，不尽相同，本系统设计的传感器节点组成见图2。可以看出，传感器节点是由无线通信模块（如igBee网络、GPRS模块、射频电路等、传感器模块（如温度传感器、湿度传感器、CO2传感器、光照传感器等、电源模块、微处理器模块（MSP430单片机等部分组成，此外还应该有调试模块和串口通信模块。 [F（W10][TPPAM2tif][F]
32传感器模块
[JP2]传感器模块由各种类型的传感器组成，主要通过各类传感器完成对温室内温度、湿度、光照和CO2浓度等环境参数的采样和收集，由于微处理器只能处理数字信号，因此传感器采集到的信号必须进行A/D转换，也可以选择带有A/D转换电路的数字式传感器，根据系统需求完成对各类传感器的选型。
321温湿度传感器本系统选用的温湿度传感器为SHT15，是瑞士进口的一体式数字式空气温湿度传感器。SHT15具有响应速度快、稳定性好和免标定等优点。SHT15芯片的主要功能是进行温度感测和湿度感测，同时它还集成了信号变换、加热器和模数转换等功能。SHT15性能参数为：（1湿度测量范围，0～100%相对湿度；（2温度测量范围，-400～1238 ℃；（3湿度测量精度，±20%相对湿度；（4温度测量精度，±03 ℃；（5响应时间，8 s（tau 63%，即湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比率63%；（6可完全浸没。SHT15采用I2C接口与微控制器通信[8]，接口电路如图3所示。
[F（W13][TPPAM3tif][F]
322CO2浓度传感器CO2是作物进行光合作用必不可少的原料，必要的时候还可以增施CO2来适当提高生长区域的浓度，从而增加作物产量。CO2浓度的检测选用英国GSS公司的低功耗型红外CO2传感器COIR-A，其功耗仅 35 mW，带温度补偿、湿度补偿功能，并可以感知白天或黑夜的环境状态；预热时间仅10 s，内置PCB板的封装；有量程 0～2 000 mg/L、0～5 000 mg/L、0～1%供选择；接口的电平类型为TTL，使得其可以实现与CC2430芯片的直接通信。
323光照传感器系统光照度传感器为BH1750，它具有精度高、量程大等特点。BH1750是一种用于两线式串行总线接口的16位数字输出型光强度传感器集成电路。该传感器对400～700 nm波段内的可见光具有极好的灵敏度，而对其他波段的光具有较好的过滤效果。量程为1～65 536 lx，分辨率为1 lx，能满足温室中的测量需要，并可根据实际需要调整量程和分辨率，它采用标准I2C接口用于数据通信。
33网关的设计
网关节点在系统中的主要功能是组建网络，是无线传感器网络的协调器，管理无线节点、发送命令和汇聚数据，同时网关还须要将数据传送给监控中心，目前广泛采用的网络是GPRS通信网。通常情况下，网关是通过RS232通信接口与客户端实现通信的。本系统设计了1个用于无线传感器网络和以太网通信的网关，该网关包括控制模块、电源模块、存储模块、射频模块以及其他I/O接口。无线传感器网络的协调器可以采用CC2430芯片，用来对无线传感器网络的节点进行管理，对数据进行解析后通过RS232串口与异构网络传输模块通信。CC2430 芯片是 TI 公司生产的一款符合 igBee 技术的 24 GHz 射频系统单芯片，适用于各种 igBee 技术的网络节点（包括协调器、路由器和终端设备，CC2430 是一个真正的系统级芯片（SOC系统级解决方案。以太网传输模块采用LPC1114芯片与网口芯片ENC28J60。网关的结构如图4所示。
[F（W9][TPPAM4tif][F]
由图4可以看出，协调器节点以CC2430作为主控芯片，集成射频天线可以与传感器网络的终端或者中继节点通信；协调器节点和LPC1114协议转换芯片之间以RS232接口通信，而LPC1114可以以SPI接口与网口芯片之间互传数据，网口芯片通过RJ45接口与服务器之间以直接或者间接方式连接，以Socket协议传输数据和命令[9]。
4软件设计
传感器信息的采集、无线自组网通信、以太网数据传输、信息的远程网络发布和管理都需要软件系统的配合才能实现。软件设计的目标是实现无线传感器网络信息的采集、透明传输和远程访问。传感器节点工作流程如图5所示。
5结论
温室环境参数的采集对温室生产至关重要，本研究针对温室环境参数难以监测的实际情况，根据温室环境控制要求，提出基于igBee技术设计温室WSN监测系统。该系统具有稳定可靠、通信效率高、能耗低、监测精度高等特点，试验结果表明，该温室WSN监测系统能准确采集温室环境参数，并可实现保存和查询历史数据，从而有效提高温室环境种植的科学性、客观性，提高温室生产水平。
[HS2][HT85H]参考文献：[HT8SS]
[1][（#]张佐经，张海辉，翟长远，等 设施农业环境因子无线监测及预警系统设计[J] 农机化研究，2010，32（11：78-82
关键词：igBee技术；温室；WSN监测系统；设计
中图分类号： TP274；S126文献标志码： A
