无线通信技术在我国现代温室中的应用综述

传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）2011年第30卷第12期

无线通信技术在我国现代温室中的应用综述*

周素茵，章云，曾斌

（浙江农林大学信息工程学院，浙江临安311300）

摘要：详细阐述了国内现代温室中用到的几种无线通信技术、温室环境无线监测系统中最基本的组成

单元无线传感器节点的硬件设计和低功耗设计，综述了4种无线通信技术在中国现代温室中的应用，分析

了应用过程中存在的问题，对国内温室的发展与无线通信技术的应用做了展望，最后对无线通信技术在温

室中的应用做了简要的总结。

关键词：无线通信技术；现代温室；综述

中图分类号：S625；TP273文献标识码：A文章编号：1000—9787（2011）12—0014—04 Review on the application of wireless communication technology in modern greenhouse in China*

ZHOU Su-yin，ZHANG Yun，ZENG Bin

（School of Information Engineering，Zhejiang A＆F University，Lin’an311300，China）

Abstract：Several wireless communication technologies used in domestic modern greenhouse and the hardware＆

low power consumption design of wireless sensor node as basic unit of the wireless monitoring system for greenhouse environment are elaborated in detail．The application of four wireless communication technologies in modern greenhouse in China is reviewed．The existing problems in application are analyzed．The development of domestic greenhouse and the application of wireless communication technology in greenhouse are forecasted．The application of wireless communication technology in greenhouse is summarized briefly．

Key words：wireless communication technology；modern greenhouse；review

0引言

我国的现代温室出现于19世纪70年代晚期，在1978 1994年间，21．12hm2的大规模现代化温室成功引入我国［1］。现代温室的主要特征是在温室环境的监测与控制系统的设计上引入了计算机技术、电子技术、有线和无线通信技术等。因有线系统存在设备安装困难、维护不便、扩展不灵活、线缆易受腐蚀、故障排查难等问题［2 5］，且随着温室规模的日益扩大和温室环境监测数据传输距离的增加，这些问题愈加明显。为了克服有线控制的这些缺点，近几年来，无线通信技术在温室中的应用得到了人们极大的关注。现有资料表明，2003年，国内最早将无线通信技术应用于温室环境的监测和控制系统［6］，此后的几年内相关的研究都基本上处于探索阶段，且大多数局限于短距离的通信［7 10］。近三年来，多种形式的无线通信技术在温室中的应用迅速发展，使得温室环境参数的远程监测和控制成为可能［11 14］。

1无线通信技术及其在我国现代温室中的应用

1．1无线通信技术

根据通信距离，无线通信技术分为短距离无线通信技术和长距离无线通信技术［15］。

短距离无线通信技术有蓝牙（Bluetooth），Zig Bee，射频识别（radio frequency identification，RFID）等。长距离无线通信技术有通用分组无线业务（general packet radio system，GPRS），全球移动通信系统（global system for mobile commu-nications，GSM），第三代（third generation，3G）移动通信等。根据国内现代温室中无线通信技术的应用情况，此处重点介绍蓝牙，Zig Bee，GPRS和GSM的一些特点。

蓝牙技术于1998年由爱立信、IBM、诺基亚、英特尔等公司共同推出，主要用于通信和信息设备的无线连接［16］。工作频率为2．4GHz，一般有效通信范围为10m，采用跳频

收稿日期：2011—10—13

*基金项目：浙江省青年教师资助计划资助项目（2351000426）；浙江农林大学校级面上项目基金资助项目（2009FK15）；浙江省科技厅科技计划资助项目（2011C22022）；浙江省自然科学基金资助项目（Y1090603）

41

第12期周素茵，等：无线通信技术在我国现代温室中的应用综述

扩频技术、时分复用多路访问技术和3种方式的差错控制技术。基于蓝牙技术的设备有主设备和从设备之分。主设备负责设定跳频序列，

从设备必须与主设备保持同步。在组网方式上，通过主设备与从设备可以形成一点到多点的连接，即在主设备周围组成一个微网（Piconet ），网内任何从设备均可与主设备通信，但任何时刻一个主设备同时最多只能与网内的7个从设备进行通信。

