基于WSNs的农业温室监控系统的设计
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ｎ ｄｅ ｒ ａ ｓ ｄｅ ｉｎｅ ａ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ．Ｓｏ ｗａｅ ｆ ｎ ｅｌｇ ｎ ａ ｒｃ ｌｕ ａ ｇ ｅ ｎ ｏ ｅ ｎｖｒ ｎ ｎｔｐｒ ｄ ｃ ｉｎ ｏ ｓ ａ ｅ ｌｏ ｓｇ ｄ ｎｄ ｅ ｅｏ ｅ ｔ ｆ ｒ ｏ ｉｔｌｉ ｅ ｔ ｇｉ ｕ ｔｒ ｌ ｒ ｅ ｈ ｕｓ ｅ ｉｏ ｍｅ ｏ ｕ ｔｏ ｍ ａ ａｇ ｍｅ ｓ ｌｏ ｅ ｉｎｅ ｎ ｅ ｎｔｉ ａｓ ｄ ｓｇ ｄ．Ｔｈｅ ｎｅ ａ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ｔｇ ｔｄ ｙ ｔ ｍ ｉ ｕｓ ｄ ｎ ｃ ｒａｎ ｌｗｅ ｓ ｒ ｅ ｎ ｕ ｅ ｎｄ ｒ ｓ ｅ ｉ ａ ｅｔ ｉ ｆｏ ｒ ｇ ｅ ｈｏ ｓ ａ ｍｅ ｔ ｔｅ ｅｓ ｈ ｒ ｑ ｒ ｍｅ ｔ ｆｔ ｅ ｒ ｅ ｈ ｕｓ ｅ ｖｒ ｎｍｅ ｔｌ ｅ ｕｉｅ ｎ ｓｏ ｈ ｇ ｅ ｎ ｏ ｅ ｎ ｉｏ ｎａ ｍｏ ｉｏ ｎｇ ｎ ｔｒ ．Ｔｈ ｅ ｕｔ ｈｏ ｔｅ ｙ ｔｍ ｃ ｎ ｍ ａ ｇ ｇ ｅ ｎｈ ｕ ｅ ｉ ｅ ｒｓ ｌ ｓ ｗｓ ｈ ｓ ｓｅ ａ ｎａ ｅ ｒ ｅ ｏ ｓ ｉ ｔｌｉｅ ｔｙ ａ ｅ ｔａｌ ｎｅ ｌ ｎ ｌ ｎｄ ｃ ｎ ｒｌｙ． ｇ Ｋ ｅ ｏ ｄｓ： Ｗ Ｓ ｙｗ ｒ Ｎｓ；ＣＣ ３０；Ｚｉ ｅ；ａ ｒｃ ｌｕ ａ ｒ ｅ ｈｏ ｓ ２４ ｇ Ｂｅ ｇ ｕｔ ｒ ｌｇｅ ｎ ｕ ｅ；ｍｏ ｉｏ ｉ ｙ ｔ ｍ ｉ ｎ ｔｒｎｇ ｓ ｓｅ
络拓扑结构 ， 系统 网络拓扑结构如 图 ｌ 。网络 由上位机 （ Ｃ Ｐ 机 ） 网关 、 由节点 、 端节 点组 成 ， 中 ， 由节 点 与终 、 路 终 其 路
端节点均配备了各种传感 器 ， 实现对大 棚环境 和土壤 情况
的数据采集。部 分终 端节点还配备了继电器 ， 实现对风 机 、
ｏ ２ ３ ｓｄ ｓ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｓ ｓ ｍ ｏ ｎｙ ｃ ｌ ｃ ｓ ａ ｄ ｇ ｔｅｓ ａ ｒ ｕ ｔ ｒｌｇ ｅ ｎ ｏ ｓ ａ ａ ｔｒ ｕ ｈ ａ ｉ ｎ ＣＣ ４ ０ ｉ ｅ ｉ ｅ ． ｈ ｙ ｔ ｎ ｔｏ ｌ ｏｌ ｔ ｎ ａｈ ｒ ｇ ｉ ｌ ａ ｒ ｅ ｈ ｕ ｅ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｓ ｃ ｓ ａｒ ｇ ｅ ｅ ｃ ｕ
Ｕ ｉｅｓ ｙ Ｂ ｉｎ ００ ８ Ｃ ｉａ ｎｖｒｉ ， ｅ ｉｇ１０ ４ ， ｈｎ ） ｔ ｊ
Ａ ｓ ａ ｔ ｅ ｏ ｉ ｒ ｇｓｓ ｍ ｆ ｇｉ ｌ ｒ ｒｅ ｈ ｕ ｅｂ ｓ ｄｏ ｉ ｌ ｓ ｅ ｓｒ ｅ ｏ ｓ ＷＳ ｓ ｂ ｓ ｄ ｂ ｔ ｃ ：Ａ ｎ ｗ ｍ ｎｔ ｎ ｙｔ ｒ ｒ ｕｔ ａ ｇｅ ｎ ｏ ｓ ａｅ ｎｗ ｒ ｅ ｎｏ ｔ ｒ （ Ｎ ） ａ ｅ ｒ ｏ ｉ ｅ ｏａ ｃ ｕ ｌ ｅｓｓ ｎ ｗ ｋ
