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摘要：为了有效监控大棚环境状况，保证大棚作物健康生长，提出一种基于WSN技术的低功耗环境监测系统。该系统对大棚温度、湿度、光照、土壤温湿度等环境数据进行动态监测，系统采用太阳能锂电供电方式，并采用动态电源管理算法，结合改进路由协议，降低系统功耗，该系统稳定可靠，可有效监测温室大棚的关键环境因子参数，具有一定的推广价值。
关键词：环境监测；温室大棚；无线传感器网络；WSN技术；关键因子
中图分类号： S126；TP277.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0377-03
收稿日期：2013-12-04
基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（13）5066]。
作者简介：柳军（1984—），男，江苏南京人，硕士研究生，助理研究员，主要从事智能农业设施与装备研究。Tel：（025）84390441；E-mail：nkyliu@163.com。近年来，无线通信技术、微电子技术、传感器技术以及嵌入式计算等技术的不断进步推动了低成本、低功耗无线传感网络（wireless sensor network，WSN）的发展，促使无线传感器网络成为当今的热门研究领域。WSN是在一定范围内部署的微型传感器节点，由这些节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，并将结果发送给观察者[1]。作为种植花卉、蔬菜的重要场所，温室大棚能够显著增强农业的抗灾、减灾、反季节生产能力。温室大棚利用WSN无线网络技术的低功耗、低成本、免许可无线通信频段等特点，改变传统的有线检测方式，避免布线，通过利用太阳能小型锂电供给系统，在不利于电力线路铺设的区域实现监测电力供给，并且节能、环保[2-3]。随着数字化农业的快速发展，低功耗的无线环境监测系统越来越受到重视。本研究提出了基于WSN技术的低功耗大棚关键环境因子监控系统，应用于温室大棚生产环境监测，实时精确获得温室大棚环境的关键参数，对于系统掌握植物生长发育规律及其与环境的关系，维持温室作物的均衡供应具有重要意义。1总体设计
本系统由分布在大棚各处的温湿度传感器、光照传感器和土壤传感器节点、路由节点、无线网关、主控机构成。整个WSN网络通过优化过的路由协议，改进算法并采用低功耗动态电源管理方式来达到降低全系统电能需求的目的。WSN网络节点间通过无线通信协议建立联系，形成无线网络，设计交互命令接口以便通过主控或者上位机对全部节点进行一次性参数配置。传感器节点与路由主控星网连接，即时传递采集信息，也可通过网关向上位机传递采集信息，实现远距离对大棚环境的实时监测，提高了整个系统的延展性。
2硬件设计
监测系统的无线传感网络主要由无线网关节点、路由节点以及传感器节点组成。这些网络节点采用统一的硬件结构模块组合，再通过不同的软件设计实现功能切换与配置。整体硬件结构模块如图1所示。
2.1能量管理硬件模块
本系统采用太阳能电池发电、锂电池储能的供电方式，是低功耗无线传感能量供应方式的发展趋势。无线网络节点通常由电池供电，每个节点受电池容量限制，节点通常放置在高温湿度的恶劣环境下，使用过程中如不能及时给电池充电或更换电池，一旦电池能量耗尽，节点就会停止工作。本系统能量管理模块设计之一是通过提高电源转换效率，尽量减少电池能量消耗，使用升压型DC/DC转换芯片MAX1678，该芯片是低噪声、高效芯片，满载效率为90%，典型输出为 3.3 V，可调输出为2.0～5.5 V，同时具有欠压保护、报警功能[4-5]。当到达采集指令周期时，由电源管理模块对传感器电源进行供电，闲时停止对传感器模块、路由模块的供电，避免浪费电源（图2）。
2.2无线网关路由的硬件模块设计
无线网关用于选择通信信道、网络标示符，启动时建立并维护网络节点联系，允许其他节点设备加入网络，同时允许多跳路由。
2.2.1主控MCU选择主控MCU对数据的可靠性要求很高，由于采用电池供电，因此对功耗的要求也很苛刻。数据处理单元的微控制器主要侧重于多项功能的开发，选择时主要从功能、抗干扰、功耗、速度等几个方面进行考虑。C8051F930是 Silicon Labs公司推出的高性能、低功耗9系列单片机中的一款。该系列单片机具有集成度高、速度快、混合模拟信号处理、低压低功耗及兼容8051 指令集等特点，是仪表、手持设备主控制器的理想选择。
