王福禄，房俊龙，张喜海

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

无线传感器网络（Wireless sensor network，WSN）是由部署在监测区域内的大量的带有传感器的无线节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。其作用是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观测者。

目前，温室生产中广泛存在数量大、分布广的电子检测装置和执行机构，由此造成温室内线缆纵横交错，而且，当作物更替时，相应装置和机构位置常常需要调整，连接各个装置与机构的线缆有时也需要重新布置。这不仅增加了温室的投资成本和安装维护的难度，有时也影响作物生长。为了科学、合理地实现温室环境参数的自动检测，本研究将一种新型低成本、短距离的无线网络传输技术引入到温室监测系统中，建立温室无线传感器网络监测系统。该监测系统由监控中心、网络协调器和若干终端传感器节点组成，可以实现对温室各参数快速、准确的监测。该系统对提高温室监测系统的可维护性、温室的空间利用率和单位面积产出率具有重要的应用价值。

1 zigbee技术

ZigBee技术是一种近年来才兴起的短距离无线网络通信技术，它具有以下的特点:

①设备省电，ZigBee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间；

②通信可靠，ZigBee采用了CSma-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；maC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；

③网络的自组织、自愈能力强，ZigBee的自组织功能，无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；ZigBee自愈功能:增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作；

④成本低廉、设备的复杂程度低，且ZigBee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本，ZigBee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4 GHz，就是没有使用费的无线通信；

⑤网络容量大，一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个ZigBee网络；

⑥数据安全，ZigBee提供了数据完整性和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性[1]。

2 系统总体方案

整个网络由监控中心和ZigBee网络组成。具体见图1所示。这是一个层次型网络结构，最底部为传感器终端节点，向上依次是ZigBee主节点（协调器）和监控中心。监控中心为一台计算机，用来显示环境监测的数据，对网络发送命令。ZigBee网络负责环境数据的采集，它由ZigBee主节点和ZigBee终端节点组成。在每个网络中必须要有一个ZigBee协调器，负责发起网络并对其管理和维护，包括对新加入的设备分配网络地址，节点的加入和离开，网络的安全密钥的分发更新等。为避免节点加入任意组网，造成网络节点的功耗分布不均，本应用中，网络内部分为若干个小的星形网络，每个星形网络定义为一个组。星形网络的中心节点通过将终端设备上传的信息整合处理，再将数据发送给ZigBee主节点。ZigBee网络与监控中心连接的方式有两种，通常可将协调器与监控中心通过串口直接连接。当不便于监控中心长期在现场使用时，可使用GPRS将数据发送至连接有GPRS接收装置的监控中心。

监控中心需监控传感器节点的工作状态及健康情况，显示所有数据的源地址、传感器采集的数据及数据的变化趋势，并据此调整节点的工作任务。节点的健康状况包括剩余能量、传感器、通信部件的工作情况等。通过监控传感器状态，可及时调整传感器节点的工作周期，重新分配任务，从而避免节点过早失效延长整个网络的生命期。目前主要通过节点的工作电压判断节点的剩余能量信息。若电压值过低，该节点读取传感器数据的可靠性也降低，因此需延长电压过低节点的休眠时间并减少采样频率。

图1 温室环境监测网络结构Fig.1 Structure of the environment monitoring network

3 硬件设计

3.1 终端节点模块

终端设备节点应具有小尺寸、低功耗、适用性强的特点，主要完成对环境的温湿度、光强度等参数的采集、处理和发送。无线传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，节点的硬件结构图见图2。处理器模块和无线通信模块采用CC2430芯片，电源部分采用太阳能充电电池模块，传感器模块采用温湿度传感器、光敏电阻。其中光敏电阻输出模拟信号，经过MCU12位ADC变换后输入到MCU，温湿度传感器采集的数字信号输出通过I/O口输入到MCU，再将信号经过扩频O-QPSK调制到载波后通过发射器从天线发送给主节点[2]。