０ 引 言
农业温室环境监控系统软件根据采集的温室环境信息和农 业专家领域知识设计的控制逻辑完成对环境调节设备的控
制。
１ 系 统 的 结构
农业 温室 是 种 植 具 有 较 高 经 济 价 值 的 蔬 菜 、 卉 的 重 花
要场所 ， 能够显 著增 强农业 的抗 减灾 与反 季节 生 产能 力。
对 温 室进 行监 控 ， 确 地 获 得 温 室 环 境 的 各 种 参 数 （ ， 准 如 温 度 、 度 、 照 等 ） 能 及 时 反 馈 农 作 物 生 长 环 境 的 问题 ， 湿 光 ， 对
ＺｇＢ ｅ无线 网络 以其 低 功耗 、 成本 、 ｉ ｅ 低 低速 率 、 距 近 离、 短时延 、 高安全等特点 ， 决了农业 温室系统低成本 、 解 电 源布线不方便等 问题 Ｊ 。基于 ＺｇＢ ｅ的无 线传感 器网络 ｉ ｅ 通 常由 ３种节点设备组 成 ， 网关 、 由节点 和终 端节 点。 即 路 网络 中一般有一个节点作为 网关 ， 它是网络的核 心 ， 负责建 立一个无线 网络 ； 由节点负责转 发通信和维护网内路径 ， 路 它是 网络 中的一个无 线收发器 ， 可配置传感 器使其 具有 并 数据采集功能 ； 终端节点是网络中最简单的节点 ， 配置传感 器采集数据或配 置继 电器用 以控制设备 ， 与路 由节点或 网
ｔｍｐｅ ａｕ ｅ ｎｄ ｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｈｕ ｉｉｙ，ｓ ｉ ｔｍｐｅａ ｕ ｅ，ｈ ｍ ｄｔ ｏｌ ｅ ｒｔｒ ｕｍｉ ｔ ａ ｄ ｌｕ ｎ ｔｏ ｄｉ ｙ ｎ ｉｌ ｍｉ ａｉ ｎ，Ｉ ａｓ ｃ ｎｒ ｌ ｔ ｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ａ ｍｌ ｌｏ ｏ ｔｏ ｓ ｈｅ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔ ｌ ｍｏ ｕｌｔｒ ｑ ｐｍｅ ｔ ， ｕ ｈ ａ ａ ， ｅ ｔｒ ｐ ｄ ａｏ ｙ ｅ ｕｉ ｎ ｓ ｓ ｃ ｓｆｎｓ ｈ ａｅ ｓ， ｕｍｐ ｂ ｉ ｓ， ｔ ｔ ｃ ｅ ｅ ｔ ｅ ｔｅ ｖｒ ｎ ｅ ｔｆ ｒｃ ｏ ｏ ｈ． ｓ， ｌｎｄ ｅｃ，ｏ ａ ｈｉｖ ｈｅ ｂ ｓ ｎ ｉｏ ｍ ｎ ｒｐ ｇ ｗｔ ｏ ｒ
２ 系统 的 硬 件 设 计
２ １ 节点 的硬 件设 计 ． 无线传感器 网络 节点 主要 由 Ｌ Ｄ指 示灯 、 Ｅ 电源模 块 、
Ｃ ２９ 模 块 和 Ｃ ２３ Ｃ ５１ Ｃ ４ ０模 块 组 成 Ｊ 其 中 ， 关 节 点 增 加 ， 网
了 Ｕ Ｂ模块 ， Ｓ 终端 节点 则增加 控制模 块 和传感 器 ， 点硬 节
Ｃ ２３ 片有 ２ Ｃ ４ ０芯 １个 可 编 程 ＬＯ 引 脚 ， 为 Ｐ ， １和 ／ 分 ０Ｐ
