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基于无线传感器网络的环境监测系统设计
湖南理工学院信息与通信工程学院
摘要
系统采用无线传感器网络技术，采用单片机控制功能（SCM）。本系统设计采用SHT11温湿度传感器作为检测元件，实时测量数据通过无线收发器发送模块。
- 引言
如今，我们的国家解决农民问题，提高农民收入是一个很大的挑战。近年来，我国持续地采取措施以发展农村经济，支持和帮助农村发展。搭建温室，种植反季节蔬菜是提高农民收入的方式之一。监控系统能够很大的提升植物的存活率，加快植物生长速度，降低死亡率，从而增加产量。目前，温室监控系统分为有线和无线监控系统。近年来，无线传感网络是一个新兴技术，它在可以自动感知、采集、处理监控对象的信息，然后把信息传送给观察员。
无线传感网络由大量的小型传感器组成。信息传输系统是通过无限通信传输。本设计针对温室中的特定环境应用无线传感器网络技术实现无线监控系统。
- 系统总体设计
该系统在温室中设置了一些监测节点，将监测到的数据通过温湿度检测器和实时采集装置传输到控制模块中。操作员可以依靠温湿度监控，将温度和湿度保持在最适合作物生长的范围内。这个系统主要由接受、控制、报警模块和多个远程监控和发射模块组成。如图1是系统设计框图。同时，该控制系统可以将收到的数据与预设的数据进行对比，当收到的数据超过预定的数据范围时，会发出警报。
图1 系统设计框图
在农村，许多农民为了方便管理会在住房的不远处搭建温室大棚。因此，使用短距离无线传感器系统可以很好的满足设计需要。目前，成熟的短距离无线传输技术有以下几种：Wi-Fi，UWB（超宽带）技术和ZigBee技术。但是这些技术比较复杂而且发展成本更高，发展周期过长。因此不适合在农村使用。因此，这个系统使用SCM、无限射频收发器NRF24L01和内置PCB天线来满足设计需要。 系统设计中有多个探测器可以满足多点探测。每个节点都有独立的处理模块和地址。探测节点由电源模块、处理模块、探测模块和无线通信模块组成。这是在被探测的环境中设置和分布探测节点的关键。
探测模块是监控节点中最重要的部分，它负责采集物理信号并将它们转换成处理器可以识别的信号。控制模块负责整个探测节点的操作，实现任务管理和能耗管理。本设计采用SCM STC90L52AD作为监控节点的处理器。在收到了控制模块发送的本地地址后，SCM控制NRF24L01发送监控节点的地址和最近采集到的温湿度数据。当NRF24L01接收本地地址失败时，SCM将控制SHT11传感器循环探测温湿度。硬件结构图如图2。
图2探测节点硬件设计框图
控制模块由电源模块、处理模块、无线通信模块、显示和报警模块组成。控制模块的硬件设计电路如图3所示。在控制模块中，本设计添加了MC14489芯片作为数码管驱动。这不仅能节约I\O口，可以加快控制模块的运行速度，还可以加强电流驱动能力。图3的硬件结构图中显示SCM从缓存器中提取地址信号然后通过NRF24L01发送给监控节点。在发送地址之后，NRF24L01被设置为接收状态，用以接收监控模块的地址和温湿度数据。本设计采用5位数码管进行显示。当NRF24L01接收数据成功后，数码管首先显示监控节点的地址，然后显示温湿度数据。当第一行数码管显示“C”时，将显示接收到的温度数据。当第一行显示“F”时，将显示湿度数据。
图3 控制模块硬件设计框图
- 系统硬件设计
- 电源电路设计
图4 系统电源电路
电路中的 5V到 3.3V为无线收发模块和探单元供电。电路中的 5V为SCM、显示和报警模块供电（见图4）。
B.监测电路设计
监控模块电路如图5所示。SCM的P1.0接口与蜂鸣器连接。一旦温湿度超过了预设值，LED将不停地闪烁，蜂鸣器将报警，以提醒温室工作人员采取相应措施。P2.5，P2.6和P2.7接口连接到SHT11。SHT11会把采集的数据通过I2C总线送到SCM。SCM把从传感器搜集到的数据通过P3.2, P2.0, P2.1, P2.2, P2.3和P2.4接口传输到无线发送模块。本设计使用到了基于CMOSens技术的智能温湿度传感器SHT11。SHT11在一个芯片中包含了温湿度探测，信号放大和调制，A/D转换和双线串行接口。它拥有超快的响应速度、很高的抗干扰能力和很高的性价比。
图5 监测节点单片机连接电路图
C.控制模块电路设计