文章编号：1002-1302（201412-0445-03[HS][HT9SS]
收稿日期：2014-10-12
基金项目：江苏省农业三新工程[编号：SX（2011387]。
作者简介：彭爱梅（1980—，女，江苏东台人，硕士，讲师，从事无线传感网络、电力电子技术等方向的研究。
通信作者：尹玉军，硕士，讲师，从事无线传感网络、射频集成电路设计等方向的研究。E-mail：120328690@qqcom。
随着无线通信技术、网络技术的发展，无线传感网络（WSN技术已越来越广泛地应用于工农业生产中。无线传感器网络由部署在监测区域内的多个传感器节点组成，因其具有低功耗、低维护成本和自组网等特点已逐渐应用于温室环境信息监测，可随时随地实现对温室内温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度等环境因子的采集和无线传输[1]。无线传感网络是温室智能控制的最前端，对实现温室内环境因子信息采集的自动化、信息化、智能化具有重要意义。在短距离的无线控制、监测和数据传输领域，igBee技术由于具有传输距离短、功耗低、成本低、安全性好和自组网等特点，成为最适合构建低速率WSN的标准之一。本研究基于igBee通信协议，设计了基于igBee技术的温室无线传感网络监测系统，以期实现对温室环境参数的无线监测。
[WTH]1igBee技术概述
igBee网络可以工作的频段为868、915 MHz或 24 GHz，在不同频段的传输速率也不相同，在868 MHz频段的传输速率最高为20 kb/s，在915 MHz频段的传输速率最高为40 kb/s，而在24GHz频段的传输速率最高为250 kb/s，因此igBee是一种低传输速率的无线网络。igBee网络的传输距离比较短，适合近距离传输，它的有效传输范围为10～75 m。在igBee无线传感网络中，网络节点最多可以达到65 000个，这些网络节点之间可以实现直接通信，通信的可靠性比较高。在目前广泛使用的所有无线通信网络（如移动通信的GSM和CDMA网络等中，从功耗、成本、安全等因素考虑，igBee技术都是最低的，正是由于igBee技术具有距离近、功耗低、可靠性高的特点，因此在自动控制、远程控制等领域有着非常广泛的应用。随着互联网和移动通信网络的迅速发展和完善，igBee无线传感网络已经通过一定的手段或方式实现了与其他网络的互连和通信[5]。
igBee网络节点需要依赖一定的无线网络协议才能进行通信，而传统的无线通信协议又无法满足igBee网络的低成本要求，因而igBee协议应运而生。igBee协议是在IEEE 802154协议[6]的基础上发展起来的，但是IEEE802154标准定义媒体访问控制层和物理层，igBee联盟对IEEE 802154协议进行了补充和扩展，形成了igBee协议。当igBee网络有了自己的协议标准后，网络中所有的传感器之间相互连接实现通信。
在igBee 无线传感网络中存在协调器、路由器和终端设备3种逻辑设备类型。通常情况下，协调器只能是1个，而路由器和终端设备可以不止1个。在网络中，协调器的作用是设置网络参数，组建网络，它就是网络的总控制器；路由器相当于一个中继器，主要负责设备之间通信的中继，同时还可以实现网络范围的拓展；终端设备是整个igBee网络的子节点。
igBee无线传感器网络有3种常用拓扑结构：星状结构、串状结构和网状结构。对于这3种网络拓扑结构，连接相对简单实用的是星状结构，但是它能够连接到的网络节点比较少，在所有的传感器节点中心布置协调器，网络连接是通过协调器实现的；串状结构是通过增加路由器实现网络连接的，主要采用多跳方式来进行数据的转发[7]；网状结构是在所有节点之间进行互连实现网络连接，每个节点之间都已经实现了连接，所有节点之间可以直接进行信息的传输。
2系统组成及原理
由图1可以看出，温室监测系统是由网关、传感器节点、路由器节点、移动通信网（GPRS、3G或4G网络或互联网、服务器和监控终端设备等部分组成，其中传感器节点是按照智能温室的相关要求和规定在温室大棚内部进行布置的，通过这些传感器采集温室中的温度、湿度、CO2浓度和光照情况，并将采集到的环境监测信号进行信号处理后传送给微处理器；路由器节点负责监控现场数据的收集和中转，并进行传感器节点和网络协调器之间的通信；协调器主要完成网络的建立、管理和控制的功能，同时将相关网络信息进行保存，并且通过协调器转发传感器节点采集的监测数据给网关进行处理，将处理后的数据通过移动通信网络（如GPRS、3G或4G等转发给监控中心处理；监控中心主要有数据和通信2种类型的服务器，在系统中数据服务器的作用是保存接收到的监测数据，同时也可以进行数据的管理，通信服务器的作用是通过移动通信网络（如GPRS、3G或4G等与网关完成数据交换工作。监控终端设备可以通过电脑、手机、iPad等设备访问服务器，实现数据查询功能。
[F（W9][TPPAM1tif][F]
3硬件电路设计
31传感器节点
