维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ７卷第４期 ２００７年ｌ ２月 天津工程师范学院学报 Ｖｏ１．１７ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２００７ ＪｏＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＩＡＮＪＩＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ ＡＮＤ ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ 基于无线传感器网络的智能温室系统设计 孙程光 （天津工程师范学院电子工程系，天津３００２２２） 摘要：结合目前兴起的无线传感器网络技术，应用ＰＴＲ８０００无线收发模块．配合ＶＢ和Ｈａｓｈ技术组成上位机系 统，建立了具有强大功能、高度智能化、人性化操作平台的智能温室环境监视和控制系统，文章对系统的硬件结构和软 件结构进行了设计。 关键词：无线传感器网络；ｔｒｉｅＲ８０００；环境监测 中图分类号：ＴＰ２７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１０１８（２００７）０４—００１９—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ＳＵＮ Ｃｈｅｎｇ—ｇｕａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｎｄ ａｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｈ ｓｔｒｔｏｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈｌｙ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｎｄ ａｈｕｍａｎｉｚｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｌａｔｆ０ｍ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．Ａ ｐｏｗｅｒｆｕｌ，ｈｉ曲ｌｙ ｉｎｔｅｌｉｆｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ＰＴＲ８０００ ｎｄ ａｗｉｈｔ ｈｅ ｔｈｅｌｐ ｏｆ ＶＢ ａｎｄ Ｆｌａｓｈ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｔｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ｄｉｓｉｇｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ＰＴＲ８０００；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ 随着社会对非本地产蔬菜水果、鲜花、热带苗木 等需求的不断增加以及设施种植业、养殖业的迅速发 １ 系统的硬件结构 １．１系统的总体框架结构 展，各种智能温室相继出现且数量不断增加。无线传 感器网络已广泛应用于军事、环境监测和预报、健康 护理、智能家居、大型车间和仓库管理，以及机场、大 型工业园区的安全监测等领域。随着研究的不断深 根据实际项目的需要，参照ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标 准【６】，设计了一种由节点、ＳＩＮＫ（汇聚）节点和上位 机组成的星型网络，系统总体结构框图如图１所示。 入，无线传感器网络将逐步进入到人类生活的各个领 域【Ｊ 】。在环境监测上，可以将传感器节点布置到各 种恶劣的环境中以收集环境信息。随着科技的进步， 其中，节点由传感器、ＭＣＵ、参数调节系统、无线模 块（ＰＴＲ８０００）组成，节点中传感器测量的各种数据 送到ＭＣＵ处理，由ＭＣＵ通过ＰＴＲ８０００模块将数据 发送到ＳＩＮＫ节点，ＳＩＮＫ节点对数据进行分析，将其 与预设数值进行比较，如检测数据不符合预设值范围 现代监测系统正朝着分布式、网络化、智能化的方向 发展，人们不仅要求监测系统要稳定可靠，功能齐 全，而且还要求能够结合无线通信的优势，实现无线 监控，１ｉｌ实时掌握系统的运作状态。