2.2.2Si4432射频控制接口Si4432 与主机 MCU 之间的通信是通过 SPI 总线实现的，主要涉及 SCLK、SDI、SDO、nSEL 4个引脚[6-7]。Si4432中 SCLK 串行时钟信号的速率可灵活设定，最大可达 10 MHz。Si4432 主要存在于SHUTDOWN、IDLE、TX、RX 4种状态中（表1），在 SHUTDOWN状态下功耗最低。主控MCU有5种不同的 IDLE模式，主控可以根据不同的应用灵活选择。这些状态或模式可以通过操作模式、功能控制寄存器 07H设定。通过在寄存器 07H 中设定 txon/rxon 控制位可以从 IDLE 状态中的任意模式自动转移到 TX/RX 状态。通过主控对不同模式/状态下灵活转换，基于整个网络状态判断调节所处状态，可以大大降低网关及整个传感网络因数据传输带来的功耗损失。表1无线网关路由硬件模块不同模式/状态下转换所需要的时间、功耗
状态/模式xtalpllwtLBD/TS响应时间发送接收当前状态/模式下电流值关闭状态XXXX16.21 ms16.21 ms10 nA空闲状态待机模式00001.21 ms1.21 ms400 nA休眠模式0010[8]800 nA传感器模式00X1〖8〗1 μA预备模式10XX210 μs210 μs600 μA调谐模式11XX200 μs200 μs9.5 mA发送状态11XXNA200 μs80 mA@+20 dBm27 mA@+11 dBm接收状态11XX200 μsNA18.5 mA 2.3传感器节点
该节点设计主要由无线收发模块、AD模块、微控制器模块、存储器模块、传感器等组成。微控制器模块采用C8051F930完成传感信息初处理，模拟信号数字化解释任务。无线收发射频模块核心为Si4432收发器，实现节点数据传输与路由任务。AD模块负责将传感器信号由模拟量转换为数字量。
3软件设计
软件设计主要包括数据采集配置、无线传感网络建立、无线收发机制、HMI处理等。本系统首先由网关、路由节点根据网络ID标识建立起无线传感网络，传感节点、控制节点再相继加入网络。成功建立网络后，传感节点将上次采集的参数进行配置，通过路由网关发送至主控节点进行识别，确认后进行采样。
3.1优化节点路由协议
由于低功耗传感器网络采集节点供电方式为太阳能-电池供电，节点能量非常有限，节点之间的通信距离、存储空间都受能量限制，为了降低能耗，采样节点本身不增加存储功能，同时本系统设计了采样时间，节点间默认间隔10 min苏醒1次，之后15 s内保持清醒，与整个传感网络建立连接，主控与路由如果修改了采样时间，就在苏醒的15 s内反馈给采样节点。为保证温室大棚环境采样数据的准确性，采样节点苏醒时间隔2 s完成3次采样，取中间值为有效值上传至主控。
3.2主控软件设计
启动主程序时，首先初始化软硬件设置，建立无线传感器网络连接，启动电源管理策略，开始进入采集环境关键因子循环。有针对性地预先设置环境因子对比库，根据经验设置阈值、参数对比逻辑，设置不同的温室大棚数值，每次采样信息数据均须进行存储，以便进行后续经验数据分析。用户可根据作物的实际情况设定关键环境因子的阈值，执行操作后继续观测反馈状态，如进入了报警范围则启动故障报警及信息处理功能模块（图3）。
4低功耗电源管理算法设计
常用的电源管理策略有静态电源策略、动态电源策略2种。静态电源策略是指系统在初始化过程中的电源低功耗管理技术。动态电源策略是指CPU运行过程中的低功耗技术。调整程序运行频率，当系统忙时提高CPU运行速度，系统空闲时CPU处于睡眠状态；降低I/O口的平均电流、电压，电流、电压不变时减少供电时间，从而降低系统功耗。本系统采用动态电压电源管理（dynamic power management，DPM）技术，确保节点在主控芯片的控制下，始终能够在节能模式运行，有必要的事件发生时可以让主控芯片接管电源模块[8-10]。系统主要DPM对象有电池、传感器接口、射频模块、主控MCU。当检测到电池电量不足时，对同一网路ID节点的转发请求降低响应频率。传感器接口AD模块的电源管理，主控扫描启动后会分析当前状态，区分正常电压模式、自动掉电模式、自动待机模式3个模式。在正常电压模式下，至少有一路AD在工作。当主控判断当前所有AD接口均处于不采样状态时，自动掉电模式启动，关闭AD以及传感器电源。
5结论
为解决现场布线难、供电难的现状，结合目前大棚环境监测需求的实际情况，笔者研制了基于WSN技术的低功耗大棚关键环境因子监控系统，达到降低全系统电能需求的目的，实际测试中，4 500 mA的锂电满电能供应温度、湿度、光照3参数单节点正常运行10 d左右，配备太阳能充电模块，可长期在设施大棚中工作而不断电。同时，系统主控与传感网络通过串口连接，具有易扩展、易操作的优点。本系统组网速度快、节点现场布置灵活、性能稳定可靠，可长期有效监测温室大棚的环境参数，具有一定的应用价值。
参考文献：
[1]暴建民. 物联网技术与应用导论[M]. 北京：人民邮电出版社，2011：53-55.
