【文章內(nèi)容簡介】 k 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 system in order to obtain the real time 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 realized Keywords： Wireless sensor works； Greenhouse； Temperature and Humidity； Date fusion；LabVIEW 1 1 緒論 課題的背景、目的與意義 我國是世界上設(shè)施栽培面積最大的國家，而且近幾年國產(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 要目標和方向 [1]。 然而，目前的溫室測控系統(tǒng)大多采用有線布網(wǎng)、人工測量，導(dǎo)致現(xiàn)場安裝困難，工作效率偏低，測量精度差，這不僅大大增加了電氣工程施工費用，也導(dǎo)致施肥等工作困難；此外，系統(tǒng)中的每個監(jiān)控點沒有自組織功能和自愈能力，維護工作量大，也不利于系統(tǒng)升級。因此，為了實現(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)、嵌入式計算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個學科的綜合。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]。從而實現(xiàn)溫室信息采集自動部署、自組織傳輸和智能控制、大幅度 提高單位面積的勞動生產(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，對實 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)測系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，為實現(xiàn)溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)奠定良好基礎(chǔ)。 國內(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)的智能自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因其具有隨機布設(shè)、自組織、環(huán)境適應(yīng)等特點，非常適合應(yīng)用于布線、電源供給困難的區(qū)域、人員不易到達的區(qū)域，已廣泛應(yīng)用于國防軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境科學、交通管理、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。 從 2021年起，國際上開始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果的報道，美國等發(fā)達國家在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域方面有了較深入的研究。 2021年，在美國自然科學基金委員會的支持下，制定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計劃， 在加州大學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 ”的研究項目與此同時加州大學伯克利分校、麻省理工學院、康奈爾大學、斯坦福大學等研究機構(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 器資源管理的對偶空問方法以及由無 2 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)的方法學和技術(shù)問題。 美國國防部及各軍事部門都對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高度重視，將其視為一個重要的研究領(lǐng)域，并設(shè)立 了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。美國 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，康奈爾大學啟動了 COUGAR項目，提出“網(wǎng)絡(luò)就是數(shù)據(jù)庫”，著力于把分布式查詢技術(shù)應(yīng)用于感知數(shù)據(jù)查詢。 2021年 12月 ZigBee聯(lián)盟制定出了 ，該標準是基于 、低功耗、低成本的遠程監(jiān)控、傳感及控制的無線標準，提供了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用支持服務(wù)，極大地促進了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展。 [6]2021～ 2021年，喬治工 學院在 NSF資助下，進行了 SensoNet項目，研究適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議、 MAC協(xié)議、時問同步、拓撲控制和時空相關(guān)分析等。日本、德國、英國、意大利等科技發(fā)達國家同樣對無線傳感器網(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。克爾斯 公司是從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)化中最著名的公司，主要針對航空電子、交通運輸、無人探測、環(huán)境監(jiān)控、測控測量等具體應(yīng)用定制相應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和應(yīng)用方案，截止 2021年，該公司已經(jīng)生產(chǎn)了Mica Micaz、 IMote2等一系列典型的商業(yè)化傳感器節(jié)點 國內(nèi)有關(guān)無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也很快跟進，清華大學、西北工業(yè)大學、國防科技大學、中科院上海微系統(tǒng)研究所、沈陽自動化所等單位從 2021年起開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究。從 2021年起，國家自然科學基會設(shè)立了 20個與傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)的研究項目和重點項目，并帶來了傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的熱潮。 2021年底，國家發(fā)改委 開 始關(guān)注傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，并從 2021年 開 始將傳感器網(wǎng)絡(luò)納入下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)試驗與應(yīng)用示范項目中，一方面推進傳感器網(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 算所在內(nèi)的數(shù)家單位獲得了本項目的支持。 [5]2021年初，國務(wù)院發(fā)布“國家中長期科學和技術(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 2021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；中科院沈陽自動化所提出具有自主知識產(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)控制實驗室”，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算所寧波分所都有相關(guān)產(chǎn)品，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究推廣做出一定的貢獻。