Ｐ ２口。Ｐ ，１是 ８位 口，２口只有 ５个 可使 用 的位 ， 过 ０Ｐ Ｐ 通 软件设定 一组 Ｓ Ｒ寄存器 的位 和字 节可 使这 些 引脚 作 为 Ｆ 通用 的 ＩＯ口或作 为连接 ＡＤ ／ Ｃ计时器或 Ｕ Ａ Ｔ部件的外 ＳＲ 围 ＩＯ口使用 。系统使 用 的数 字温 湿度传 感器 Ｓ Ｔ １是 ／ Ｈ１ 采用 Ｉｃ总线接 口方式 和处理 器连 接 ， ２个 串行通 信线 。 有 分别为 Ｓ Ｋ时钟 线 和 Ｄ Ｔ 数据 线 ，Ｃ Ｃ ＡＡ Ｓ Ｋ负 责 处 理器 和 ＳＴ１ Ｈ １ 通信 同步 ， Ａ Ａ是 双 向 串行 通 信线 ， 责传 送 数 ＤＴ 负
Ｃ Ｅ ｈ— ｅ， Ｕ Ｗｅ－ ｎ Ｙ ｈ ｎ －ｈ ｎ ，Ｋ Ｎ Ｚ ｉ ｉ ｇ Ｈ Ｎ Ｚ ｉ ｉ Ｓ ｉ ｕ ， Ｕ Ｃ ｏｇｃｏ ｇ Ａ ｈ— ａ ｗ ｊ ｑｎ
（ ｏ ｅｅｏ ｏ ｕｅ ｎ ｆｒ ｔ ｎＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｂ ｉｎ ｅｈ ｏｏｙａ ｄＢ ｓ ｅｓ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｍｐ ｔｒａ ｄＩ ｏｍａｉ ｎ ｉｅｒ ， ｅ ｉｇＴ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｕｉ ｓ ｌ Ｃ ｎ ｏ ｎ ｊ ｎ
Ｔ ｅ ａ ｃ ｉ ｃｕ ｅ ｏ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ，ｈ ａｄ ｒ ｎ ｏ ｗａ ｅ ｏ ａｅ ｙ ｎ ｄ ，ｏ ｔ ｏ ｅ ｎ ｒ ｎ ｌ ｈ ｒ ｈｔ ｔｒ ｆｔ ｙ ｔ ｍ ｓ ｎ ｒ ｕ ｅ ｔ ｅ ｈ ｒ ｗａ ｅ ａ ｄ ｓ ｆ ｒ ｆｇ ｔｗａ ｏ ｅ ｒｕ ｅ ｎ ｄ ｓａ ｄ ｔ ｍｉ ａ ｅ ｈ ｏ ： 于 ＷＳ ｓ 等 基 Ｎ 的农业温室监控系统的设计
８ ３
关建立连接 。ＺｇＢ ｅ网络 支持 ３种拓 扑结 构 ： ｉ ｅ 星型 网 、 树
型 网 和 网 状 网 ， 根 据 实 际 应 用 选 择 不 同 的 网 络 拓 扑 结 可
构 。
２ ２ 传 感 器与 芯 片 的连接 方 式 ．
中 图分 类 号 ：Ｔ ２ ， Ｐ２ ２ ９ Ｎ９ ９ Ｔ １ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０－ ７ ７ ２ １ ）７０ ８ －３ ０ ０９ ８ （ ０１ ０－ ０２ ０
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｇ ｉｕ ｔ ａ ｒ ｅ ｈ ｕ ｅ ｍ ｏ ｉｏ ｉ ｙ ｔ ｍ ｓｇ ｎ ａ ｒｃ ｌｕｒ ｌｇ ｅ ｎ ｏ ｓ ｎ ｔ ｒｎｇ ｓ ｓｅ ｂａ ｅ ｎ Ｗ Ｓ ｓｄ ｏ Ｎｓ
（ 北京工商大学 计算机 与信 息工程学 院。 北京 １ ０４ ） ０ ０ ８ 摘 要 ：设计基 于 Ｃ ２３ Ｃ ４ ０的无线传感器网络农业温室监控系统 ， 系统实现 对农 业温室 空气 温湿度 、 土壤
