【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 me problems existing in cable work and manualmeasurement，realizes work information automatic management，and improve the level offacility agricultural production．Firstly,according to the design requirements of hardware and software system，thisdissertation discusses the research scheme of greenhouses monitoring system based onwireless sensor work．On this basis，the research focuses on the hardware design of thenode system which takes temperature and humidity sensor,AVR ATmega l 28 L and CC2400 asthe ponents，and the transplantation of TinyOS operating systemin order to obtain the realtime data by wireless sensor work，a method basedon middleware is introduced for monitoring software of wireless sensor work in LabVIEW．The software reads XM L socket to obtain wireless sensor work data that through standardgeneral interface provided by middleware．Consequently,the system visual management canbe convenient realizedKeywords：Wireless sensor works；Greenhouse ；Temperature and Humidity；Date fusion；LabVIEW11 緒論 課題的背景、目的與意義我國(guó)是世界上設(shè)施栽培面積最大的國(guó)家，而且近幾年國(guó)產(chǎn)連棟溫室每年以新增100～150公頃的面積快速發(fā)展。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 [1]。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)。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 [2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的綜合。把無線傳感器剛絡(luò)技術(shù)引入到溫室大棚生產(chǎn)中來，農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心，依賴于孤立的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式 [3]。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、大幅度提高單位面積的勞動(dòng)生產(chǎn)率和資源產(chǎn)出率、改善溫室等設(shè)施內(nèi)工作環(huán)境和工作條件、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 [4]。本課題基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究溫室環(huán)境中溫濕度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)奠定良好基礎(chǔ)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是將無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因其具有隨機(jī)布設(shè)、自組織、環(huán)境適應(yīng)等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于布線、電源供給困難的區(qū)域、人員不易到達(dá)的區(qū)域，已廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境科學(xué)、交通管理、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。從2022年起，國(guó)際上開始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果的報(bào)道，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域方面有了較深入的研究。2022年，在美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持下，制定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃，在加州大學(xué)洛杉磯分校成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心，展開“嵌入式智能傳感器”的研究項(xiàng)目與此同時(shí)加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)開始了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究 [5]。斯坦福大學(xué)提出了在傳感器網(wǎng)絡(luò)中事件跟蹤和傳感器資源管理的對(duì)偶空問2方法以及由無線網(wǎng)連接傳感器和控制器構(gòu)成的閉壞控制系統(tǒng)的框架；麻省理工學(xué)院丌始研究超低能源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題，試圖解決超低能源無線傳感器系統(tǒng)的方法學(xué)和技術(shù)問題。美國(guó)國(guó)防部及各軍事部門都對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高度重視，將其視為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，并設(shè)立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目。美國(guó)Intel公司、Microsoft公司等信息業(yè)巨頭也丌始了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作。在Intel資助下，康奈爾大學(xué)啟動(dòng)了COUGAR項(xiàng)目，提出“網(wǎng)絡(luò)就是數(shù)據(jù)庫(kù)”，著力于把分布式查詢技術(shù)應(yīng)用于感知數(shù)據(jù)查詢。，短距離、低功耗、低成本的遠(yuǎn)程監(jiān)控、傳感及控制的無線標(biāo)準(zhǔn)，提供了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用支持服務(wù)，極大地促進(jìn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展。 [6]2022～2022年，喬治工學(xué)院在NSF資助下，進(jìn)行了SensoNet項(xiàng)目，研究適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議、MAC協(xié)議、時(shí)問同步、拓?fù)淇刂坪蜁r(shí)空相關(guān)分析等。