【導(dǎo)讀】無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在我國(guó)現(xiàn)代溫室中。院（系）名稱(chēng)信息工程學(xué)院。專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)電子信息工程。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第I頁(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的基于有線(xiàn)通信系統(tǒng)的溫度、濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要花費(fèi)大。量的人力物力鋪設(shè)線(xiàn)路，施工量大，安裝時(shí)間長(zhǎng)，因此基于無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)。測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行。目前各種通信技術(shù)在溫室中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與局限性進(jìn)行分析比較。的硬件設(shè)計(jì)和低功耗設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了TinyOS操作系統(tǒng)的移植和節(jié)點(diǎn)的軟件。再次，本文詳細(xì)分析了一種基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)講述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的建立及軟件的實(shí)。現(xiàn)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定可靠，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值和很好

　　

【正文】 51 MCU、 8KB RAM 等，其增強(qiáng)的 8051 MCU 核的性能是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051 核性能的 8 倍 。 電源模塊 考慮到應(yīng)用中傳感器節(jié)點(diǎn)的隨意擺放，不能選用固定電源供電。因此，電源系統(tǒng)采用外接 2 節(jié)干電池供電，為 保證兩個(gè)電源之間相互沒(méi)有干擾，傳感器節(jié)點(diǎn)在電池輸入的前端增加 一個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān)，在 使用外部供電的時(shí)候關(guān)閉電池開(kāi)關(guān) [30]。此外，電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)的電壓轉(zhuǎn)換是必不可少的， 而且電壓轉(zhuǎn)換模塊無(wú)時(shí)無(wú)刻不在工作。 為了使DC/DC 轉(zhuǎn)換器上消耗的能量盡可能小，并且能保證電池電壓降到相當(dāng)?shù)偷某潭葧r(shí)系統(tǒng)仍然可以繼續(xù)工作，應(yīng)選擇一款超低功耗、超低電壓輸入的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 [31]。 T1 公司生產(chǎn)的 TPS61200 型號(hào)在輸入電壓范圍以及功耗上都很符合要求，其主要性能指標(biāo)如下：轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 90%；自動(dòng)切換升壓 /降壓模式；器件靜態(tài)電流小于 55μA；電壓輸入范圍為 ；電壓輸出范圍為 V，可調(diào)；輸出短路保護(hù)；過(guò)熱保護(hù)；具有省電模式。 測(cè)量節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊（即射頻收發(fā)模塊）和電源模塊組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示（以 CC2430 為例），其中， LED 燈用于顯示傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。 圖 測(cè)量節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖 控制節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 控制節(jié)點(diǎn)由驅(qū)動(dòng)器模塊、微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊組成。驅(qū)動(dòng)器模塊能對(duì)調(diào)溫、調(diào)濕等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)控制，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 LED CC2430 電 源 傳感器 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 圖 控制節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖 匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 匯聚節(jié)點(diǎn)由微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、存儲(chǔ)器模塊、以太網(wǎng)接口模塊、串行接口模塊和電源模塊組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 圖 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖 (1)存儲(chǔ)器模塊 可 由 1 片 Atmel 公司出品的 AT45DB04 組成，直接接入 CC2430 SPI輸入端。該芯片集成 2046 頁(yè) 264 B Flash 存儲(chǔ)單元，用 于存儲(chǔ)傳感器重要?dú)v史數(shù)據(jù)。 (2)為提供以太網(wǎng)的接入通道，在該設(shè)計(jì)中，使用 DM9161 作為以太網(wǎng)的物理層接口。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(diǎn)輕松連接到因特網(wǎng)，以便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 (3)串行接口模塊由 1 片低功耗 MAX3232 和 COM 母口組成。 CC2430 串口端接入MAX3232 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，通過(guò) COM 口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。 (4)由于匯聚節(jié)點(diǎn)需要融合處理所有采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)， 且需要將數(shù)據(jù) 經(jīng)過(guò)較遠(yuǎn)的距離傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，因而能量消耗較大，因此其電源采用從市電轉(zhuǎn)換后介入的方式供電。 LED CC2430 電 源 驅(qū)動(dòng)器 電 源 CC2430 LED 存儲(chǔ)器 COM 接口 以太網(wǎng) 接口 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) (5)LED 燈用于顯示匯聚節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài) [29]。 