SCM中的控制模块电路控制收发信号，处理收到的数据，发送温湿度信号给显示模块，控制报警模块。单片机控制模块的连接电路图如图6所示。
图6 控制模块单片机连接电路
本电路中P0口与上拉电阻和无线收发器NFR24L01相连。NFR24L01的3~7引脚与SCM的P0.0~P0.4接口相连，8引脚（中断口）与P3.2相连。SCM的P1.0~P1.2接口与IC2MC14489芯片相连作为显示电路驱动。SCM的P3.4~P3.7接口与（K1,K2,K3,K4）4个按键相连，用来设置温湿度范围。其中，K1是功能选择键，K2和K3是加减键。在设置完成后，按K4来进行确认。P3.0~P3.1接口与MAX232相连作为程序下载端。控制模块通过NRF24L01发送地址信号，然后通过监测节点的NRF24L01接收地址信号。每个监测节点的SCM读取地址信号并与本地地址进行匹配。如果匹配成功，SCM将通过NRF24L01将发送近期探测到的温湿度信号和它自己的地址控制模块。考虑到NRF24L01发射的信号只有60~100米，不能满足设计需要，因此我们采用NRF24L01内置的PCB天线。实验数据显示，在没有大型障碍物的情况下，信号在室外可以传送大概400米。因此该系统可以满足设计需要。
D.I2C总线设计
I2C总线是一种广泛应用于芯片之间的串行扩展总线。该总线可以用两根线实现全双工数据传送。一根是数据线SDA，一根是时钟线SCL。如果SCM没有I2C，我们可以合并普通I/O口，通过软件来控制它的时序来达到与I2C串行总线接口一样的功能。这种设计是通过软件模拟的形式进行数据传输。当从SHT11收到了一个完整的数据字节后，SCM把数据送到无线收发模块，并且不会立即接收下一个数据字节。这时，SCM会将SCL线设置为低电平，直到SCM准备好接收下一个数据字节。为了SHT11与SCM之间的继续通信，此时SCM将把SCL线设置为高电平。
- 系统软件设计
- 监测节点电路的子程序设计
监测节点电路的子程序主要功能：1.初始化单片机；2.控制SHT11探测温湿度；3.判断温湿度值是否超过阈值。当超过阈值时，将标志位设置为“1”，反之设置为“0”；4.控制无线模块发射温湿度信息，当flag是“1”时标志信息；5.通过中断接受来自控制模块发送的地址信息，并判断是否有效，如果地址有效则发送温湿度数据。
B.监测节点的NRF24L01收发控制程序设计
图7 监测节点NRF24L01收发控制程序流程图
C.控制模块子程序设计
控制模块子程序的主要功能：1.读取键值并判断键值功能；2.控制无线模块控制节点地址。等待并接受从监测节点发送的数据；3.控制数码管显示收到的数据；4.判断温湿度数据是否超过阈值，若超过则报警。
该控制模块采用主动模式来循环读取监测每个节点的温湿度信息。控制模块的SCM首先控制无线模块发送监测节点的地址信息，同时设置该无线模块为接收状态，并等待来自监测节点的回复数据。这里我们使用SCM的定时功能来避免监测节点由于硬件故障而无法不能回复的问题。如果在预设的有效时间内没有收到来自监测节点的数据，SCM将自动忽略这个节点，转而从下一个节点接收数据。控制模块的数据收发流程图如图8所示。
图8 收发模块收发控制软件流程图
- 结论
该系统设计是基于无线传感器网络。该系统通过SCM远程控制，实现了多点温湿度数据监测，并通过无线收发模块将数据发送给控制中心。在完成实物搭建并调试完成后，证实该系统可以实现温室的无限远程监测和自动报警，可以确保温室内的温湿度可以处于对植物最适宜的范围内。本设计是基于一个可行有效的自动监控系统的，无线传感网络技术的应用。本设计在我国农业温室大棚的实践应用中有着切实可行的意义。
鸣谢
作者非常感谢湖南省对科学技术的大力支持（项目编号：2011GK3168）。
作者简介
张敏，1974年出生于中国岳阳。她于2003年获得华中科技大学的硕士学位。现在她是湖南科技研究所的讲师。她的研究方向是智能探测和自动控制等。
基于ARM9的粮仓智能监控系统
- 系统整体设计
储粮环境是由CO2浓度、温度、湿度等因素构成的复杂系统，各因素与粮食条件之间存在着非线性关系。本系统设计了一套基于嵌入式系统开发平台的现场监控装置，实现粮情、温湿度、CO2浓度等数据的实时采集。然后对数据进行加权融合。基于BP神经网络预测粮食所处环境参数的数值，然后控制周边设备杀死谷物害虫。
图1 粮情控制系统总体设计