为此，本文结合 具体智能温室项目，应用ＰＴＲ８０００无线电收发模 块，配合ＶＢ和Ｆｌａｓｈ技术，设计了一种基于无线传 感器网络的智能温室环境监测系统。 则将控制命令发回相应节点，节点启动参数调节系统 对相应的参数进行调节。此外，ＳＩＮＫ节点将数据通 过ＲＳ一４８５总线传给上位机，上位机对数据进行统 计、存储、管理，并通过ＶＢ与Ｆｌａｓｈ技术相结合的具 收稿日期：２００７—１０—３１ 作者简介：孙程光（１９８Ｏ一），男，助教，硕士，研究方向为信号与信息处理 维普资讯 http://www.cqvip.com ・２Ｏ・ 天 津 工 程 师 范 学 院 学 报 ２００７年１２月 有人性化界面的操作平台，将分析结果显示给技术人 员，使技术人员能及时地对现场各种环境参数进行有 效监控。 ＰＴＲ８０００＋ＭＣＵ 节点 ＳＩＮＫ节点 上位机 图１系统的总体结构框图 １．２低功耗节点设计 从芯片功耗和传输速率等方面考虑，节点无线模 块采用ＰＴＲ８０００，该模块是以挪威Ｎｏｒｄｉｃ公司推出 的ｎＲＦ９０５单片无线收发芯片为核心，配以滤波电 ２●０ 丹０ 丹３ 容、晶振、天线等外围电路制作而成，专为点对多点 通信设计。ｎＲＦ９０５是一款工作在４３３／８６８／９１５ ＭＨｚ 上的单片无线射频收发芯片 Ｊ，符合ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 定义的８６８／９１５ ＭＨｚ物理层标准。ｎＲＦ９０５的工作 电压范围为１．９－３．６ Ｖ，其电流消耗很低，发射电流 约为１１ ｍＡ（一１０ ｄＢｍ输出），接收电流约为１２．５ Ｎ Ｋ ｍＡ，待机电流约为２ Ａ。ｎＲＦ９０５有两种工作模式 、、●／和两种节电模式。两种工作模式分别是ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ ＴＸ接收模式和ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ ＴＸ发送模式；两种节电 模式分别是关机模式和空闲模式。在ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ ＴＸ 模式中，ＭＣＵ按时序把接收机的地址和要发送的数 据通过ＳＰＩ接口传送给ｎＲＦ９０５。首先ＭＣＵ置高 ＴＲＸ＿ＣＥ和ＴＸ＿ＥＮ来激活ｎＲＦ９０５发送；然后 ｎＲＦ９０５自动产生前导码和ＣＲＣ校验码，数据就绪输 出信号通知ＭＣＵ数据传输已经完成；最后设置 ＴＲＸ—ＣＥ为低，ｎＲＦ９０５结束数据传输并自动进入空 闲模式。当一个有效的数据包接收到后，ｎＲＦ９０５自 动移去前导码、地址和ＣＲＣ校验位，然后把数据准 备就绪引脚（ＤＲ）置高，通知ＭＣＵ数据传输已经完 成。ＭＣＵ以设定的速率通过ＳＰＩ接口读出有效数 据，并把ＴＲＸ—ＣＥ置低，ｎＲＦ９０５进入空闲模式。 根据节能的要求，节点ＭＣＵ选用ＴＩ公司的 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机【８’ ，ＭＳＰ４３０Ｆ１４９最显著的特 点就是它的超低功耗，在１．８～３．６ Ｖ电压、１ ＭＨｚ 的时钟条件下运行，耗电电流为０．１～４００ ｒｔＡ， ＲＡＭ在节电模式耗电为０．１ Ａ，等待模式下仅为 ０．７ ｒｔＡ。ＭＳＰ４３０Ｆ１４９采用１６位ＲＩＳＣ结构，其丰 富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度 （８ Ｍ晶体驱动，指令周期１２５ ａｓ）、大量的寄存器以 及片内数据存储器，使之具有强大的处理能力。另 外，ＭＳＰ４３０Ｆ１４９的运行环境温度范围为一４Ｏ～８５ ， 可以适应各种恶劣的环境。 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机与ＰＴＲ８０００模块连接框图 如图２所示。 模式控制 ＳＰ！接口 状态输出 ２丹丹 ● ＭＳＰ４３０Ｆ １３ ４ ５ ４９ ＰＴＲ８０００ 图２ ＭＣＵ与无线模块连接图 图中，Ｐ３．Ｏ～Ｐ３．３分别连接到ＰＴＲ８０００模块的 ＣＳＮ、ＳＣＫ、ＭＯＳＩ、ＭＩＳＯ脚，单片机通过ＳＰＩ总线接 收发送数据，以及对无线模块进行配置。ＰＷＲ＿ＵＰ、 帅 ＴＲＸ＿，∞ ＣＥ、ＴＸ ＿ＥＮ为模式控制端口，单片机通过 Ｐ２．Ｏ～Ｐ２．２脚对ＰＴＲ８０００的模式进行控制，使其工 、Ｊ 作在掉电、待机、发送、接收４种模式上。ＰＴＲ８０００ 的状态输出线ＣＤ、ＡＭ、ＤＲ分别接单片机的Ｐ２．３、 Ｐ２．