【正文】 (5)LED 燈用于顯示匯聚節(jié)點的運行狀態(tài) [29]。李銀華等人針對現(xiàn)有溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器位置放置不靈活、走線多、監(jiān)測效率低等問題，采用 ZigBee 技術，利用 Mesh 網(wǎng)狀拓撲結構和 的射頻收發(fā)無線模塊，設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的多溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構。 通信模塊的低功耗設計 在基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室監(jiān)測系統(tǒng)中，射頻部分占用了功率消耗的絕大部分，因此，對射頻模塊的能耗管 理就顯得尤為重要 [37]。如果所有溫室都通過控制中心的計算機來進行統(tǒng)一管理，可以大大提高了工作效率，使溫室管理更加科學，控制更加簡單，從而達到提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的最終目的。 (4)調(diào)節(jié) 輸出功率：無線微控制器芯片（ CC2430）的功率放大器可以通過寄存器配置成四種不同的輸出功率，因此，通過降低輸出功率，可以降低總的發(fā)送功率。以 BlinkNoTimerTask 為例，在 Cygwin 下面 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 22 頁 輸入： cd/diku/mon/apps/BlinkNoTimerTask，然后回車輸入： make cc2430em，如果順利的話， TinyOS 將被編譯生成 文件，只要把這個文件燒錄進單片機就可以了。DM9161 是一款低功耗、高性能的 CMOS 芯片，支持 10MB/s 和 100MB/s 的以太網(wǎng)傳輸，它起編碼、譯碼、輸入和輸出數(shù)據(jù)的作用，這樣就可以將匯聚節(jié)點輕松連接到因特網(wǎng)，以便于實現(xiàn)遠程控制。 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 19 頁 此外， CC2430 是 Chipcon 公司 推出的用來實現(xiàn)嵌入式 ZigBee 應用的片上系統(tǒng) 。 節(jié)點的硬件設計 無 線傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中的基本組成元素，因此節(jié)點的硬件設計是 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 18 頁 整 個系統(tǒng)的基礎。該方案在硬件設計上，匯聚節(jié)點和 GPRS/GSM 模塊既可嵌入到網(wǎng)關節(jié)點中，也可以獨 立設計。 CDMA 系統(tǒng)為每個用戶分配各自特定的地址碼，彼此之間互相獨立、互相不影響，對頻率、時間和空間沒有特定的限制，利用公共信道來傳輸信息。 GSM 及其應用現(xiàn)狀 GSM 是當前應用十分廣泛的移動電話標準。 RFID 技術已經(jīng)成功的應用于動物養(yǎng)殖的溯源系統(tǒng)中，為食品安全以及物流系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的手段。 ZhangQian等人設計了基于 ZigBee技術的溫室無線監(jiān)測和控制系統(tǒng) [20]，該系統(tǒng)已經(jīng)平穩(wěn)運行于浙江省麗水市農(nóng)業(yè)科學研究院的現(xiàn)代溫室中。 ② 成本低。根據(jù)通信距離，無線通信技術分為短距離無線通信技術和長距離無線通信技術 [15]。 第三階段為 70 年代初至 80 年代初頻段擴展至 800 MHz，美國貝爾研究所提出了蜂窩系統(tǒng)概念并于 70 年代末進行了 AMPS 試驗。特別是 “九五 ”期間，國家科技部提出的工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程推動了我國溫室監(jiān)控技術的發(fā)展，生產(chǎn)出一批具有我國知識產(chǎn)權的控制系統(tǒng)。 為了克服有線控制的這些缺點，近幾年來，無線技術在溫室中的應用得到了人們極大的關注。 最后，本文對國內(nèi)溫室技術的發(fā)展與無線通信技術的應用做出展望?？梢娢覈臏厥耶a(chǎn)業(yè)源遠流長。 圖 一種溫室監(jiān)控系統(tǒng)模型 無線通信技術的發(fā)展狀況 無線通信技術由無線終端、無線基站、應用管理服務器三部分組成。有線通信方式具有設備互操作性強、系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點。其優(yōu)點是功 耗低、實現(xiàn)簡單；但藍牙技 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 術遭遇的最大障礙是過于昂貴，突出表現(xiàn)在芯片大小和價格難以下調(diào)、抗干擾能力不強、傳輸距離太短、信息安全問題等。 ⑥ 網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強。由于其優(yōu)異的帶寬是以大功耗為代價的，導致設備功耗非常高，一般只能堅持數(shù)小時，這一特點限制了它的推廣應用。 IrDA 用于網(wǎng)絡上的最大問題在于只能在 2 臺設備之間連接，并且存在有視距角度等問題。 在溫室環(huán)境遠程監(jiān)測或監(jiān)控系統(tǒng)中， GPRS 具有較大的應用優(yōu)勢。 技術指標 從技術層面上，該網(wǎng)絡應具有如下要求： (1)通信與組網(wǎng)：負責監(jiān)測環(huán)境信息的傳感器節(jié)點自組織搭建無線網(wǎng)絡，并向管理和 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 15 頁 基礎服務層提供服務支持； (2)通信頻段： ～ GHz； (3)采用通信協(xié)議標準： ZigBee/IEEE 協(xié)議標準； (4)節(jié)點可靠通信范圍： 50m～ 100m； (5)傳感器精度：溫度： 177。測量節(jié)點采集的數(shù)據(jù)沿 圖 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖 著其他測量節(jié)點通過多跳的方式進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個測量節(jié)點處理，信息經(jīng)由多跳路由后到達匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)直接上傳到計算機，所有數(shù)據(jù)都由計算機進行復雜的數(shù)字信號處理，并通過數(shù)據(jù)庫對傳感器網(wǎng)絡進行配置和溫室區(qū) 控制節(jié)點 測量節(jié)點 計算機 控制中心 匯聚節(jié)點 匯聚節(jié)點 Inter 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 管理，發(fā)布監(jiān)測任務和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息。這些傳感器通常為數(shù)字型，具有精度高、功耗低、可靠性高等特點。 圖 測量節(jié)點硬件結構框圖 控制節(jié)點的硬件設計 控制節(jié)點由驅(qū)動器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。 