温湿度以及光照度 等参 数采集 ； 同时控制风机 、 暖气 、 水泵 、 光帘等温 室环境调节设 备 ， 温室达 到农作 遮 使 物生长的最佳 环境 ； 出了系统 的总体架构 ， 给 设计和开发 了网关 、 由节点和终端节 点的软件与硬件 ， 路 并设
据 。 而 Ｃ ２ ３ 有 ＩＣ总 线 接 口 ， 以 由 Ｃ ２３ Ｃ ４ ０没 可 Ｃ ４ ０的 ２个 ＩＯ 口分 别 模 拟 Ｉ ／ Ｃ总 线 的 时钟 线 和 数 字 线 ； Ｓ Ｂ ０数 字 ＤＩ ２ ８
为 了减 小 能 量 损 耗 和 数 据 包 丢 失 ， 系 统 采 用 树 型 网 本
８ ２
传感器与微系统（ ｒｎｄ ｃｒ ｎ ｉｒ ｙｔ ｅｈ ｏ ｇ ｓ Ｔａ ｓｕｅ ａｄＭ ｃ ｓｓ ｍ Ｔ ｃ ｎｌ ｉ ） ｏ ｅ ｏｅ
２１ ０ １年 第 ３ ０卷 第 ７期
基 于 Ｗ Ｓ 的 农 业 温 室 监 控 系 统 的 设 计 Ｎｓ
陈智伟 ，苏维均 ，于重重 ，阚志强
环境进行 自动地调整 ， 有利于农作物的优质高产 。 目前 ， 于无 线传 感器 网络 （ ｉｌｓ ｓｎｏ ｎｔｏｋ ， 基 ｗｒ ｅｓ ｅｓｒ ｅ ｒｓ ｅ ｗ ＷＳ ｓ 的农业 温 室监测 系统 研究 较多 Ｎ） ， 但很 少针 对 温
室 设 备 进 行 控 制 ， 且 大 多 数 的 监 控 系 统 没 有 在 实 际 的项 而 目中应 用 Ｊ 。采 用 农 业 温 室 监 控 系 统 自 动 调 整 温 室 环 境
暖气 、 泵 、 光 帘 等 温 室 环 境 调 节 设 备 的控 制 。 为 了使 网 水 遮
络更好地连通 ， 一般将 多数节点配置为路 由节点。
光照度传感器 ｌ
土 壤 水分 传 感 器
温度传感 器是单总线器件 ， 即只用一根信号线接到 ＩＯ 口， ／ 既供 电又传输数 据 ， 而且 ， 数据传输是双 向的， 因此 ， 对读写 的数据位有着严格 的时序要求 。土壤水分传感器 与光照度
计 了 上 位 机 的 智 能农 业 温 室 环境 生产 管理 系统 软件 ； 统 最 终 在 花 卉 温 室 中应 用 ， 到 温 室 环 境 监 控 的要 系 达
求， 有利 于温室 的智能化 、 统一化管理。 关键词 ：无线传感 器网络 ； Ｃ ４ ０ ＺｇＢ ｅ 农业温室 ； Ｃ ２３ ； ｉ ｅ ； 监控 系统
变送器 输 出模 拟信 号 ， 可直 接与 Ｃ ２ ３ Ｃ ４ ０的 Ｐ ０口相连 ， 利
用 Ｃ ２３ Ｃ ４ ０内 部 的 Ａ Ｃ实 现 模 数 转 换 Ｊ Ｃ ２３ Ｄ 。 Ｃ ４ ０与 传 感
器连接 的电路如 图 ３所示 。
２ ４ｖ
图 ｌ 系统 网 络 拓 扑 结构 图
Ｆ ｇ １ Ｓｔ ｕ ｔ ｒ ｉ ｇ ａ ｏ ｙ ｔ ｍ ｅ ｗｏ ｋ ｔ ｐ ｌ ｇ ｉ ｒ ｃ ｕ ｅ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｓ ｓ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ ｏ ｏ ｙ