４、Ｐ２．５脚，当无线模块接收或发送数据完毕将置 高ＤＲ端，由ＭＳＰ４３０Ｆ１４９通过中断服务程序对数据 进行处理存储。 １．３电源设计 系统供电电路主要由电源模块、电池及外围电路 构成，如图３所示。选用ＭＡＸ１６７８模块作为节点电 源模块，ＭＡＸ１６７８中有一内置电压比较器，当电池 电压低于设定的电压值时，模块通过ＰＦＯ引脚向单 片机发送报警信号，单片机可以通过将ＳＨＤＮ端口 置低来切断整个模块的供电电源。 １．４ ＳＩＮＫ节点与上位机连接 ＳＩＮＫ节点除了具有节点的功能外还要通过ＲＳ一 ４８５接口与上位机进行通信，实现网络实时监控，在 设计中选用低功耗的ＲＳ一４８５收发芯片ＭＡＸ１４８３， 同时ＳＩＮＫ节点要收集它所管辖的节点的数据信息， 要有较大的存储空间，设计中选用铁电ＦＭ３１２５６，存 储空间２５６ ｋｂ，可以满足大数据量要求。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ７卷 第４期 孙程光：基于无线传感器网络的智能温室系统设计 Ｌｌ ＶＣＣ 图３电源单元电路原理图 ２系统的软件结构 系统软件设计主要包括节点发送程序和参数调 节程序、ＳＩＮＫ节点接收程序及上位ＰＣ机程序。节 站ＩＤ号１ Ｂｙｔｅ；④命令号１ Ｂｙｔｅ；⑤传感器１：１ Ｂｉｔ；⑥传感器２：１ Ｂｉｔ；⑦数据ｎ Ｂｙｔｅ；⑧ｃＲｃ校验 １ Ｂｙｔｅ；⑨结束位０ＡＨ。 当节点接收到数据后，将把字头后的数据认为是 有效数据，单片机首先核对分站ＩＤ号，如ＩＤ号不是 点发送程序主要完成现场传感器芯片的数据采集和 数据发送；参数调节程序是针对采集的数据进行相应 的处理（比如加温、降温喷水）；上位机程序主要完 成对各分站数据的接收、处理和存储，实现数据的图 形化。 ２．１节点发送程序 节点发送程序流程如图４所示，上电后节点无线 模块处于接收状态，检测ＳＩＮＫ节点发来的指令，当 本机则丢弃所有数据，重新进入接收状态，这样可以 防止错误动作和恶意的破坏。反之，则继续对命令号 进行判断，以确定节点的动作。如ＳＩＮＫ节点要数据 则对传感器号进行判断，以确认所要的是该节点的哪 个传感器数据。对数据分析完毕后，节点将现场的数 据进行采集、打包，并发给ＳＩＮＫ节点，或启动参数 调节系统进行参数调节，然后重新进入接收状态。 ２．２ ＳＩＮＫ节点软件设计 ＳＩＮＫ节点无线发送和接收程序流程与节点类 收到正确的指令后开始对现场数据进行采集。 似，只是接收数据的格式不同。ＳＩＮＫ节点除接收节 点数据外还要对数据进行处理、转发给上位ＰＣ机和 向节点发送参数调节指令。ＳＩＮＫ节点主程序流程图 如图５所示。 图４节点发送程序主流程图 ＳＩＮＫ节点发送指令包括３２ Ｂｙｔｅ数据，长度不够 补０：①字头５５Ｈ，０ＡＡＨ；②数据长度１ Ｂｙｔｅ；③分 图５ ＳＩＮＫ节点主程序 维普资讯 http://www.cqvip.com
天 津 工 程 师 范 学 院 学 报 ２００７年１２月 从图５中可以看到，ＳＩＮＫ节点初始化后就开始 一个ＦＳＣｏｍｍａｎｄ事件。 向节点请求数据，当收到正确的数据后就对数据进行 处理。处理程序主要是把接收到的数据进行变换，变 换后的数据与预设数据进行比较，如结果超过预设范 围则通过返回参数调节命令进行现场参数的调节。 所有接受到的数据最终通过ＲＳ一４８５总线送给上位 ＰＣ机。ＳＩＮＫ节点无线通信数据主要包括以下内容： 通过ＶＢ与Ｆｌａｓｈ的４条交互通道，可以在两者 之间进行数据传递。由于上位机系统相对复杂，涉及 到动画制作的相关问题，不是本文的重点，这里不再 叙述。总之，通过两者的结合，可以把各温室的参数 状况（温度、湿度、光照）形象直观地反馈给技术人 员，通过对历史数据的读取，技术人员可以对温室长 期的运行状态进行分析、监控，以便达到科学种植的 目的。 ①字头５５Ｈ，０ＡＡＨ；②主站ＩＤ号００Ｈ；③分站ＩＤ号 １ Ｂｙｔｅ；④传感器１：１ Ｂｉｔ；⑤传感器２：１ Ｂｉｔ；⑥数 据４Ｂｙｔｅ；⑦ＣＲＣ校验１ Ｂｙｔｅ；⑧结束位０ＡＨ。 其功能同节点协议相似，这里不再叙述。 ２．３系统的节能 ３结束语 本系统已应用于智能温室系统，实际应用表明， 节点的ＰＴＲ８０００模块并不是一直在工作，所有 节点每待机１ Ｓ，用１５ ｍｓ的时间来检测是否有ＳＩＮＫ 节点的查询访问，若无，则再次进入待机状态，等待 下一次的唤醒；若有，则检查命令和地址是否属于自 己，若不是，则进入待机状态等待下一次唤醒 若是 则进入工作状态，等待数据的传送。当数据传送完毕 后，再次进入待机状态，等待下一次唤醒。 ２．