日本、德國(guó)、英國(guó)、意大利等科技發(fā)達(dá)國(guó)家同樣對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，近年來也紛紛展丌了相關(guān)領(lǐng)域的研究工作?？藸査构臼菑氖聼o線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)化中最著名的公司，主要針對(duì)航空電子、交通運(yùn)輸、無人探測(cè)、環(huán)境監(jiān)控、測(cè)控測(cè)量等具體應(yīng)用定制相應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用方案，截止2022年，該公司已經(jīng)生產(chǎn)了MicaMicaz、IMote2等一系列典型的商業(yè)化傳感器節(jié)點(diǎn)國(guó)內(nèi)有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也很快跟進(jìn)，清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)研究所、沈陽自動(dòng)化所等單位從2022年起開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究。從2022年起，國(guó)家自然科學(xué)基會(huì)設(shè)立了20個(gè)與傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)的研究項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目，并帶來了傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的熱潮。2022年底，國(guó)家發(fā)改委開始關(guān)注傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，并從2022年開始將傳感器網(wǎng)絡(luò)納入下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)與應(yīng)用示范項(xiàng)目中，一方面推進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的技術(shù)發(fā)展，另一方面直接支持傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)融合的路由等相關(guān)技術(shù)，有包括中科院計(jì)算所在內(nèi)的數(shù)家單位獲得了本項(xiàng)目的支持。 [5]2022年初，國(guó)務(wù)院發(fā)布“國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃糾要”，將傳感器網(wǎng)絡(luò)及其智能信息處理技術(shù)作為信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中的優(yōu)先發(fā)展課題之一。截止2022年，中科院上海微系統(tǒng)己經(jīng)通過系統(tǒng)繼承的方式完成了終端節(jié)點(diǎn)和基站的開發(fā)，研制成功各種適合不同使用環(huán)境的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)心；中科院沈陽自動(dòng)化所提出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)體系，并開發(fā)出工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA系列產(chǎn)品；浙江大學(xué)現(xiàn)代控制工程研究研究所成立了“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)室”，聯(lián)合相關(guān)單位專門從事面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)調(diào)控制理論方面的研究拓引。在市場(chǎng)上推廣應(yīng)用比較多的是ZigBee模塊，北京Heli公司、深圳金圖旭昂公司、成都無線龍公司和中科院計(jì)算所寧波分所都有相關(guān)產(chǎn)品，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究推廣做出一定的貢獻(xiàn)。但整體從研究的深度和投入的力量來說，國(guó)內(nèi)的水平相對(duì)落后，從問題的點(diǎn)上研究較多，缺少對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)較少，這和我國(guó)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的市場(chǎng)需求不相稱，因此有很多工作要做 [7]。3 溫室測(cè)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀世界上溫室生產(chǎn)最發(fā)達(dá)的國(guó)家是荷蘭，其溫室以大型玻璃溫室為主體，現(xiàn)有大型連 m 2，約占世界玻璃溫室的1／4，居世界之首。此外，其他國(guó)家也廣泛地把現(xiàn)代化溫室技術(shù)運(yùn)用到作物的種植中。英國(guó)的智能溫室系統(tǒng)、西班牙和奧地利的遙控溫室系統(tǒng)都是計(jì)算機(jī)控制與管理在溫室中的成功應(yīng)用。美國(guó)開發(fā)的計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)可以根據(jù)溫室作物的特點(diǎn)和要求，對(duì)溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控，還可利用差溫管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉、果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進(jìn)行控制，以滿足生產(chǎn)和市場(chǎng)的需要。目前，美國(guó)已將全球定位系統(tǒng)、電腦和遙感遙測(cè)等高新技術(shù)應(yīng)用于溫室生產(chǎn)。溫室環(huán)境測(cè)控技術(shù)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家如荷蘭、美國(guó)、以色列等已相當(dāng)先進(jìn)，能夠達(dá)到對(duì)多因素綜合控制的水平，但其價(jià)格昂貴，維護(hù)不方便，以荷蘭為代表的歐美國(guó)家溫室測(cè)控系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)化、無線化方向發(fā)展。2022年英特爾公司率先在俄勒岡州建立了第一個(gè)無線葡萄園，用于測(cè)量葡萄園中環(huán)境的細(xì)微變化。傳感器節(jié)點(diǎn)被分布在葡萄園的每個(gè)角落，每隔一分鐘檢測(cè)一次土壤溫度、濕度或該區(qū)域的有害物的數(shù)量以確保葡萄可以健康生長(zhǎng)，進(jìn)而獲得大豐收。國(guó)內(nèi)有關(guān)溫室環(huán)境監(jiān)控方面的研究起步較晚。溫室環(huán)境測(cè)控設(shè)備大都是隨著大型現(xiàn)代化溫室一同引進(jìn)的，由于規(guī)模大，能耗大，造價(jià)高，己被實(shí)踐證明不適宜于我國(guó)的國(guó)情，更談不上經(jīng)濟(jì)效益。隨后出現(xiàn)了一些團(tuán)外的仿造產(chǎn)品，造價(jià)仍較高，且處于實(shí)驗(yàn)階段，故推廣使用價(jià)值不大。近幾年來，我國(guó)在溫室結(jié)構(gòu)和溫室控制兩方面開展了不少研究?！熬盼濉薄ⅰ笆濉奔啊?63”計(jì)劃都對(duì)此給予了很大資助 [8]。