Zig Bee 是一种近几年才兴起的短距离无线网络通信技术，其具有如下特点

［17 20］

：1）低成本，工作在免使用费的

频段2．4GHz ，

芯片价格约1美元；2）低数据速率，仅为250kbps ；3）网络容量大，一个Zig Bee 网络可以容纳最多254个节点，且一个区域内可以同时存在200多个Zig Bee 网络，从而满足了如温室中越来越多的传感器和执行器的应用需求；4）功耗低，传输电流最低可达30mA 以下，采用休眠模式；5）通信可靠，

采用了碰撞避免机制，同时为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；6）网络的自组织、自愈能力强；7）数据安全，Zig Bee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，

采用了AES —128加密算法，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

GSM 是当前应用十分广泛的移动电话标准。其系统包括GSM 900MHz ，

GSM 1800MHz 及GSM 1900MHz 等几个频段。GSM 无线移动网络覆盖范围广，技术成熟，保密性好，

数据传输不受距离的限制。短消息业务（short message service ，SMS ）是GSM 网络的基本业务，利用无线控制信道进行传输，性能稳定

［21］

。

GPRS 是在GSM 网络上开通的一种新的分组数据传输技术，

特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输

［22］

。

1．2国内现代温室监测系统的主要架构方案

根据温室规模的大小和信息是否需要远程传输，国内

现代温室监测系统的架构方案主要可分为2种，分别如图1和图2所示。

监控中心

微处理器模块(主机)

射频收发模块

无线通信

射频收发模块

微处理器

模块(从机)

执行机构

传感器模块图1

温室监测系统主要架构方案一

Fig 1

Main framework scheme I of monitoring system

for greenhouse

图1代表的通常是小规模且不需要数据远程传输的现代温室监测系统的主要架构方案，

其虚线框内的模块组合为一个无线传感器节点，负责温室环境参数的采集、处理和无线发送。图中主机可外接显示电路、键盘和存储器等，监

控中心（如PC 机、

工控机等）主要用于数据的存储和监控。图2代表的通常是温室规模较大且需要数据远程传输的现代温室监控系统的主要架构方案。该方案在硬件设计上，汇聚节点和GPRS /GSM 模块既可嵌入到网关节点中，也可以独立设计。网关节点作为信息集中处理和无线传感器网络的本地化管理平台，通常选择处理速度快、信息管理功能较强和外围接口资源丰富的ARM 系列的微处理器。

远程数据监测中心

Internet

GPRS 或GSM 网络

网关节点

汇聚节点

路由节点

无线传感器

节点

图2

温室监测系统主要架构方案二

Fig 2

Main framework scheme II of monitoring system

for greenhouse

在以上2种方案中，用于数据采集的无线传感器节点是一个十分重要的基本组成单元，其在电路设计上多重点考虑低成本、低功耗、稳定性好、可靠性高等因素。硬件主要由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块（即射频收发模块）和电源模块组成。1．2．1

传感器模块

国内现代温室中最常用的传感器类型有温度传感器、湿度传感器、光照度传感器和CO 2传感器。此外，还有土壤温度传感器、土壤湿度（或水分）传感器、土壤pH 值传感器、NH 3传感器等。这些传感器通常为数字型，具有精度高、功耗低、可靠性高等特点。在传感器节点的设计上，可根据传感器的价格和使用频率情况，将电路板设计为主板和扩展板

［23］

，把常用的传感器装在主板上，把价格较高或

使用较少的传感器装在扩展板上，使电路的设计更加合理、灵活。

在常用的传感器中，典型代表有瑞士SENSIRION 公司生产的、

高度集成的温湿度传感器SHT1X 和SHT7X 系列传感器，提供全量程标定的数字量输出，如SHT10，SHT11，SHT71等；光照度传感器有TSL2550，TSL2560等；CO 2传感器如B530等。1．2．2

无线微控制器模块

无线微控制器从结构上包括微处理器和射频收发器两部分。在国内的温室环境监测系统中，

无线微控制器有2种形式，一种是独立的微处理器芯片和独立的射频收发器组合使用的情况，如AT89系列单片机与蓝牙模块7708组

合

［2］

、与射频芯片nRF905组合［14］

、与低功率无线收发器

CC2420组合［24］等，高速低功耗单片机MSP430与CC2420组合

［25，26］

、Atmega 系列单片机与CC2420组合［18］、与

nRF24L01+组合［27］等。另一种是将微处理器芯片和射频收发器集成在一起使用的情况，如近几年使用较多的符合2．4G IEEE 802．15．4标准的射频收发器CC2430，JN5139，JN5121，以及工作于433/868/915MHz 频段的射频SoC 芯片

5

1