TinyOS 操作系統(tǒng)的移植 嵌入式操作系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，確保程序運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，便于程序的維護(hù)和更新，但是由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)小型嵌入式系統(tǒng)，其硬件資源非常有限，需要高效利用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，并且最大限度地減少系統(tǒng)能耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命，因此傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)不能滿(mǎn)足其要求?；诖?，本文移植了針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)而 開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng) TinyOS。 TinyOS 簡(jiǎn)介 TinyOS 是加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的一種典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，通過(guò)nesC 語(yǔ)言可以開(kāi)發(fā)基于 TinyOS 的應(yīng)用程序。 TinyOS 設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是代碼量小、耗能低、并發(fā)性高、魯棒性好，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用，采用輕量級(jí)線(xiàn)程技術(shù)，事件驅(qū)動(dòng)模式，組件化編程等，從而使其成為面向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)。 TinyOS 提供了 Main 配件，以及針對(duì)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。在這些組件的基礎(chǔ)上，用戶(hù)可定制開(kāi)發(fā)應(yīng)用組件，然后將所有組件連 接起來(lái)，就構(gòu)成了整個(gè)應(yīng)用程序 [29]。 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。TinyOS 必須在 Linux 平臺(tái)下才能工作，而 Keil 則是一個(gè) Windows 下的軟件，因此，要安裝一個(gè)在 Windows 平臺(tái)上運(yùn)行的模擬 linux 開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟件 ——Cygwin。下面具體介紹移植步驟 [29]： (1)安裝 SmartRF04 Flash Programmer、 Keil、 Java JDK、 Cygwin 軟件； (2)下載 TinyOS 開(kāi)發(fā)必備的編譯工具的安裝包； (3)啟動(dòng) Cygwin，并在 Cygwin 下安裝下載好的編譯工具安裝包； (4)安裝 TinyOS 。 將下載好的 TinyOS 的安裝包解壓縮，將解壓好的 文件夾拷貝到 Cygwinopt 目錄下，此時(shí)已經(jīng)搭建好了 TinyOS 的開(kāi)發(fā)環(huán)境。所有的例子都在。以 BlinkNoTimerTask 為例，在 Cygwin 下面 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 輸入： cd/diku/mon/apps/BlinkNoTimerTask，然后回車(chē)輸入： make cc2430em，如果順利的話(huà)， TinyOS 將被編譯生成 文件，只要把這個(gè)文件燒錄進(jìn)單片機(jī)就可以了。 (5)燒錄 插好仿真器，打開(kāi) SmartRF04 Flash Programmer 軟件，在 SystemonChip 選項(xiàng)卡下選擇 文件，然后選擇 “Perform actions”就可以順序燒寫(xiě)了，燒寫(xiě)成功后， TinyOS就成功移植到 CC2430 上了。 節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì) 在低功耗設(shè)計(jì)上，陳德海等人為了提高溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān) 測(cè)效果，采用射頻 SoC 芯片 nRF9E數(shù)字溫濕度傳感器 SHT11 及光強(qiáng)度傳感器 TSL2560D，設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)溫濕度及光照度監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)量節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，其低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸模式降低了節(jié)點(diǎn)的能耗。經(jīng)調(diào)試和試驗(yàn)運(yùn)行，系統(tǒng)具有可靠性高、使用方便、通信節(jié)點(diǎn)容量易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)較大空間的溫濕度及光照度的監(jiān)控具有良好的應(yīng)用價(jià)值 [31]。李銀華等人針對(duì)現(xiàn)有溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器位置放置不靈活、走線(xiàn)多、監(jiān)測(cè)效率低等問(wèn)題，采用 ZigBee 技術(shù)，利用 Mesh 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和 的射頻收發(fā)無(wú)線(xiàn)模塊，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的多溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)。給出了單個(gè)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的軟硬件方案，并對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功耗進(jìn)行了探討，實(shí)現(xiàn)了傳感器的靈活布置，提高了溫室微環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展，具有廣泛的應(yīng)用前景 [34]。 由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多、分布廣泛，而且需要長(zhǎng)期工作在無(wú)人值守的狀態(tài)，因此，對(duì)其頻繁更換電池是不現(xiàn)實(shí)的。為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定工作時(shí)間，必須盡量降低節(jié)點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的電池壽命。 低功耗電源設(shè)計(jì) 為了保證當(dāng)電池電壓降低時(shí)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。通常有的節(jié)點(diǎn)提供電池狀態(tài)檢測(cè)功能，但本文的節(jié)點(diǎn)在工作時(shí)通過(guò)多跳通信將數(shù)據(jù)傳至終端，節(jié)點(diǎn)不需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，故不需要額外的電池狀態(tài)檢測(cè)電路，這可以進(jìn)一步降低能耗 。其還有類(lèi)似的如當(dāng)節(jié)點(diǎn)不需要通信時(shí)就切斷電源或讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)等方法。