TinyOS 提供了 Main 配件，以及針對某些硬件的感知組件、執(zhí)行組件、通信組件和硬件抽象組件。 低功耗電源設計 為了保證當電池電壓降低時仍能為系統(tǒng)提 供能量，采用寬范圍輸入電壓的TPS61200 電源管理芯片，其輸入電壓可低至 ，從而能更合理有效地利用電池。無線通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽無線信道的使用情況，并檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己，而在睡眠狀態(tài)則關閉通信模塊；無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最大，休眠狀態(tài)的能量消耗最少。盡快進入休眠狀 態(tài)是網(wǎng)絡協(xié)議設計需要重點考慮的問題。其還有類似的如當節(jié)點不需要通信時就切斷電源或讓節(jié)點進入睡眠狀態(tài)等方法。 TinyOS 的移植 TinyOS 操作系統(tǒng)有很多版本，要移植的是 TinyOS 版本，采用的編譯器是 Keil。 LED CC2430 電 源 傳感器 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 圖 控制節(jié)點硬件結構框圖 匯聚節(jié)點的硬件設計 匯聚節(jié)點由微處理器模塊、無線通信模塊、存儲器模塊、以太網(wǎng)接口模塊、串行接口模塊和電源模塊組成。 在常用的傳感器中，典型代表有瑞士 SENSIRION 公司生產(chǎn)的、高度集成的溫濕度傳 感器 SHT1X和 SHT7X系列傳感器，提供全量程標定的數(shù)字量輸出，如 SHT10， SHT11，SHT71 等；光照 強 度傳感器有 TSL2550， TSL2560 等； CO2傳感器如 B530 等。 方案描述及工作流程 在溫室環(huán)境中，單個溫室可以作為無線傳感器網(wǎng)絡一個測量控制區(qū)，網(wǎng)絡中通過采用經(jīng)過多個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)信息的傳遞。%RH(20～ 80%RH)； (6)電源管理：傳感器節(jié)點使用 2 節(jié)干電池，至少能使用半年以上。苗連強等人和韓華峰等人開發(fā)了基于 ZigBee 協(xié)議的傳感器節(jié)點技術并組成現(xiàn)場監(jiān)控無線網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡匯聚節(jié)點與 GPRS 和 Inter 的無縫連接實現(xiàn)了溫室數(shù)據(jù)的遠程傳輸 [8, 9]。與 RFID 技術相比， “紅外編碼通信 ”技術具有以下優(yōu)點：抗噪聲能力強，發(fā)送、接收之間完全電氣隔離，信號傳輸過程不存在頻率資源分配及電磁兼容問題，紅外信號很難竊??；但同時也存在某些問題，譬如，有源供電模式影響應答器的使用壽命且會增加產(chǎn)品重量，另外紅外設備只能用于生產(chǎn)現(xiàn)場的信息傳輸，但不能滿足目前對產(chǎn)品生產(chǎn)、加工和銷售全程信息跟蹤，不具備后續(xù)過程的延續(xù)性。綜合考慮 WiFi 的優(yōu)劣性，認為其目前不適合在溫室中廣泛應用。 ZigBee 的響應速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需 15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需 30ms。 藍牙技術也同樣引起農(nóng)業(yè)領域的關注。此外傳感器與執(zhí)行機構數(shù)量多且分散，導致線纜縱橫交錯，作物變更時需重新布置，導致系統(tǒng)安裝與維護成 本增加。無線通技術按照不同的 要求可劃分為不同的類型。但限于當時的技術水平，嚴冬季節(jié)這種溫室內(nèi)的光、熱環(huán)境只能維持耐寒性強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。s overall design, detailed the hardware design of the system, the establishment of the work protocol and software implementation, through the actual running tests, the system is stable and reliable to work long hours, have a certain market value and good prospects for development. Finally, this paper makes prospects of domestic greenhouse development and application of wireless munication technology. Keywords: wireless munication technology, monitoring system for greenhouse, lowpower technology, wireless sensor, ZigBee work 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 III 頁 目 錄 1 緒論 ........................................................................................................................................ 5 課題目的及意義 .......................................................................................................... 5 我國溫室監(jiān)控系統(tǒng)研究狀況 ...................................................................................... 6 無線通信技術的發(fā)展狀況 .......................................................................................... 7 2 無線通信技術及其在我國現(xiàn)代溫室中的應用 .................................................................... 9 短距離傳輸技術 .......................................................................................................... 9 藍牙及其應用現(xiàn)狀 ............................................................................................ 9 ZigBee 及其應用現(xiàn)狀 ...................................................................................... 10 WiFi 及應用現(xiàn)狀 .........................................................................................