是设施农业未来发展的方向。本 文的农业 温室监控 系统 通
过基 于 Ｃ ２３ Ｃ４ ０的 无 线 传 感 器 网络 采 集 环 境 数 据 ， 线 网 无 络 传 输 数 据 ， 现 对 温 室 环 境 的 监 测 ； 时 上 位 机 的 智 能 实 同
收 稿 日期 ：０ １０ — ８ ２ １ －５ １
络拓扑结构 ， 系统 网络拓扑结构如 图 ｌ 。网络 由上位机 （ Ｃ Ｐ 机 ） 网关 、 由节点 、 端节 点组 成 ， 中 ， 由节 点 与终 、 路 终 其 路
端节点均配备了各种传感 器 ， 实现对大 棚环境 和土壤 情况
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０ 引 言
农业温室环境监控系统软件根据采集的温室环境信息和农 业专家领域知识设计的控制逻辑完成对环境调节设备的控
制。
１ 系 统 的 结构
农业 温室 是 种 植 具 有 较 高 经 济 价 值 的 蔬 菜 、 卉 的 重 花
要场所 ， 能够显 著增 强农业 的抗 减灾 与反 季节 生 产能 力。
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ＺｇＢ ｅ无线 网络 以其 低 功耗 、 成本 、 ｉ ｅ 低 低速 率 、 距 近 离、 短时延 、 高安全等特点 ， 决了农业 温室系统低成本 、 解 电 源布线不方便等 问题 Ｊ 。基于 ＺｇＢ ｅ的无 线传感 器网络 ｉ ｅ 通 常由 ３种节点设备组 成 ， 网关 、 由节点 和终 端节 点。 即 路 网络 中一般有一个节点作为 网关 ， 它是网络的核 心 ， 负责建 立一个无线 网络 ； 由节点负责转 发通信和维护网内路径 ， 路 它是 网络 中的一个无 线收发器 ， 可配置传感 器使其 具有 并 数据采集功能 ； 终端节点是网络中最简单的节点 ， 配置传感 器采集数据或配 置继 电器用 以控制设备 ， 与路 由节点或 网
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２ 系统 的 硬 件 设 计
２ １ 节点 的硬 件设 计 ． 无线传感器 网络 节点 主要 由 Ｌ Ｄ指 示灯 、 Ｅ 电源模 块 、
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关建立连接 。ＺｇＢ ｅ网络 支持 ３种拓 扑结 构 ： ｉ ｅ 星型 网 、 树
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构 。
２ ２ 传 感 器与 芯 片 的连接 方 式 ．
中 图分 类 号 ：Ｔ ２ ， Ｐ２ ２ ９ Ｎ９ ９ Ｔ １ ． 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０－ ７ ７ ２ １ ）７０ ８ －３ ０ ０９ ８ （ ０１ ０－ ０２ ０
