本科生毕业设计（论文）

外文翻译

基于无线传感器网络关于温室自动控制系统的研究

摘 要

本文提出的系统收集作物叶子的温度和湿度，以及收集温室的环境信息，如：温度、湿度等等。特别的，作物疾病不仅与室内的作物环境因素有关，还与作物叶子的湿度持续时间和叶子温度有很深的联系。因此，监测植作本身与监测室内环境同样重要。用无线传感器网络收集温室环境数据，可以更高效的控制室内环境。还有，监测作物本身对作物产量的提高和防止作物被害虫与疾病毁坏有很大的贡献。另外，通过对作物本身和温室环境的监测，用户可以近距离研究室内环境信息和检测到的作物本身的信息的关系，进而去控制植物的成长。收集到的数据可以存储到安装在温室或远程的数据库服务器。这使得在自动化温室现场或者比较偏远的地区，通过浏览器进行更加有效的信息采集和控制成为可能。系统的组成为：温度传感器，湿度传感器，叶子温度传感器，叶子湿度传感器，基于无线传感器节点的Zigbee，中继节点进行自动控制和储存温室信息的数据服务器。本系统是采用低功率无线元件来实现的，并且很容易安装。

关键词：温室；自动控制；传感器网络；监测

1简介

在过去的几十年，对于温室系统的管理已经有了很大的发展，大量的传感器被应用到对环境各种各样的信息采集中来。大部分的传统系统的发展几乎都是依赖有线连接工具。有线连接系统限制了安装的简易性和拓展能力，并且还增加了维护成本。基于无线传感器网络的系统被认为消除了相当大的用于连接所耗费的成本。而且，广泛的农场和温室都要求检测系统或者控制系统都基于无线连接。无线传感器网络也将通过无线电来提高温室现有系统的有效性和简易性。

在本文中，我们提出一个可以收集与温室环境和植物本身相关的信息，并且基于这些信息实现温室自动控制。传统的温室控制系统已经监测环境主要的数据，如：温室的环境温度和湿度。这些数据对于对于温室环境的控制非常重要，因为这些数值是非常影响植物的生长的。然而，对于植物生长状态和植物疾病的精确诊断不仅仅需要温室周围的温度和湿度，还需要更多其他的数据。特别地，植物疾病不仅与室内环境因素有关，还与叶子温度和叶子湿度持续时间有很深的联系。因此，监测植物本身与监测室内环境同样重要。

文中所述系统是基于作物的温度和湿度在作物叶子上的持续时间而设计的，这是该系统的显著特征。作物叶子的温度和湿度是系统控制的主要因素和维持温室环境的条件。这个系统可以通过温度传感器和湿度传感器收集温室里的环境信息，以及通过叶子温度传感器和叶子湿度传感器来收集叶子温度和湿度。而且，可以用这个系统去近距离的检查环境信息与作物生长状态的关系，特别是与作物疾病的关系。进而，我们的系统可以运用温室环境高效的自动控制来防止作物疾病。

2理论研究背景

在一个封闭的温室里，当天气晴朗的时候，或者即使是冬天的时候，都会有一些室内温度上升和农作物损失的情况。相反的，在夜晚，随着大量热量的散发流失，温室内温度会降到与室外一样，甚至更低。因此即使是在温室里面，随着每天的时间推移，温度也会发生变化，或者温度随着季节发生变化，而这些变化会影响作物的生长。另一方面，室内温度变化会引起作物本身温度的变化，因为每个过程的反应时间的不同而影响作物的生长，而植物的生长和新陈代谢依赖着温度。换句话说，最大增长速率可以通过温度来优化的。假设西红柿，温度的周期性变化相比于保持稳定的温度(26.5)更可以可以促进其增长。研究发现，在白天，26.5时植物可达到最大增长率，在夜晚为。这证明温室最重要的不是保持恒温而是温度的最优变化（表1）。

表1蔬菜的分类根据温度适应性

维持温室的合适湿度非常重要，因为温室里的湿度和作物的生长、产量以及虫害毁坏有紧密的联系。特别地，通风设备在控制室内相对湿度中扮演着重要角色，并且通风设备的安装应该考虑植物的生理需要。在下午，大多数的通风设备会改变处于生长点的花蕾的大小，而且数量超过了百分之六十六，因此它降低了花的质量，结果导致果实和花蕾的掉落。最小通风系统应该维持低于百分之八十五的相对湿度。通常在保证足够产出的条件下，保持合适的通风可以保持室内温度低于室外温度。另一方面，过多的通风设备会降低现场的湿度和植物表面的湿度，这也将增加气孔的阻力和降低产量。