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 23 頁(yè) 無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)低能耗解決方案 無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)低能耗解決方案主要有以下幾種方式： (1)無(wú)線(xiàn)通信能耗控制方面：采用低功耗協(xié)議 EmMAC 協(xié)議、節(jié)能路由算法，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)減 少通信流量，包括本地計(jì)算、數(shù)據(jù)融合和減少碰撞等策略來(lái)節(jié)能。 (2)采用短距離多跳數(shù)傳輸：由于無(wú)線(xiàn)信號(hào)在空氣中的傳播是與通信距離呈指數(shù)關(guān)系衰減的，所以，節(jié)點(diǎn)的通信距離直接影響了無(wú)線(xiàn)通信模塊的發(fā)射功率，進(jìn)而引出功耗的問(wèn)題，因此，節(jié)點(diǎn)間通信距離也是限制無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室應(yīng)用中發(fā)展的重要原因。 (3)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)待機(jī)模式：待機(jī)模式可以將系統(tǒng)平均電流消耗降到很小，在沒(méi)有數(shù)據(jù)收/發(fā)時(shí)，可以保證快速進(jìn)入 ShockBurstRX 和 ShockBurstTX 模式。在待機(jī)模式下，晶振正常工作，并且配置字的內(nèi)容保持不變。 (4)調(diào)節(jié) 輸出功率：無(wú)線(xiàn)微控制器芯片（ CC2430）的功率放大器可以通過(guò)寄存器配置成四種不同的輸出功率，因此，通過(guò)降低輸出功率，可以降低總的發(fā)送功率。 (5)低功耗接收模式：因測(cè)量節(jié)點(diǎn)采用短距離多跳數(shù)傳輸，故 CC2430 靈敏度不需要很高，為了使電池的使用壽命最大， CC2430 提供一種低功耗模式。在這種模式下，接收電流從 降低到 ，靈敏度也降低到 85dBm177。10dB。 通信模塊的低功耗設(shè)計(jì) 在基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，射頻部分占用了功率消耗的絕大部分，因此，對(duì)射頻模塊的能耗管 理就顯得尤為重要 [37]。系統(tǒng)主要采取以下措施來(lái)減少通信模塊的能量消耗。 (1)通信流量的減少 通過(guò)減少通信模塊發(fā)送和接收的比特?cái)?shù)來(lái)降低通信模塊的能耗 [37]。 減少通信流量的方法有以下幾種： ① 本地計(jì)算和數(shù)據(jù)融合，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的原始數(shù)據(jù)和路由節(jié)點(diǎn)匯集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以有效減少通信量； ② 減少?zèng)_突，如果兩幀同時(shí)發(fā)送，會(huì)相互重疊，導(dǎo)致接收到的信號(hào)難以辨認(rèn)，需要重傳才能把信息正確發(fā)送到目的地，而沖突引起的重傳會(huì)造成很大的能量浪費(fèi)，減少?zèng)_突可以有效節(jié)約能量；③ 增加錯(cuò)誤檢測(cè)和校正機(jī)制，增加錯(cuò)誤檢測(cè)可以盡早發(fā)現(xiàn) 錯(cuò)誤，錯(cuò)誤檢測(cè)和校正機(jī)制可以在給定誤碼率的條件下有效減少數(shù)據(jù)包的重傳，從而降低能耗； ④ 減少控制包的開(kāi)銷(xiāo) 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 24 頁(yè) 和包頭長(zhǎng)度，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要控制包和包頭來(lái)維護(hù)其正常運(yùn)行，但控制包和包頭并不是用戶(hù)所需的數(shù)據(jù)，應(yīng)盡量減少控制包的數(shù)量，減小包頭長(zhǎng)度，從而降低能耗。 (2)休眠時(shí)間的增加 無(wú)線(xiàn)通信模塊有發(fā)送、接收、空閑和休眠四種狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽(tīng)無(wú)線(xiàn)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(guān)閉通信模塊；無(wú)線(xiàn)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。在不需要通信時(shí)。盡快進(jìn)入休眠狀 態(tài)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)的主要功能就是接收 PC 機(jī)采集數(shù)據(jù)的指令、采集數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道發(fā)送出去。匯聚節(jié)點(diǎn)的功能就是創(chuàng)建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬性，接收傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)串口上傳到計(jì)算機(jī) [31]。傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖 所示，匯聚節(jié)點(diǎn)程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖 所示。 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨著規(guī)?；?jīng)營(yíng)的出現(xiàn)，可能會(huì)建有很多個(gè)溫室，根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)，在每個(gè)溫室中都建有一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于溫室中的環(huán)境都比較相似，因而，每個(gè)溫室中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能和技術(shù)也都是一樣的。如果所有溫室都通過(guò)控制中心的計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)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(xué)，控制更加簡(jiǎn)單，從而達(dá)到提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的最終目的。而本文介紹的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有功耗低、體積小、工作可靠、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，該溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)方案將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè) 圖 測(cè)量節(jié)點(diǎn)程序結(jié)構(gòu)流程圖 圖 匯聚節(jié)點(diǎn)程序結(jié)構(gòu)流程圖 系統(tǒng)上電 系統(tǒng)初始化 加入網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)上電 系統(tǒng)初始化 檢測(cè)有無(wú)節(jié)點(diǎn)與之通信？ 接收數(shù)據(jù)？ 采集數(shù)據(jù)？ 發(fā)送數(shù)據(jù)？ 其他中斷？ 中斷處理 查詢(xún)鄰居節(jié) 點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù) 啟動(dòng)傳感器 采集數(shù)據(jù) 建立連接 接收數(shù)據(jù) 休眠 發(fā)送連接請(qǐng) 求建立網(wǎng)絡(luò) PC 請(qǐng)求采集數(shù)據(jù)？ 接收采集數(shù)據(jù)？ 有傳感節(jié)點(diǎn)加入？ 有傳感節(jié) 點(diǎn)退出？ 其他中斷？ 發(fā)出采集數(shù)據(jù)命令 接收數(shù)據(jù)并