CC2430是TI公司推出的2.4GHz IEEE802.15.4/zigbeeTM的片上系统解决方案。CC2430芯片集成了ZigBee射频前端、内存和微控制器。它包含一个8位的8051MCU，拥有32/64/128 k的可编程Flash和8 k的RAM，还包含ADC、定时器、AES-128安全协同处理器、看门狗定时器、上电复位电路、掉电检测电路、32 kHz晶体休眠模式定时器和21个可编程I/O引脚，P0、P1口是完全的8位口、P2口只有5个可用的位，通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节可使这些引脚作为通用的I/O口或作为连接ADC、计时器或UART部件的外围I/O口使用[3]。

3.2 主节点模块

主节点硬件设计电路框图见图3。

微处理器为Cygnal公司推出的C8051F系列单片机。其中C8051F31X系列是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核，它在单片机内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件。这些外设或功能部件包括:ADC、可编程增益放大器、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定时器、PCA、内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等。这些外设部件的高集成度为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了很大的方便，同时也可以使整体系统成本大大降低[4]。

图2 终端节点硬件设计Fig.2 Hardware design diagram of the Terminal node

图3 主节点硬件设计Fig.3 Hardware design diagram of themaster node

由于协调器一直处于接收/发送状态，因此它采用外部电源供电。硬件设计上增加了LCD显示屏和JTAG接口，可方便数据的查看和与电脑通信。另外增加的Internet网络接口，便于远程监控。

4 软件设计

协调器发起网络后，传感器节点加入网络并绑定协调器。通过按键选择要加入的组。默认情况设定温湿度、亮度为每30 s采集并发送一次，电池电压为每60 s采集发送一次。数据最终都发送到协调器，再由协调器上传至监控中心。监控中心也可以对网络的监控情况发送命令，终端设备在每次休眠状态醒来之后，都会向上查询是否有消息或命令，若有，立刻执行。例如监控中心发出停止采集温度数据命令，所有终端设备在醒来之后都会收到协调器转发的命令，之后就停止温度数据的采集。

对于终端设备，硬件系统加电后，执行主调度函数，主调度函数首先复位所有组件，启动系统状态检测函数并调入初始化模块对MCU、外围设备等进行初始化，之后进入任务循环。任务包括硬件接口、网络层、应用接入服务、用户自定义任务等。其中用户自定义任务流程（见图4）[5]。

没事件发生时，系统处于睡眠状态，当有事件产生时，系统处于工作状态，并对响应事件进行处理，处理后，系统将继续睡眠。例如定时器事件是为了让系统定时对环境进行传感器采样而定义的。系统在接收到定时事件时，会检测目前的定时器事件状态字，如果定时器时间已到，定时器事件控制状态字置位。若没有置位立刻回到睡眠状态。采集的数据种类可控制状态字定义，目前定义的有:温度、湿度、光强度和电池电压。

终端设备也会收到主节点发过来的消息（通常为控制命令），例如开始/停止采集数据、设定采集时间等。

按键事件主要是对节点网络以及功能进行配置，如加入网络、地址绑定、选择采集的数据、以及选择加密功能等。

图4 用户任务流程Fig.4 Flow of user′s task

5 试验验证

在温室中，应用无线传感器节点获取作物的环境信息时，终端节点的能耗，以及是否有可靠的能量补充，关系到温室无线传感器的生命周期的长短。

为了验证设备的实用性，本试验采用了两个阶段的实验方法。通过实验，验证了在所有激活状态下的电源管理（包括采集、处理、发送和接收），并且测试了在关键网络下的软件设计的应用。

第一阶段的实验是实验室环境中完成的。实验中使用了两个终端传感器节点，与两个对应的网络路由器通信，并通过协调器构建一个小型的ZigBee网络（使用RS232连接到笔记本电脑）。

第二阶段的实验是在东北农业大学设施园艺中心的日光温室的实际生产环境中进行的。在该实验中，应用一个无线传感器节点采集温室空气和土壤的温度、相对湿度和太阳辐射度等数据。为了测试设备节点发现和加入ZigBee网络的功能的实现，在传感器节点和协调器（位于控制室）之间使用了两个路由器（实际为两个运行路由程序的终端传感器节点设备）。