[2]冯友宏，麻金继，杨凌云，等. 基于物联网和LabVIEW高效环境监测系统设计[J]. 传感器与微系统，2013，32（2）：128-130，134.
[3]杨玺. 面向实时监测的无线传感器网络[M]. 北京：人民邮电出版社，2010：5-7.
[4]邵汝峰，张彪，张矢，等. 无线传感器网络节能技术的研究[J]. 传感器世界，2007（7）：40-43.
[5]伍春，陈雪冬，江虹，等. 基于蓝牙的无线传感器网络节点设计与实现[J]. 计算机应用与软件，2010，27（4）：74-76，101.
[6]李正民，王建辉，刘伟伟.基于Si4432的无线射频通信模块的设计与实现[J]. 测控技术，2012，31（4）：40-43.
[7]赵虎，王三根，王纪元.Si4432无线芯片在普适农业系统中的应用[J]. 农机化研究，2011（2）：158-162.
[8]卢可义，关鹏，张文超. 智能生命信息无线传感器低功耗研究[J]. 生命科学仪器，2007，5（2）：28-33.
[9]胥琳，朱艺华，胡华. 无线局域网中时延感知的电源管理策略[J]. 计算机科学，2011，38（10）：113-116.
[10]白斌，韩国栋，姜玲玲. 基于队列的动态电源管理策略[J]. 计算机工程与设计，2009，30（21）：4875-4877，4959.杨业娟，屠莉. 基于蚁群算法的水果图像分割技术[J]. 江苏农业科学，2014，42（9）：380-382.
关键词：环境监测；温室大棚；无线传感器网络；WSN技术；关键因子
中图分类号： S126；TP277.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0377-03
收稿日期：2013-12-04
基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（13）5066]。
作者简介：柳军（1984—），男，江苏南京人，硕士研究生，助理研究员，主要从事智能农业设施与装备研究。Tel：（025）84390441；E-mail：nkyliu@163.com。近年来，无线通信技术、微电子技术、传感器技术以及嵌入式计算等技术的不断进步推动了低成本、低功耗无线传感网络（wireless sensor network，WSN）的发展，促使无线传感器网络成为当今的热门研究领域。WSN是在一定范围内部署的微型传感器节点，由这些节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，并将结果发送给观察者[1]。作为种植花卉、蔬菜的重要场所，温室大棚能够显著增强农业的抗灾、减灾、反季节生产能力。温室大棚利用WSN无线网络技术的低功耗、低成本、免许可无线通信频段等特点，改变传统的有线检测方式，避免布线，通过利用太阳能小型锂电供给系统，在不利于电力线路铺设的区域实现监测电力供给，并且节能、环保[2-3]。随着数字化农业的快速发展，低功耗的无线环境监测系统越来越受到重视。本研究提出了基于WSN技术的低功耗大棚关键环境因子监控系统，应用于温室大棚生产环境监测，实时精确获得温室大棚环境的关键参数，对于系统掌握植物生长发育规律及其与环境的关系，维持温室作物的均衡供应具有重要意义。1总体设计
本系统由分布在大棚各处的温湿度传感器、光照传感器和土壤传感器节点、路由节点、无线网关、主控机构成。整个WSN网络通过优化过的路由协议，改进算法并采用低功耗动态电源管理方式来达到降低全系统电能需求的目的。WSN网络节点间通过无线通信协议建立联系，形成无线网络，设计交互命令接口以便通过主控或者上位机对全部节点进行一次性参数配置。传感器节点与路由主控星网连接，即时传递采集信息，也可通过网关向上位机传递采集信息，实现远距离对大棚环境的实时监测，提高了整个系统的延展性。
2硬件设计
监测系统的无线传感网络主要由无线网关节点、路由节点以及传感器节点组成。这些网络节点采用统一的硬件结构模块组合，再通过不同的软件设计实现功能切换与配置。整体硬件结构模块如图1所示。