但是室内温度与湿度不需要与作物叶子的温度与湿度相匹配。结果，作物条件和环境条件的不匹配导致作物叶子表面形成露水。接着，作物叶子在恒定的温度下保持适度会导致各种各样的作物疾病，如：真菌。随着控制室内环境，维持叶子温度和保护叶子的湿度，对于培养健康的作物以及防止作物被与枯萎和有害真菌相关的疾病的损害。为了提高作物产量和减少作物染病的几率，精确地控制温室环境恰恰是基于收集到的监测作物本身的数据以及环境数据，就像温室内温度和湿度。

3系统实现

如图1所示，这个系统包括温度传感器节点、湿度传感器节点、叶子温度传感器节点、叶子湿度传感器节点、存储收集到的数据的数据库服务器和中继节点控制设备，如：窗口、加热器、通风机等，自动地对环境信息进行实时采集。基本节点可以接收来自传感器节点的数据并存储到数据库中。接着，基本节点可以通过互联网将储存的数据传送到远程控制系统。远程控制系统可以分析和修正数据，进而作出决策。最后，温室通过互联网获得控制信号来维持最优环境。这些传感器节点和基本节点可以根据监测的需要布置在温室的任何地点，并且它们之间可以通过无线网络相互交流。如果需要的话，它还可以发送命令信号给中继节点去控制设备。在这个系统设计中，需要谨慎地注意降低功率损耗，这是传感器网络适应低功耗传感器和芯片的重要因素。

表1 系统总体框图

3.1 传感器节点的构成

本次系统设计的传感器节点接收来自温度传感器，湿度传感器，叶子温度传感器和叶子湿度传感器的测量数据，在微处理器（MSP430 MCU）中处理数据并传输到个人电脑，中继节点使用无线电收发器（CC2420 RF chip）。节点和传感器彼此分开设计，以减少节点散发的热量对传感器的影响。微处理器MSP430拥有16位RISC数据结构，和48KB程序内存以及10KB运行内存，可以高速的同时运行操作多重的传感器数据。无线电接收器CC2420是RF芯片，支持Zigbee协议，并且工作在2400–2483.5MHz频率带宽。信息交流是基于DDDS方法，支持O-QPSK方式调制和250Kbps的数据传输速率，这使得低功耗实时无线网络交流成为可能。图2所示为传感器节点的框图和传感器节点的成品图。

图2 传感器节点框图和制造传感器节点图

传感器节点使用3.6V的电池提供能量。TK71730 LDO用来稳定节点的功率提供。LDO是由传输晶体管和误差放大器组成的。传输晶体管由PNP TR或者PMOS组成，是以电压控制电流源方式工作。误差放大器接收输出反馈来保持电压的稳定，甚至改变输入电压或输出负载。

传感器的选择需要谨慎注意，因为它对环境的测量和控制有很重要的影响，而环境影响温室栽培中的作物生长。选择传感器很重要，它需要抵挡高温度高湿度的温室环境以及合适的作物培养范围的高灵敏度与可靠性。SHT71是用来测量温度和湿度的传感器，它是温湿一体传感器（如图3）。它使用2.4—5.5V的低功率提供和28 uA的低功率损耗。温度测量范围从40—120和0.5的允许测量误差，湿度测量范围从0到100以及湿度允许测量误差为3.5。图4所示的电路框图是温度湿度传感器与MSP430 MCU之间的电路连接线路图。给传感器提供3.3V的操作电压，连接着MSP430的两线数据线路用来处理温度湿度信息。

红外测温仪（IRtec Rayomatic 10，H，S）用作叶子温度传感器来测量叶子温度，IRtec Rayomatic 10是无接触红外传感器，它适合测量表面（如叶子）和有一个很大的测量范围，从0—500。IRtec Rayomatic 10传感器显示在4—20mA范围内的输出电流，它是非常小的，所以要用LM358 OP-AMP放大来自传感器的信号去计算测量值。图5所示的电路框图是连接叶子温度传感器和MSP430的线路图。

Model 237叶面湿度传感器是用来测量叶子湿度的传感器。这个传感器根据自身表面的湿/干状态来改变它的内阻，内阻变化范围为20—1000K欧姆。传感器根据内阻值的变化来测量叶子湿度。Model 237 叶面湿度传感器根据感测值来显示非常微小的信号变化，所以LM358 OP-AMP（LM358运算放大器）是用来放大传感器信号准确的测量值的。