本系统的上位机采用嵌入式以S3C2440为核心处理器的ARM9，并配置WinCE操作系统；下位机采用STC89C52单片机连接池的温度、湿度和CO2传感器阵列以探测粮食状况。下位机采集温度、湿度、CO2浓度信息。然后对数据进行补偿处理并发送到上位机。上位机根据当前的粮情调用UART端口触发下位机。下位机派生的外围设备，如真空泵，电磁阀和继电器，以完成整个设备的控制功能。图1是粮食控制系统的总体设计。
1.1实验系统模块
粮情控制系统的硬件主要包括三个模块：基于ARM9的粮情显示模块、信息采集模块和基于单片机的外围控制模块。粮情显示模块的主要功能是与下位机交互通信，完成粮情采集、数据显示和预测粮情；信息采集模块的主要功能是通过多传感器采集温度、湿度和CO2浓度；外围控制模块主要包括两个功能：首先，单片机接收被发送的多传感器收集的数据，然后将数据补偿处理并转发给上位机；其次，单片机接收上位机的控制参数，并触发外真空泵、电磁阀、继电器等装置，
然后控制外围设备对储粮害虫的控制。粮食控制系统的模块结构如图2所示。
图2 粮情控制系统模块结构图
ARM9核心处理器选择：samsung-s3c2440a。samsung-k9f2g08u08使用的NAND闪存容量为256M；48lc16m16a2-75使用容量为256M SDRAM的配置；ARM 9嵌入式WinCE操作系统，可以直接驱动液晶屏、SD卡接口、UART异步串行接口、A/D转换、USB接口，IIC总线，和IIS总线。
1.2单片机控制电路原理图
单片机控制电路设计如图3所示，下位机选用STC89C52单片机/ s52rc，uln2003l电机驱动芯片MAX232串口通信芯片和继电器控制接口。STC89C52单片机有许多优点，可以满足下位机的需要：首先，STC89C52单片机的指令集和引脚完全兼容，并且MCS－51单片机在国内被广泛的用于工业控制系统，它的外围电路不需要做任何改变。其次，单片机具有EEPROM功能，数据不易丢失（10年以上）。最后，STC89C52单片机具有价格低、可加密的功能。
图3 MCU控制电路
单片机通过UART口与嵌入式ARM9通信，完成上位机触发器和下位机控制功能。真空泵选用24V交流/直流电机，更容易实现均匀旋转；单片机可以在非资源的情况下输出PWM信号，通过uln2003l芯片控制电机转速的快慢，完成抽排工作；其次，分离光电芯片是由单片机P0口的电平信号触发的，用来实现24V继电器的控制，从而间接控制外部的电磁阀，从而灵活地开启或关闭燃气管道。
1.3粮食信息采集模块
粮食状况信息采集模块如图4所示。粮食信息采集电路主要包括CO2传感器，两个PT100温度传感器、多路模拟开关、放大器、A/D转换器和单片机。首先，模拟温度信号由PT100传感器采集，单片机控制多路模拟开关的分时传输两温度信号到前置放大电路。利用A/D转换器将模拟温度信号转换成数字信号。最后，将数字温度传递给单片机端口并获得必要的补偿和校正处理。
图4 粮情信息采集模块框图
- 温度、湿度和CO2浓度信息采集
温度传感器采用北京华夏日盛科技有限公司生产的铂电阻Pt100传感器，可以在0°C提供100Omega;标准电阻，温度范围为 -200°C 至600°C、互换性强、热容量小、快速反应和良好的线性度。湿度采集采用干湿球法测量原理。测量信号是由两个Pt100温度传感器转换得到的。湿度测量方法精度高，价格便宜。该方法有大量的计算和校正工作，这是单片机的优点。用干湿球法测量湿度的原理是：在足够大的稳定风的情况下，利用湿球表面水分蒸发的程度来测量湿度。被测空气的水蒸气分压由干湿球方程导出：e=e(tw)-AP(ta-tw)。然后计算相对湿度，露点温度和其他各种湿度，相对湿度由以下公式导出：U=e(tw)/e(ta)*100%。CO2传感器选择GM811，它拥有高敏感性和区分性，不容易被温湿度影响，具有很高的稳定性和复用性。
- 两级放大电路
前置放大电路的集成运算放大器选择LM358。为了防止单级高倍放大引起的非线性误差，放大电路采用两级放大。前置放大电路的作用有两个：一方面，模拟信号的传输由模拟开关预放大。另一方面，信号由带通滤波器滤波。LM358的一二级运放集成电路，其内部含有两组相同的和独立的运算放大器。本文设计的实验系统在放大电路的基
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