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摘要：针对传统温室环境监测采用有线通信方式的不足，提出了1种基于无线通信技术的智能温室环境监测系统的架构及应用实施方案。该系统以射频芯片SI4432为基础构成短距离无线通信模块，模块通过配置相应的传感器对温室环境中的空气与土壤温湿度等信息进行采集，并将采集信息通过由SIM900A构建的GSM模块传送至远程监控中心。结果表明，该系统具有操作简单、部署灵活等特点，系统传输数据的正确率在95.0%以上。
关键词：温室；监控；GSM网络；无线传感器网络；通信；平台
中图分类号：TP274+.2；S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0426-03
智能温室是设施农业的一个重要领域，它是指配置有计算机控制的遮阳系统、温控系统、湿度控制系统、二氧化碳控制系统等构成的自动化设施。通常，1个智能温室控制系统由基于传感器的感知系统、控制中心、控制系统、信息传输网络构成。其中，信息传输网络关系到感知数据的自动化监测和自动传输的正确性和有效性，是智能温室设计中须要重点关注的一个环节。
根据信息传输介质的不同，信息传输网络可分为有线通信方式、无线通信方式2种。有线通信通常采用RS485总线通信方式[1]、CAN总线通信方式[2]等，尽管该方式具有价格便宜、可靠性好等优点，但也有明显的不足，如须要在监控现场布线，布线结束后监控设备基本上不能再调整位置。而现代化温室的整体结构越来越复杂，且常须要根据市场情况不断调整所种植的植物种类，因此须要经常调整监控设备的位置和种类，使有线方式不能很好地适应这种变化。与有线通信方式相比，无线通信方式则具有部署方便、维护成本较低、可以根据需要增加或减少测量节等优点，因此目前在智能温室设计中正逐步取代有线通信方式。
无线通信方式可分为短距离无线通信、长距离无线通信。短距离无线通信通常是指在较小的区域内（数百米）通过无线电波传输技术提供无线通信的技术。当前，典型的用于智能温室的无线通信方式有蓝牙（Bluetooth）[3]、ZigBee技术[4]、射频识别（RFID）技术[5]。长距离无线通信方式是指超过1 200 m的无线通信方式，例如数传电台、全球移动通信系统（GSM）[6]等。GSM网络具有覆盖区域广、受环境影响小等特点，可用于分布式远程数据采集和监控，被广泛应用于各种监控系统。无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是一种全新的信息获取和处理技术，基于WSN构建的监控系统具有部署方便、成本低廉等优点，并可有效实现环境信息的采集和传输，为温室环境监控提供了一种新颖的、低成本的解决方案[7]。本研究综合长距离无线通信方式和短距离无线通信方式的优点，研发了一种基于无线通信方式的智能温室环境监控系统。该系统结合嵌入式技术和无线通信技术，实现对温室作物生长环境（如空气与土壤温湿度）的监控。在该系统中，每个监测节点配置有短距离通信模块，节点间通过自组织方式形成无线传感器网络，将温室内的环境数据传送至每个温室的汇聚节点；通过GSM网络，由汇聚节点将监测信息送至远端的监测控制中心。
1 系统整体结构
该系统主要由无线传感器节点、汇聚节点、远程控制中心构成，系统整体结构如图1所示。
在该系统中，传感器节点都配置有短距离无线通信模块SI4432，节点可通过自组织方式形成层次型的无线传感网络。每个温室形成1个以汇聚节点为根节点的树状子网，信息在网络中传输时采用“多跳”方式实现。每个温室有1个汇聚节点，汇聚节点上除配置有无线通信模块外，还配置了GSM通信模块，用于实现基于GSM网络的远程监控。
2 传感器节点硬件设计
传感器节点主要由微处理器模块、短距离无线通信模块、传感器模块、电源模块4部分构成。首先，通过节点配置的传感器监测温室内部的环境因子，经过处理后传送至微处理器，微处理器对该信息进行处理后通过无线通信模块传给汇聚节点。传感器节点的硬件结构如图2所示。
（1）微处理器模块。微处理器模块主要功能是对数据进行处理后传送。选用的微处理器是TI公司生产的16位的MSP430f149[8]，工作电压为1.8～3.6 V，休眠情况下的电流为0.8 μA，2个16位的定时器，集成12位的A/D转换，通用的全双工异步串行口，60 kB的片内FLASH和2 kB RAM，具有速度快、功耗低、抗干扰能力强的优点，适用于开发和设计单片系统。
（2）无线通信模块。无线通信模块的主要功能是将节点信息通过无线方式传送出去。选用的是美国SiliconLaboratories公司生产的SI4432芯片[9]，该芯片是一款CMOS的ISM无线射频收发器，频段240～930 MHz连续可调，工作电压为1.8～3.6 V，接收模式的电流为18.5 mA，提供SPI接口与微处理器相连。节点设计上，考虑到433 MHz具有较好的穿越障碍的能力，配置SI4432工作在433 MHz。
无线通信模块可工作在4种状态：发送、接收、空闲、休眠。由于空闲状态与收发数据时的能耗较高，所以设计中根据监测需求设置无线通信模块处于休眠状态以降低电源消耗。
（3）传感器模块。传感器模块的功能是对温室内部的关键环境因子（空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳、光照度）进行检测。
设计中空气温湿度采用的是瑞士Sensirion公司生产的SHT75，供电电压为2.4～5.5 V，提供I2C总线与微处理器交换数据。与微处理器的接线方式如图3所示。