图3 供电电路原理图

图4 温度湿度传感器线路图

图5 叶子温度传感器电路图

图6所示为处理器的电路框图，使用 MSP430 MCU。它收来自传感器的温度、湿度、叶子温度、叶子湿度值，计算数据并将结果传输到发射接收电路(CC2420 RF Chip)。它是设计来连接XIN-XOUT引脚与32.768 kHz的时钟信号，从而实现低功耗模式。

无线通信模块(CC2420, Chipcon)是2.4G的Zigbee芯片，它可以胜任低功耗和低成本的传感器网络构建。它使用DSSS（直接序列扩频技术）方法和半正弦脉冲进行O-QPSK调制。它有250Kbps的最大传送速度。而且它有四个串行端口SI，SO，SCLK，和CSn，33配置/状态16位存储器，15命令存储寄存器，和两个8位发送/接收FIFO寄存器。

图6 MSP430处理器电路图

当温室环境数据超过预定阈值，中继节点会从基本节点接收控制指令并为设备响应提供能量。220V的电压应用于中继节点，另外节点通过SFS5-5 Converter获得5V的输出电压和通过LM1085-3.3稳压电路获得3.3V的节点电压。它（中继节点）通过把提供电源的信号接到由HANDOUK Co制造的HC3-1AT-5S继电器上，来操控窗口，通风机和加热器。当接受到来自使用2.4GHz的偶极天线的操作信号时，它会通过74HC08与门发送信号给继电器，并且当功耗和操作信号都在高电位时，通过74LVC244八位缓冲区（图7）。

图7 CC2420电路图

图8所示是中继节点的设计框图和具体实物图。它是使用高性能的HG2409PCL-SM 2.4Ghz天线连接传感器节点来接收平稳的继电器操作信号而设计实现的。稳定的功率提供对于传感器节点而言是必要的。对于中继节点，它接收220V的交流电压，并使用SFS5_5芯片转成5V的直流电压，以及使用LM1085-3.3芯片给节点提供稳定的3.3V电压。

当来自传感器的3.3V功率提供和信号通过74HC08与门共同作为输入，它发送信号给74LVC244。当它接收信号时，74LVC244是八位缓冲器，有传输信号的功能，并且它可以保护回路电流（图9图10）。信号通过八位缓冲器被送至HC3-1AT-5S继电器来提供电源。HC3继电器比普通的继电器要轻，有更加平滑的结构和拥有非常敏感的特点。

图8 中继节点框图和制造中继节点

图9 供电电路原理图

图10 中继电路图

4系统特点和应用

图11所示是一个安装在温室里的逻辑算法控制系统。这个系统可以补偿传感器和设定值之间不同的温度/湿度。在这个系统里，指定的空气温度（20—25）可以设置在作物的最适温度去监测，如：红辣椒。另外，这个系统可以通过使用叶子温度和叶子湿度持续时间来控制温室条件。为了保证传感器节点的精密操作，控制信号是基于来自几个设置在不同地点的传感器节点的测量数据的平均值设定的。

正如前面所提到的，这个系统有一个接受和储存温室环境信息的，在实时模式下和网页应用相链接的来自不同的传感器节点作物生态信息的，进而使得用户可以在任何地方访问温室环境信息的结构。

远程站点存储收集来自每个传感器节点的信息。而且，站点中存储的信息可以用图表的形式来呈现，通过信息图表，用户可以了解温室环境和作物的实时状态，进而用户可以在合适的时间采取正确的措施来应对任何问题。

图11 温室环境控制算法

图12所示把数据转换成图表形式。这个图显示了一个安装与未安装系统控制器的比较。正如你所能看到的，当系统安装器安装了之后，它能维持稳定的温度和湿度。

另外，这个系统允许用户通过网络服务器去访问读出存储在站点的数据。所以，用户可以更加高效的控制温室环境，以及可以使用存储的信息对未来进行分析和统计（图13）。

图12 随时间变化的传感器数据

图13 温室检测系统

5结论

最近，对于无线网络技术的研究非常活跃，它意味着，用户可以在普遍的环境中控制和监测远程站点环境。在农业中，测量与周围环境相关的各种数据或者土地环境信息对于作物产量是非常重要的。而且，在农业生产领域，大的农场和温室也引进了无线传感器网络这一角色。在本文中，这个温室控制系统就是基于无线传感器网络。相对于传统的主要收集和监测形如温度和湿度等环境数据的温室控制系统，文中提出的系统设计不仅是用来监测温室的内环境，还是用来

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