【正文】 ..................................... 20 TinyOS 操作系統(tǒng)的移植 ............................................................................................ 21 TinyOS 簡介 ..................................................................................................... 21 TinyOS 的移植 ................................................................................................. 21 節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì) .................................................................................................... 22 低功耗電源設(shè)計(jì) .............................................................................................. 22 無線系統(tǒng)低能耗解決方案 .............................................................................. 23 通信模塊的低功耗設(shè)計(jì) .................................................................................. 23 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) ........................................................................................................ 24 4 溫室大棚無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .......................................................................................... 26 溫室無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架 .................................................................................... 26 硬件實(shí)現(xiàn) .................................................................................................................... 26 無線采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) .................................................................................. 26 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì) .............................................................................................. 27 軟件實(shí)現(xiàn) ..................................................................................................................... 28 無線采集節(jié)點(diǎn)的程序 ...................................................................................... 28 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器的程序 .......................................................................................... 28 監(jiān)控中心 .......................................................................................................... 29 實(shí)驗(yàn)測(cè)試 .................................................................................................................... 29 5 存在的問題及發(fā)展方向 ...................................................................................................... 30 存在的問題 ................................................................................................................ 30 發(fā)展方向 .................................................................................................................... 30 總結(jié) .......................................................................................................................................... 32 致謝 .......................................................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 34 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 1 緒論 課題目的及意義 我國是世界上設(shè)施栽培面積最大的國家，而且近幾年來，國產(chǎn)連棟溫室每年以新增100～ 150公頃的面積快速發(fā)展 [1]。引導(dǎo)溫室用戶根據(jù)作物的要求進(jìn)行環(huán)境因子的調(diào)節(jié)以獲得作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，是溫室環(huán)境因子調(diào)控決策支持系統(tǒng)的主要目標(biāo)和方向 [2]。然而，目前的溫室測(cè)控系統(tǒng)大多采用有線布網(wǎng)、人工測(cè)量，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)安裝困難，工作效率偏低，測(cè)量精度差，這不僅大大增加了電氣工程施工費(fèi)用，也導(dǎo)致施肥等工作困難。此外，系統(tǒng)中的每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)沒有自組織功能和自愈能力，維護(hù)工作量大，也不利于系統(tǒng)升級(jí)，且隨著溫室規(guī)模的日益擴(kuò)大和溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸距離的增加，這些問題愈加明顯。 因此，為了實(shí)現(xiàn)溫室農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效，開發(fā)和研制一種新型的溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)是十分必要的。 為了克服有線控制的這些缺點(diǎn)，近幾年來，無線技術(shù)在溫室中的應(yīng)用得到了人們極大的關(guān)注?，F(xiàn)有資料表明， 20xx 年，國內(nèi)最早將無線通信技術(shù)應(yīng)用于溫室環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng) [3]，此后的幾年內(nèi)相關(guān)的研究都基本上處于探索階段，且大多數(shù)局限于短距離的通信 [46]。近三年來，越來越多的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)集成了各種先進(jìn)的通信技術(shù)解決方案，建立了高效的管理系統(tǒng)，使得溫室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制成為可能 [79]。 分析無線通信技術(shù)在現(xiàn)代溫室中的應(yīng)用情況和主要存在的問題對(duì)于推進(jìn)我國的室溫監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。 隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的高速發(fā)展， 溫室大棚的不斷擴(kuò)大，對(duì)溫室農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量提出了越來越高的要求。而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中， 有許多因素影響著農(nóng)作物的生長和產(chǎn)量，比如，環(huán)境溫度、濕度、 CO2濃度、土壤 PH 值及光照強(qiáng)度等，然而由于 溫室大棚的分散性、區(qū)域化較強(qiáng)，給環(huán)境數(shù)據(jù)采集帶來了 很大 的不便。因此，本文參考國內(nèi)外已有的研究成果，分析 了一套基于 ZigBee 和 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，滿足了遠(yuǎn)距離條件下溫室環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的需要，采用該套系統(tǒng)可以監(jiān) 測(cè)到溫室內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)， 然后對(duì)農(nóng)作物的生長進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，以便指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)來提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值 [10]。 從而實(shí)現(xiàn)溫室信息采集自動(dòng)部署、自組織傳輸和智能控制、改善溫室等設(shè)施內(nèi)工作環(huán)境和 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 工作條件 、提高工作效率、保障農(nóng)民身體健康、提高農(nóng)民生活質(zhì)量，有助于解決 “ 三農(nóng) ”問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)溫室作物生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 我國溫室監(jiān)控系統(tǒng)研究狀況 我國是一個(gè)歷史悠久的農(nóng)業(yè)大國，早在兩千多年前就有蔬菜、花卉的溫室栽培。可見我國的溫室產(chǎn)業(yè)源遠(yuǎn)流長。 20 世紀(jì) 30 年代，我國遼寧南部和北京地區(qū)就己經(jīng)開始在冬季利用不進(jìn)行人工加熱的 “日光溫室 ”生產(chǎn)新鮮蔬菜。但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，嚴(yán)冬季節(jié)這種溫室內(nèi)的光、熱環(huán)境只能維持耐寒性強(qiáng)的野菜類和蔥蒜類蔬菜生長，而不能生產(chǎn)喜溫的黃瓜、番茄等果菜。 20 世紀(jì) 80 年代中期，人們開 始對(duì)原有的日光溫室，如建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境調(diào)控技術(shù)和栽培技術(shù)進(jìn)行了全面的改進(jìn)，在完全不加熱或僅有極少量加熱的條件下，在嚴(yán)冬生產(chǎn)喜溫果菜。其中遼寧省農(nóng)民創(chuàng)建的海城日光溫室和瓦房店日光溫室是我國設(shè)施蔬菜栽培史上的重大突破，但產(chǎn)量相對(duì)較低。 我國的溫室栽培管理一直主要靠人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，直到 20 世紀(jì) 70 年代從國外引進(jìn)了設(shè)施環(huán)境控制設(shè)備與手段都很先進(jìn)的溫室設(shè)施，一方面由于現(xiàn)代化溫室在我國能源消耗太大，國情國力難以承受；另一方面，溫室生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的過程，是硬件設(shè)施和軟件技術(shù)的統(tǒng)一體，而我們?nèi)狈ο鄳?yīng)的管理人才；再者，由于地 域、水土、氣候，乃至資源的差異，引進(jìn)的國外系統(tǒng)并不完全適合于我國國情，引進(jìn)的設(shè)備并沒能充分發(fā)揮其作用，且成本高、維護(hù)困難，而且引進(jìn)的國外系統(tǒng)一般都不具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，無法與管理系統(tǒng)聯(lián)系，以至于這些巨資引進(jìn)的設(shè)施基本上虧損經(jīng)營。 上世紀(jì) 80 年代末 90 年代初，在引進(jìn)、吸收、消化的基礎(chǔ)上，我國有關(guān)科研、教學(xué)單位圍繞著主要蔬菜的環(huán)境控制問題展開了試驗(yàn)研究，取得了一定成效。特別是 “九五 ”期間，國家科技部提出的工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程推動(dòng)了我國溫室監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)出一批具有我國知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)。但總體來講，我國設(shè)施 農(nóng)業(yè)中環(huán)境控制能力低，自動(dòng)化程度十分落后，抵御自然災(zāi)害能力差。 目前，我國溫室自動(dòng)控制研究有兩個(gè)方向，一是由江蘇理工大學(xué)李萍萍、毛罕平等人自行研制的智能環(huán)境控制系統(tǒng)，它采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為溫室控制系統(tǒng)的核心，如圖 所示。該系統(tǒng)為多變量輸入輸出控制系統(tǒng)，通過傳感器檢測(cè)溫室中各環(huán)境參數(shù)，得到模擬輸出量，經(jīng)相應(yīng)變送器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，在自編軟件支持下，經(jīng)接口板采集數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理分析將輸入量與設(shè)定量比較后，輸出開關(guān)量，通過驅(qū)動(dòng)電路控制各 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 執(zhí)行機(jī)構(gòu) [11]。二是由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)電子電力工程學(xué)院設(shè)計(jì)的華北型連棟溫 室自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用以單片機(jī)為主對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通過友好的人機(jī)接口界面觀測(cè)與遙控溫室內(nèi)環(huán)境狀況，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)、外溫度、濕度、光照、土壤溫度等環(huán)境參數(shù)值，并進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)。 在溫室因素控制方面，我國的溫室監(jiān)控系統(tǒng)還停留在單因子控制階段。如范云翔等研制開發(fā)的智能噴水控制器，能根據(jù)環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)整噴水量，吉林大學(xué)于海業(yè)等研究的溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，做到了溫室內(nèi)溫度、濕度的自動(dòng)檢測(cè)，并建立了一個(gè)溫室操作的專家系統(tǒng)，但沒有定型產(chǎn)品，沒有形成產(chǎn)業(yè)化機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在也有專家進(jìn)行多因子綜合因素的大系統(tǒng)控制研究，這將代表我國溫室監(jiān)控系統(tǒng)今后研究的方向 [12]。 圖 一種溫室監(jiān)控系統(tǒng)模型 無線通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 無線通信技術(shù)由無線終端、無線基站、應(yīng)用管理服務(wù)器三部分組成。如果按照傳輸距離可以將其分為基于 的無線局域網(wǎng) (WLAN)、基于 的無線城域網(wǎng) (WMAN)、基于 的無線廣域網(wǎng) (WWAN)、和基于 的無線個(gè)域網(wǎng) (WPAN)四種類型。無線通技術(shù)按照不同的 要求可劃分為不同的類型。例如可以按照移動(dòng)性將其劃分為固定接入式和移動(dòng)接入式；按照帶寬可以分為寬帶和窄帶兩種無線接入；按照傳輸距離則又可以分為長距離無線接入和短距離無線接入等 [13]。 隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，人們要求信息化開創(chuàng)新的工作方式、 管理 方式、商貿(mào)方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、醫(yī)療保健方式以及消費(fèi)與生活方式。無線通信也從固定方式發(fā)展為移動(dòng)方式，移動(dòng)通信發(fā)