但整體從研究的深度和投入的力量來說，國內(nèi)的水平相對落后，從問題的點上研究較多，缺少對整個系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究，具有自主知識產(chǎn)權(quán)較少，這和我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的市場需求不相稱， 因此有很多工作要做 [7]。 3 溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 世界上溫室生產(chǎn)最發(fā)達的國家是荷蘭， 其溫室以大型玻璃溫室為主體，現(xiàn)有大型連棟玻璃溫室面積 m2，約占世界玻璃溫室的 1／ 4，居世界之首。此外，其他國家也廣泛地把現(xiàn)代化溫室技術(shù)運用到作物的種植中。英國的智能溫室系統(tǒng)、西班牙和奧地利的遙控溫室系統(tǒng)都是計算機控制與管理在溫室中的成功應(yīng)用。美國 開 發(fā)的計算機控制與管理系統(tǒng)可以根據(jù)溫室作物的特點和要求，對溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進行自動調(diào)控，還可利用差溫管理技術(shù)實現(xiàn)對花卉、果蔬等產(chǎn)品的 開 花和成熟期進行控制，以滿足生產(chǎn)和市場的需要。目前，美國已將全球定位系統(tǒng)、電腦和遙感遙測等高新技術(shù)應(yīng)用于 溫室生產(chǎn)。 溫室環(huán)境 測 控技術(shù)在許多發(fā)達國家如荷蘭、美國、以色列等已相當先進，能夠達到對多因素綜合控制的水平，但其價格昂貴，維護不方便，以荷蘭為代表的歐美國家溫室 測控系統(tǒng)開 始向網(wǎng)絡(luò)化、無線化方向發(fā)展。 2021年英特爾公司率先在俄勒岡州建立了第一個無線葡萄園，用于測量葡萄園中環(huán)境的細微變化。傳感器節(jié)點被分布在葡萄園的每個角落，每隔一分鐘檢測一次土壤溫度、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，進而獲得大豐收。 國內(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)境測控設(shè)備大都是隨著大型現(xiàn)代化溫室一同引進的， 由于規(guī)模大，能耗大，造價高，己被實踐證明不適宜于我國的國情，更談不上經(jīng)濟效益。隨后出現(xiàn)了一些團外的仿造產(chǎn)品，造價仍較高，且處于實驗階段 ，故推廣使用價值不大。近幾年來，我國在溫室結(jié)構(gòu)和溫室控制兩方面開 展了不少研究?！熬盼濉?、“十五”及“ 863”計劃都對此給予了很大資助 [8]。北京農(nóng)業(yè)大學研制成功 型實驗溫室環(huán)境監(jiān)控計算機管理系統(tǒng) ；吉林工業(yè)大學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調(diào)節(jié)噴水量：中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院研制成功新型智能溫室，由大棚本體、通風降溫系統(tǒng)、太陽能貯存系統(tǒng) 、燃油熱風加熱系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)和計算機環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)等組成。還有許多高等院校和科研院所都在進行溫室控制系統(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)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究。例如：北京市科委計劃項目“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； 2021年 10月，上海市計算機研究所研發(fā)三部已將自主知識產(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) 在深入了解國內(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 4 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) 控終端負責環(huán)境信息的圖形化顯示、實時查詢、統(tǒng)計分析和超限報警等。該系統(tǒng)避免了 溫室中布線的繁瑣，同時該系統(tǒng)有體積小，可重復(fù)利用，便于安放等優(yōu)點。 本文主要研究內(nèi)容 1)傳感器節(jié)點硬件和軟件系統(tǒng)的研究 傳感器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的最基本單元。目前市場上應(yīng)用最廣泛的是 Crossbow公司推出的 Micaz系列節(jié)點，但其存在價格昂貴、接口特殊，必須依賴其特殊程序下載硬件的缺點。 針對此類問題，論文第三章詳細研究了傳感器節(jié)點的組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計了節(jié)點硬件電路，并在 Micaz節(jié)點的基礎(chǔ)上，增加了 JTAG口、 ISP口和串口，能夠節(jié)省大量費用，方便無線傳感器網(wǎng)絡(luò)愛好者自行研制節(jié)點。 2)終端監(jiān)控管理軟件的設(shè)計 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)用中的一個重點和難點，網(wǎng)絡(luò)的分析與 管理需要一個后臺系統(tǒng)的支持。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更類似一個工具，像計算 機一樣，很多行業(yè)的人都需要這種技術(shù)來進行他們的各自研究和部署，這就導(dǎo)致需求是 各式各樣的。能夠定制的人機交互圖形化用戶界面會很 方便大家的使用，例如：做建筑監(jiān)測的就需要 GUI在采集到數(shù)據(jù)后還能夠方便的進行信號處理、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，但其最大缺點就是 擴展性差。本文第五章介紹了一利一采用 LabVIEW工具實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自定義管理 軟件的設(shè)計方法，從而實現(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，對課題的研究背景、意義以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進行論述； 第 2章，闡述了整個系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，分析了溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的特點，提出了系統(tǒng)設(shè)計的總體方案及相關(guān)技術(shù)指標； 第 3章，詳細介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件和軟件系統(tǒng)，介紹了傳感器節(jié)點的主要元器件及擴展接口； 第 4章，詳細介紹了 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)，最后進行了相關(guān)的實驗測試； 第 5章 ，總結(jié)了本論文完成的重要工作及對進一步研究的展望。 5 2 溫室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案 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)測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，可以解決目前遠程