第一阶段的实验主要验证软件的设计方案，包括描述状态机和低占空比的电源管理平台模型。例如，电池充电运行初始化后，上电运行的情况。各种状态的运行和处理，通常需要大量电能，在此阶段要进行量化和测量，尤其是网络运行时，发现和加入传感器节点的过程。实验装置在第一阶段的运行是在特殊的条件下建立的，它验证了基于ZigBee的系统运行时，节点从周围环境获取充电电池电能的重要参数。为了获取准确且有代表性的电源电压和电流消耗波形，这种验证试验必须在实验室中完成。为了实现现场的高效运行，本实验选用了多种低功耗的模拟量传感器:3个温度传感器用于测量2路空气温度和1路土壤温度（LM60B美国国家半导体公司）；1个相对湿度传感器（高分子电容式传感器）；两个太阳辐射传感器（TSL251和TSL230德州仪器）。

图5 路由节点电源电流消耗Fig.5 Power supply current consumption of the end device as a router

图5为路由节点的电源电流消耗图，从图中可以看到，路由器加入的过程（最初的2s），在这个过程中，传感器节点按预期运行，路由设备从终端传感器将数据路由到协调器，反之亦然。可以看出，在电源管理系统运行的任何阶段，电流的消耗都在50ma左右，这需要从周围环境中补充能量。

图6显示了位于温室中的终端传感器设备的电池电压波形图。电池由低功率的太阳能电池板供电，同时该电池板也用来测量太阳光照度。这一测量图显示了模拟量脉冲值，即只显示电池的相关用途。在这6 d测试窗口里，电池一直保持在充电模式直到电压达到将近4.2 V，这时候，软件程序使电池保持在提供涓流充电机制的动态条件下。考虑到生产实际需要以及传感器的应用范围，数据以60秒的时间间隔被协调器接收。如图所示的电压波形图已经在中低等太阳辐射值（小于100 w·m2）下得到验证，此时，电池只由太阳能充电。从图中可以看出，即使在每60 s的数据传输时，电池电压也均保持在3.9 V以上。

图6 6天测试中终端设备电池电压Fig.6 Battery voltage waveform of the end device during a 6-day evaluation

本研究分别在实验室环境和设施园艺中心温室的现场环境进行了试验，通过实验室电源和功耗的检测以及育苗温室的现场运行，验证了激活状态下电源的管理，实现了温度、湿度及光强度的实时采集与显示，即实现了基于ZigBee协议的信息无线采集。通过现场运行，电源供应持续稳定，终端节点运行可靠。

6 结 语

本文通过两个阶段的试验，显示了基于ZigBee的无线传感器网络的可行性。同时为了实现育苗温室现场环境的可靠精确运行，电源管理是该问题的关键所在。传感器网络节点可以通过太阳能充电电池，从环境中补充电能。本设计中，通过节点的软件设计正确的实现了这些问题，并且对特殊情况下软件方案的正确性进行了测试。实现了一种基于ZigBee的无线传感器网络的温室环境监测系统，该系统能够高效地采集温室环境参数，包括温度、湿度、光强度，并且具有功耗低，可靠性高，电源供应稳定的特点。由于本研究重点在于提高网络的可靠性，今后还要进一步完善路由协议，提高无线传感器网络的实时性和稳定性。

[1]ZigBee specification[EB/OL].(2006-06-05).http://www.zigbee.org.html.

[2]孙利民.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]A true system-on-chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4[EB/OL].（2007-06-05）.http∶//focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc 2430.html.

[4]DN102-SoC temperature sensor[EB/OL].[2007-10-05].http://www.ti.com.Z-Stack API_F8W.

[5]韩华峰,杜克明,孙忠富,等.基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J].农业工程学报,2009,25(7):158-163.