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功型實(shí)驗(yàn)溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)；吉林工業(yè)大學(xué)研制成功用于溫室的智能噴水控制器，能夠根據(jù)溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照度來自動(dòng)調(diào)節(jié)噴水量：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制成功新型智能溫室，由大棚本體、通風(fēng)降溫系統(tǒng)、太陽能貯存系統(tǒng)、燃油熱風(fēng)加熱系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)等組成。還有許多高等院校和科研院所都在進(jìn)行溫室控制系統(tǒng)的相關(guān)研究，并且許多單位都己建超或?qū)⒁ㄆ饻厥冶O(jiān)控系統(tǒng)的總體框架。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，人們也開展了溫室無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究。例如：北京市科委計(jì)劃項(xiàng)目“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示范應(yīng)用于溫室農(nóng)作物生產(chǎn)中；2022年10月，上海市計(jì)算機(jī)研究所研發(fā)三部已將自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自組織樹型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用到了上海奉賢花卉大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，大大提高了工作效率。 本課題研究主要內(nèi)容及論文組織結(jié)構(gòu)4在深入了解國(guó)內(nèi)外溫室監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)代無線技術(shù)的發(fā)展，介紹了一種新型的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。該系統(tǒng)采用多個(gè)集溫度、濕度傳感器于一體的傳感器模塊，分散的采集溫室中的環(huán)境參數(shù)，建立多跳自組網(wǎng)，并利用ZigBee無線通訊技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到終端監(jiān)控中心。監(jiān)控終端負(fù)責(zé)環(huán)境信息的圖形化顯示、實(shí)時(shí)查詢、統(tǒng)計(jì)分析和超限報(bào)警等。該系統(tǒng)避免了溫室中布線的繁瑣，同時(shí)該系統(tǒng)有體積小，可重復(fù)利用，便于安放等優(yōu)點(diǎn)。 本文主要研究?jī)?nèi)容1)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件和軟件系統(tǒng)的研究傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最基本單元。目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的是Crossbow公司推出的Micaz系列節(jié)點(diǎn)，但其存在價(jià)格昂貴、接口特殊，必須依賴其特殊程序下載硬件的缺點(diǎn)。針對(duì)此類問題，論文第三章詳細(xì)研究了傳感器節(jié)點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)硬件電路，并在Micaz節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加了JTAG口、ISP口和串口，能夠節(jié)省大量費(fèi)用，方便無線傳感器網(wǎng)絡(luò)愛好者自行研制節(jié)點(diǎn)。2)終端監(jiān)控管理軟件的設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析與管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的分析與管理需要一個(gè)后臺(tái)系統(tǒng)的支持。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更類似一個(gè)工具，像計(jì)算機(jī)一樣，很多行業(yè)的人都需要這種技術(shù)來進(jìn)行他們的各自研究和部署，這就導(dǎo)致需求是各式各樣的。能夠定制的人機(jī)交互圖形化用戶界面會(huì)很方便大家的使用，例如：做建筑監(jiān)測(cè)的就需要GUI在采集到數(shù)據(jù)后還能夠方便的進(jìn)行信號(hào)處理、頻潛轉(zhuǎn)換了和小波變換等；做白控的就需要類似集散控制系統(tǒng)的，不但有數(shù)據(jù)采集，還可以看出節(jié)點(diǎn)分布等等 [9]。目前，此類工具中最具代表性的是Crossbow公司的MoteView，但其最大缺點(diǎn)就是擴(kuò)展性差。本文第五章介紹了一利一采用LabVIEW工具實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自定義管理軟件的設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)終端的可視化界面顯示，方便用戶的管理。 本論文的組織結(jié)構(gòu)第1章緒論，對(duì)課題的研究背景、意義以及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行論述；第2章，闡述了整個(gè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，分析了溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)；第3章，詳細(xì)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件系統(tǒng)，介紹了傳感器節(jié)點(diǎn)的主要元器件及擴(kuò)展接口；第4章，詳細(xì)介紹了開發(fā)客戶端數(shù)據(jù)管理與分析軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，最后進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試；第5章，總結(jié)了本論文完成的重要工作及對(duì)進(jìn)一步研究的展望。52 溫室溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有很多，本章就以溫室環(huán)境應(yīng)用為例，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，可以解決目前遠(yuǎn)程監(jiān)控中存在的成本、數(shù)量、通信方面存在的諸多問題，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)指標(biāo) 系統(tǒng)功能特點(diǎn)溫室大棚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用的目的是實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境溫濕度信息采集自動(dòng)部署、自組織傳輸和智能控制。根據(jù)溫室生產(chǎn)的特點(diǎn)，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，從用戶角度考慮，系統(tǒng)需要具有如下功能：1)需要滿