土壤温度传感器采用的是DS18B20，工作电压为3.0～5.5 V，采用一线总线与微处理器交换数据。
土壤湿度传感器选用的是L2610281，工作电压为（12.0±2.4 ）V，输出信号为0～5 V的模拟量。二氧化碳传感器选用MG811，工作电压（6.0±0.1） V，输出信号为30～50 mV的模拟量。光照度传感器选用TSL2561，工作电压2.7～3.5 V，输出信号是数字量，可通过I2C总线与微处理器交换数据。
（4）电源模块。考虑到部分节点的供电电压需要12 V，设计中采用市电与普通干电池联合供电的方式。
3 汇聚节点硬件设计
汇聚节点不仅需要收集处理探测节点的数据，而且需要向远端处理中心传送数据，因此，与传感器节点相比，汇聚节点需要更强的处理能力和运行速度，设计中采用了具有丰富片上资源的三星公司开发的基于ARM9的嵌入式芯片S3C2440。S3C2440芯片配置有LCD控制器、3通道UART、2通道SPI、1通道I2C，工作频率可达400 MHz，在休眠模式可工作，是一款高性能、体积小、低功耗的微处理器芯片。汇聚节点的硬件结构如图4所示。〗
设计中，采用4.3寸的LCD触摸屏实现人机交互控制，采用USB卡存储历史数据等信息。远程通信使用的GSM模块采用的是英国SIMCOM公司的SIM900A，工作电压为 3.2～4.8 V，支持频段900/1 800 MHz，可采用单电源供电。具有较高的集成度且使用简单，只需要添加电源、SIM和通信接口等外围接口电路，即可实现远程无线通信功能。通过向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息提供了快速、可靠的传输。SIM900A可通过芯片自带的串行口与S3C2440进行信息交换。短距离无线通信使用的射频通信模块是SI4432。鉴于汇聚节点的硬件有LCD触摸屏、GSM模块等功耗较高的模块，因此采用“市电-蓄电池”联合供电模块供电。市电通过充放电控制电路与12V/38AH蓄电池相连。当有市电时，通过市电对汇聚节点供电；当无市电时，可通过蓄电池经电源控制电路向汇聚节点供电。
4 系统软件设计
4.1 传感器节点软件设计
传感器节点上的软件采用C语言编程实现。主要包括主程序、数据采集子程序、收发子程序等。系统上电后，首先进行系统初始化，完成对无线通信模块的设置，系统内部时钟设置；然后开始对环境参数进行监测。为了提高节点能量的使用效率，传感器节点的工作模式为：休眠、唤醒、正常工作3种状态。在休眠状态下，MSP430f149进入低功耗状态，射频模块处于低电流的接收状态。在节点内部设置定时器，当定时时间到后，节点被唤醒，开始监测发送数据，并将邻居节点传送过来的数据进行转发。当工作时间结束后，节点转为休眠状态（图5）。
4.2 汇聚节点软件设计
系统软件采用Linux作为操作系统。汇聚节点的软件结构分为驱动层和应用层（图6）。系统上电后，首先进行系统初始化；然后调用驱动层程序读取传感器数据，对接收到的传感器节点的数据进行分析，并根据设置执行继电器开合、报警、显示等工作。
4.3 通信协议设计
根据温室内部结构，系统采用了树形拓扑结构。构建数据汇集树的步骤如下：系统上电后首先由汇聚节点发送广播帧，广播帧中包含到汇聚节点的跳数信息（初始值为0）和节点当前剩余能量。当传感器节点接收到该帧后，提取跳数信息，如果比记录的跳数信息大1，则修改跳数字段和剩余能量字段向外转发。如果收到的广播帧跳数字段与自己记录的跳数字段相同，则不进行转发。当网络运行一段时间后，每个节点都可得到自己距离汇聚节点的跳数。然后，根据邻居节点的剩余能量及跳数，选择一个邻居节点作为自己的下一跳节点。此外，将形成一个以汇聚节点为根节点的数据收集树。最后，每个节点根据树的高度和自己连接的邻居节点数设置定时时间，按定时时间进行休眠、唤醒、工作状态的转换。
5 测试结果
根据文中的设计，在中国南部省份的1个温室大棚中进行了测试。10个节点（含汇聚节点）部署在1个24 m×60 m的温室大棚中。设置节点每1 h采集1次数据。报警温度下
限设置为10 ℃，相对湿度报警下限设置为50%，测试时间10 d。信息包在测试时间期中总的数据包传输率如表1所示。从表中可知，节点的数据包传输成功率在95%以上，能保证监测数据的准确性。用户接收到的短信报警信息如图7所示。
6 结论
本研究针对温室环境监控的需要，设计了一种基于无线通信方式的温室环境信息实时监控系统。该系统通过采用短距离无线通信芯片SI4432和远程无线通信芯片SIM900A构建的无线传感器网络不仅有效克服了传统有线通信方式部署不灵活的缺点，而且具有低成本、低功耗、系统结构灵活、扩展性好等优点，将为温室环境监控系统的选择提供参考。
参考文献：
[1]]杨 靖，白保良，李泽滔. 温室环境监控系统的设计——基于RS-485总线和无线通信方式[J]. 农机化研究，2013，35（10）：166-170.
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[5]张瑞瑞，陈立平，郭建华，等. 农田土壤监测无线传感器网络通信平台[J]. 农业工程学报，2008，24（S2）：81-84.
[6]魏丽静，杨景发，赵双双，等. 温室环境信息智能无线监控系统的设计[J]. 农机化研究，2013，35（11）：159-163.
[7]李 莉，李海霞，刘 卉. 基于无线传感器网络的温室环境监测系统[J]. 农业机械学报，2009，40（z1）：228-231.