在igBee网络中，构成网络的最基本单元是传感器节点。在各种不同的系统中采用的传感器节点也是各有千秋，不尽相同，本系统设计的传感器节点组成见图2。可以看出，传感器节点是由无线通信模块（如igBee网络、GPRS模块、射频电路等、传感器模块（如温度传感器、湿度传感器、CO2传感器、光照传感器等、电源模块、微处理器模块（MSP430单片机等部分组成，此外还应该有调试模块和串口通信模块。 [F（W10][TPPAM2tif][F]
32传感器模块
[JP2]传感器模块由各种类型的传感器组成，主要通过各类传感器完成对温室内温度、湿度、光照和CO2浓度等环境参数的采样和收集，由于微处理器只能处理数字信号，因此传感器采集到的信号必须进行A/D转换，也可以选择带有A/D转换电路的数字式传感器，根据系统需求完成对各类传感器的选型。
321温湿度传感器本系统选用的温湿度传感器为SHT15，是瑞士进口的一体式数字式空气温湿度传感器。SHT15具有响应速度快、稳定性好和免标定等优点。SHT15芯片的主要功能是进行温度感测和湿度感测，同时它还集成了信号变换、加热器和模数转换等功能。SHT15性能参数为：（1湿度测量范围，0～100%相对湿度；（2温度测量范围，-400～1238 ℃；（3湿度测量精度，±20%相对湿度；（4温度测量精度，±03 ℃；（5响应时间，8 s（tau 63%，即湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比率63%；（6可完全浸没。SHT15采用I2C接口与微控制器通信[8]，接口电路如图3所示。
[F（W13][TPPAM3tif][F]
322CO2浓度传感器CO2是作物进行光合作用必不可少的原料，必要的时候还可以增施CO2来适当提高生长区域的浓度，从而增加作物产量。CO2浓度的检测选用英国GSS公司的低功耗型红外CO2传感器COIR-A，其功耗仅 35 mW，带温度补偿、湿度补偿功能，并可以感知白天或黑夜的环境状态；预热时间仅10 s，内置PCB板的封装；有量程 0～2 000 mg/L、0～5 000 mg/L、0～1%供选择；接口的电平类型为TTL，使得其可以实现与CC2430芯片的直接通信。
323光照传感器系统光照度传感器为BH1750，它具有精度高、量程大等特点。BH1750是一种用于两线式串行总线接口的16位数字输出型光强度传感器集成电路。该传感器对400～700 nm波段内的可见光具有极好的灵敏度，而对其他波段的光具有较好的过滤效果。量程为1～65 536 lx，分辨率为1 lx，能满足温室中的测量需要，并可根据实际需要调整量程和分辨率，它采用标准I2C接口用于数据通信。
33网关的设计
网关节点在系统中的主要功能是组建网络，是无线传感器网络的协调器，管理无线节点、发送命令和汇聚数据，同时网关还须要将数据传送给监控中心，目前广泛采用的网络是GPRS通信网。通常情况下，网关是通过RS232通信接口与客户端实现通信的。本系统设计了1个用于无线传感器网络和以太网通信的网关，该网关包括控制模块、电源模块、存储模块、射频模块以及其他I/O接口。无线传感器网络的协调器可以采用CC2430芯片，用来对无线传感器网络的节点进行管理，对数据进行解析后通过RS232串口与异构网络传输模块通信。CC2430 芯片是 TI 公司生产的一款符合 igBee 技术的 24 GHz 射频系统单芯片，适用于各种 igBee 技术的网络节点（包括协调器、路由器和终端设备，CC2430 是一个真正的系统级芯片（SOC系统级解决方案。以太网传输模块采用LPC1114芯片与网口芯片ENC28J60。网关的结构如图4所示。
[F（W9][TPPAM4tif][F]
由图4可以看出，协调器节点以CC2430作为主控芯片，集成射频天线可以与传感器网络的终端或者中继节点通信；协调器节点和LPC1114协议转换芯片之间以RS232接口通信，而LPC1114可以以SPI接口与网口芯片之间互传数据，网口芯片通过RJ45接口与服务器之间以直接或者间接方式连接，以Socket协议传输数据和命令[9]。
4软件设计
传感器信息的采集、无线自组网通信、以太网数据传输、信息的远程网络发布和管理都需要软件系统的配合才能实现。软件设计的目标是实现无线传感器网络信息的采集、透明传输和远程访问。传感器节点工作流程如图5所示。
5结论
温室环境参数的采集对温室生产至关重要，本研究针对温室环境参数难以监测的实际情况，根据温室环境控制要求，提出基于igBee技术设计温室WSN监测系统。该系统具有稳定可靠、通信效率高、能耗低、监测精度高等特点，试验结果表明，该温室WSN监测系统能准确采集温室环境参数，并可实现保存和查询历史数据，从而有效提高温室环境种植的科学性、客观性，提高温室生产水平。
[HS2][HT85H]参考文献：[HT8SS]
[1][（#]张佐经，张海辉，翟长远，等 设施农业环境因子无线监测及预警系统设计[J] 农机化研究，2010，32（11：78-82