2.1能量管理硬件模块
本系统采用太阳能电池发电、锂电池储能的供电方式，是低功耗无线传感能量供应方式的发展趋势。无线网络节点通常由电池供电，每个节点受电池容量限制，节点通常放置在高温湿度的恶劣环境下，使用过程中如不能及时给电池充电或更换电池，一旦电池能量耗尽，节点就会停止工作。本系统能量管理模块设计之一是通过提高电源转换效率，尽量减少电池能量消耗，使用升压型DC/DC转换芯片MAX1678，该芯片是低噪声、高效芯片，满载效率为90%，典型输出为 3.3 V，可调输出为2.0～5.5 V，同时具有欠压保护、报警功能[4-5]。当到达采集指令周期时，由电源管理模块对传感器电源进行供电，闲时停止对传感器模块、路由模块的供电，避免浪费电源（图2）。
2.2无线网关路由的硬件模块设计
无线网关用于选择通信信道、网络标示符，启动时建立并维护网络节点联系，允许其他节点设备加入网络，同时允许多跳路由。
2.2.1主控MCU选择主控MCU对数据的可靠性要求很高，由于采用电池供电，因此对功耗的要求也很苛刻。数据处理单元的微控制器主要侧重于多项功能的开发，选择时主要从功能、抗干扰、功耗、速度等几个方面进行考虑。C8051F930是 Silicon Labs公司推出的高性能、低功耗9系列单片机中的一款。该系列单片机具有集成度高、速度快、混合模拟信号处理、低压低功耗及兼容8051 指令集等特点，是仪表、手持设备主控制器的理想选择。
2.2.2Si4432射频控制接口Si4432 与主机 MCU 之间的通信是通过 SPI 总线实现的，主要涉及 SCLK、SDI、SDO、nSEL 4个引脚[6-7]。Si4432中 SCLK 串行时钟信号的速率可灵活设定，最大可达 10 MHz。Si4432 主要存在于SHUTDOWN、IDLE、TX、RX 4种状态中（表1），在 SHUTDOWN状态下功耗最低。主控MCU有5种不同的 IDLE模式，主控可以根据不同的应用灵活选择。这些状态或模式可以通过操作模式、功能控制寄存器 07H设定。通过在寄存器 07H 中设定 txon/rxon 控制位可以从 IDLE 状态中的任意模式自动转移到 TX/RX 状态。通过主控对不同模式/状态下灵活转换，基于整个网络状态判断调节所处状态，可以大大降低网关及整个传感网络因数据传输带来的功耗损失。表1无线网关路由硬件模块不同模式/状态下转换所需要的时间、功耗
状态/模式xtalpllwtLBD/TS响应时间发送接收当前状态/模式下电流值关闭状态XXXX16.21 ms16.21 ms10 nA空闲状态待机模式00001.21 ms1.21 ms400 nA休眠模式0010[8]800 nA传感器模式00X1〖8〗1 μA预备模式10XX210 μs210 μs600 μA调谐模式11XX200 μs200 μs9.5 mA发送状态11XXNA200 μs80 mA@+20 dBm27 mA@+11 dBm接收状态11XX200 μsNA18.5 mA 2.3传感器节点
该节点设计主要由无线收发模块、AD模块、微控制器模块、存储器模块、传感器等组成。微控制器模块采用C8051F930完成传感信息初处理，模拟信号数字化解释任务。无线收发射频模块核心为Si4432收发器，实现节点数据传输与路由任务。AD模块负责将传感器信号由模拟量转换为数字量。
3软件设计
软件设计主要包括数据采集配置、无线传感网络建立、无线收发机制、HMI处理等。本系统首先由网关、路由节点根据网络ID标识建立起无线传感网络，传感节点、控制节点再相继加入网络。成功建立网络后，传感节点将上次采集的参数进行配置，通过路由网关发送至主控节点进行识别，确认后进行采样。
3.1优化节点路由协议