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温湿度以及光照度 等参 数采集 ； 同时控制风机 、 暖气 、 水泵 、 光帘等温 室环境调节设 备 ， 温室达 到农作 遮 使 物生长的最佳 环境 ； 出了系统 的总体架构 ， 给 设计和开发 了网关 、 由节点和终端节 点的软件与硬件 ， 路 并设
据 。 而 Ｃ ２ ３ 有 ＩＣ总 线 接 口 ， 以 由 Ｃ ２３ Ｃ ４ ０没 可 Ｃ ４ ０的 ２个 ＩＯ 口分 别 模 拟 Ｉ ／ Ｃ总 线 的 时钟 线 和 数 字 线 ； Ｓ Ｂ ０数 字 ＤＩ ２ ８
为 了减 小 能 量 损 耗 和 数 据 包 丢 失 ， 系 统 采 用 树 型 网 本
８ ２
传感器与微系统（ ｒｎｄ ｃｒ ｎ ｉｒ ｙｔ ｅｈ ｏ ｇ ｓ Ｔａ ｓｕｅ ａｄＭ ｃ ｓｓ ｍ Ｔ ｃ ｎｌ ｉ ） ｏ ｅ ｏｅ
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陈智伟 ，苏维均 ，于重重 ，阚志强
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暖气 、 泵 、 光 帘 等 温 室 环 境 调 节 设 备 的控 制 。 为 了使 网 水 遮
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光照度传感器 ｌ
土 壤 水分 传 感 器
温度传感 器是单总线器件 ， 即只用一根信号线接到 ＩＯ 口， ／ 既供 电又传输数 据 ， 而且 ， 数据传输是双 向的， 因此 ， 对读写 的数据位有着严格 的时序要求 。土壤水分传感器 与光照度
计 了 上 位 机 的 智 能农 业 温 室 环境 生产 管理 系统 软件 ； 统 最 终 在 花 卉 温 室 中应 用 ， 到 温 室 环 境 监 控 的要 系 达
求， 有利 于温室 的智能化 、 统一化管理。 关键词 ：无线传感 器网络 ； Ｃ ４ ０ ＺｇＢ ｅ 农业温室 ； Ｃ ２３ ； ｉ ｅ ； 监控 系统
变送器 输 出模 拟信 号 ， 可直 接与 Ｃ ２ ３ Ｃ ４ ０的 Ｐ ０口相连 ， 利
用 Ｃ ２３ Ｃ ４ ０内 部 的 Ａ Ｃ实 现 模 数 转 换 Ｊ Ｃ ２３ Ｄ 。 Ｃ ４ ０与 传 感
器连接 的电路如 图 ３所示 。
２ ４ｖ
图 ｌ 系统 网 络 拓 扑 结构 图
Ｆ ｇ １ Ｓｔ ｕ ｔ ｒ ｉ ｇ ａ ｏ ｙ ｔ ｍ ｅ ｗｏ ｋ ｔ ｐ ｌ ｇ ｉ ｒ ｃ ｕ ｅ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｓ ｓ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ ｏ ｏ ｙ
是设施农业未来发展的方向。本 文的农业 温室监控 系统 通
过基 于 Ｃ ２３ Ｃ４ ０的 无 线 传 感 器 网络 采 集 环 境 数 据 ， 线 网 无 络 传 输 数 据 ， 现 对 温 室 环 境 的 监 测 ； 时 上 位 机 的 智 能 实 同
收 稿 日期 ：０ １０ — ８ ２ １ －５ １