４上位机软件设计 该系统数据传输安全可靠，成本低。将该系统进行简 单修改，便可用于各类无线通信系统，如环境检测、 城市交通监测等，有着广泛的应用前景。 参考文献： ［１］任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络［Ｊ］．软件学 报，２００３，１４（７）：１ ２８２—１ ２９１． 上位机软件是用ＶＢ内嵌Ｆｌａｓｈ动画编制而成 的，具有强大的功能和人性化的交互界面。安装 ＳｈｏｃｋｗａｖｅＦｌａｓｈ插件后就可以在网页中播放Ｆｌａｓｈ ［２］颜振亚，郑宝玉．无线传感器网络［Ｊ］．计算机工程与 应用，２００５，（１５）：２０—２３． ［３］ＡＫＹＩＬＤＩＺ Ｉ Ｆ，ＰＯＭＰＩＬＩ Ｄ，ＭＥＬＯＤＩＡ Ｔ．Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ［Ｊ ｊ． Ｅｌｓｅｖｉｅｒ ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄＨｏｃＮｅｔｗｏｒｋｓ，２００５，３（３）：２５７ —格式动画，这种插件的工作方式是通过在网页中使用 ＳｈｏｃｋｗａｖｅｌａｓＦｈ控件完成的。这是Ｍａｃｒｏｍｅｄｉａ公司 提供的一个ＡｃｔｉｖｅＸ控件，因此ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ脚本或支 持ＡｃｔｉｖｅＸ的编程语言（如ＶＢ）都可以通过 ２７９． 【４］ＰＡＲＫ Ｄ Ｇ，ＫＡＮＧ Ｓ Ｗ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｕｓａｂｌｅ ａｎｄ ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｗｅａｒａｂｌｅ ｍｅｄｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ［ｃ］，，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ ２６ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ．Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，ＣＡ，ＵＳＡ． ＮＪ：ＩＥＥＥＰｒｅｓｓ，２００４：５ ３８０—５ ３８３． ＳｈｏｃｋｗａｖｅＦｌａｓｈ控件与Ｆｌａｓｈ动画进行交互控制。 有了ＳｈｏｃｋｗａｖｅＦｌａｓｈ控件，ＶＢ的应用程序可以由４ 条通道与Ｆｌａｓｈ动画进行交互控制和集成开发，如图 ６所示。 ［５］ＣＨＡＮＧ Ｃ—Ｋ，ＨＵＡＮＧ Ｊ．Ｖｉｄｅｏ ｓｕｒｖｅｉｌｌｎｃｅ ａｆｏｒ ｈａｚａｒ． ｄｏｕｓ ｃｏｎｄｉｉｔｏｎｓ ｕｓｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ［ｃ］，／Ｐｒｏｅｅｅ— ｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔａｉｐｅｉ，Ｔａｉｗａｎ．ＮＪ： ＩＥＥＥ ｒｅｓｓ，２００４：１ ００８—１Ｐ ０１３． ［６］郑图６ ＶＢ与Ｆｌａｓｈ交互的４条通道 霖，曾志民，万济萍，等．基于ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准 的无线传感器网络［Ｊ］．传感器技术，２００５，２４（７）： ８６—８８． 在ＶＢ中要灵活运用Ｆｌａｓｈ动画，利用Ｆｌａｓｈ中 的ＦＳＣｏｍｍａｎｄ命令就能使Ｆｌａｓｈ与ＶＢ进行参数传 递，从而实现Ｆｌａｓｈ对ＶＢ的命令发送，达到相互控 制的目的。ＶＢ中接收命令是通过执行动画对象的 ＦＳＣｏｍｍａｎｄ事件过程来实现的。只要Ｆｌａｓｈ动画发 出ＦＳＣｏｍｍａｎｄ动作，就触发ＳｈｏｃｋｗａｖｅｌａｓＦｈ控件的 ［７］蒋博．ｎＲｂｇ０５的无线数据传输系统［Ｊ］．工业仪表 与自动化装置，２００６，（３）：５９—６１． ［８］陈利虎，叶湘滨．基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４的无线传感器网络 节点的设计［Ｊ］．传感器世界，２００４，（１０）：２８—３０． ［９］胡大可．ＭＳＰ４３０系列单片机ｃ语言程序设计与开发 ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版杜，２００３．