由于低功耗传感器网络采集节点供电方式为太阳能-电池供电，节点能量非常有限，节点之间的通信距离、存储空间都受能量限制，为了降低能耗，采样节点本身不增加存储功能，同时本系统设计了采样时间，节点间默认间隔10 min苏醒1次，之后15 s内保持清醒，与整个传感网络建立连接，主控与路由如果修改了采样时间，就在苏醒的15 s内反馈给采样节点。为保证温室大棚环境采样数据的准确性，采样节点苏醒时间隔2 s完成3次采样，取中间值为有效值上传至主控。
3.2主控软件设计
启动主程序时，首先初始化软硬件设置，建立无线传感器网络连接，启动电源管理策略，开始进入采集环境关键因子循环。有针对性地预先设置环境因子对比库，根据经验设置阈值、参数对比逻辑，设置不同的温室大棚数值，每次采样信息数据均须进行存储，以便进行后续经验数据分析。用户可根据作物的实际情况设定关键环境因子的阈值，执行操作后继续观测反馈状态，如进入了报警范围则启动故障报警及信息处理功能模块（图3）。
4低功耗电源管理算法设计
常用的电源管理策略有静态电源策略、动态电源策略2种。静态电源策略是指系统在初始化过程中的电源低功耗管理技术。动态电源策略是指CPU运行过程中的低功耗技术。调整程序运行频率，当系统忙时提高CPU运行速度，系统空闲时CPU处于睡眠状态；降低I/O口的平均电流、电压，电流、电压不变时减少供电时间，从而降低系统功耗。本系统采用动态电压电源管理（dynamic power management，DPM）技术，确保节点在主控芯片的控制下，始终能够在节能模式运行，有必要的事件发生时可以让主控芯片接管电源模块[8-10]。系统主要DPM对象有电池、传感器接口、射频模块、主控MCU。当检测到电池电量不足时，对同一网路ID节点的转发请求降低响应频率。传感器接口AD模块的电源管理，主控扫描启动后会分析当前状态，区分正常电压模式、自动掉电模式、自动待机模式3个模式。在正常电压模式下，至少有一路AD在工作。当主控判断当前所有AD接口均处于不采样状态时，自动掉电模式启动，关闭AD以及传感器电源。
5结论
为解决现场布线难、供电难的现状，结合目前大棚环境监测需求的实际情况，笔者研制了基于WSN技术的低功耗大棚关键环境因子监控系统，达到降低全系统电能需求的目的，实际测试中，4 500 mA的锂电满电能供应温度、湿度、光照3参数单节点正常运行10 d左右，配备太阳能充电模块，可长期在设施大棚中工作而不断电。同时，系统主控与传感网络通过串口连接，具有易扩展、易操作的优点。本系统组网速度快、节点现场布置灵活、性能稳定可靠，可长期有效监测温室大棚的环境参数，具有一定的应用价值。
参考文献：
[1]暴建民. 物联网技术与应用导论[M]. 北京：人民邮电出版社，2011：53-55.
[2]冯友宏，麻金继，杨凌云，等. 基于物联网和LabVIEW高效环境监测系统设计[J]. 传感器与微系统，2013，32（2）：128-130，134.
[3]杨玺. 面向实时监测的无线传感器网络[M]. 北京：人民邮电出版社，2010：5-7.
[4]邵汝峰，张彪，张矢，等. 无线传感器网络节能技术的研究[J]. 传感器世界，2007（7）：40-43.
[5]伍春，陈雪冬，江虹，等. 基于蓝牙的无线传感器网络节点设计与实现[J]. 计算机应用与软件，2010，27（4）：74-76，101.
[6]李正民，王建辉，刘伟伟.基于Si4432的无线射频通信模块的设计与实现[J]. 测控技术，2012，31（4）：40-43.
[7]赵虎，王三根，王纪元.Si4432无线芯片在普适农业系统中的应用[J]. 农机化研究，2011（2）：158-162.
[8]卢可义，关鹏，张文超. 智能生命信息无线传感器低功耗研究[J]. 生命科学仪器，2007，5（2）：28-33.
[9]胥琳，朱艺华，胡华. 无线局域网中时延感知的电源管理策略[J]. 计算机科学，2011，38（10）：113-116.
[10]白斌，韩国栋，姜玲玲. 基于队列的动态电源管理策略[J]. 计算机工程与设计，2009，30（21）：4875-4877，4959.杨业娟，屠莉. 基于蚁群算法的水果图像分割技术[J]. 江苏农业科学，2014，42（9）：380-382.