基于无线传感器网络的温室环境监测与自动控制系统设计外文翻译资料

附录B 外文原文

Design of Wireless Sensor Network-Based Greenhouse Environment Monitoring and Automatic Control System

Yongxian Song

School of Electronic Engineering,Huaihai Institute of Technology,Lianyungang,China

Email:soyox@126.com

Juanli Ma,Xianjin Zhang and Yuan Feng

School of Electronic Engineering,Huaihai Institute of Technology,Lianyungang,China

Email:soyox@163.com

Abstract

In view of the characteristics of green house environment monitoring system,which adoptsAtmega128L chip and CC2530 that is a low power RF chip from TI to design the sink node and sensor nodes in the WSN.The monitoring and management center can control the temperature and humidity of the green house,measure the carbon dioxide content,and collect the information about intensity of illumination,and so on.And the system adopts multilevel energy memory.It combines energy management with energy transfer,which makes the energy collected by solar energy batteries be used reasonably.Therefore,the self-managing energy supply system is established.In addition,the nodes deployment method and time synchronization problem are analyzed in detail.The system can solve the problem of complex cabling with the advantages of low power consumption,low cost,good robustness,extended flexible and high reliability.An effective tool is provided for monitoring and analysis decision-making of the greenhouse environment.Index Terms—wireless sensor networks,AVR single chip microcomputer,green house,time synchronization,no des deployment.

1. INTRODUCTION

The greenhouse agriculture is developing very fast with the increasing demand of fresh vegetables in the large and medium cities.It is a kind of place in which it can change the plant growth environment,create optimum condition for plant growth,and keep out of the environment changes and the influence of atrocious weather[5-6].On the basis of making full use of natural resources,greenhouse monitoring system obtain the optimum condition of plant growth by changing the factors of greenhouse environment such as temperature,humidity,intensity of illumination,carbon dioxide content and so on,and the purpose is increase crop yield,improve its quality,regulate growth cycle,improve economic benefit.Greenhouse monitoring system is a complex system,the different kinds of parameter in the greenhouse needs automatic monitoring,information processing,real-time control and on-line optimizing.In recent years,the greenhouse industry has got greater progress,and improved agricultural labor productivity.However,we have quite big difference with developed country in control system area.On the one hand,the introduction costs of foreign advanced control system are too high,and most of them are not suitable for the national conditions of ou country;on the other hand,The vast majority of existing control technology and equipment are backward in the domestic,equipment types is too simple,environmental regulation is limited,and it is difficult to popularize application.Therefore,the greenhouse control system that adapt to the development of Chinas greenhouse production would be developed.At present,the greenhouse cable monitoring system is relatively mature,the network topology structure evolved from that of centralized to that of distributed,for example,RS485 based measurement and control centralized structure and Field-bus(CAN BUS,PROFIBUS,LONWORKS,and so on)based measurement and control system is a distributed structure.Although the systemrsquo;s functions are more and more decentralized and the system has more and more distance[18-20],the most of greenhouse data acquisition systems adopt the wired collection way which is factitious or prewired.The workload is increased and real-time and validity of the data cannot be guaranteed by means of artificial.The monitoring control system which adopts the wired collection way is influenced by geographic position,physical circuit and complex environment and it is bounded clearly.With the appearance of low cost,low power dissipation sensor and the development of wireless communications technical,it is time to construct wireless greenhouse monitoring system,this will have great real significance to realize agricultural modernization[2-4].According to requirement of collecting greenhouse environmental message quickly and accurately,this paper explores deeply at some aspects,such as greenhouse monitoring and improve work efficiency.

1. THE OVERALL STRUCTURE OF THE SYSTEM

The greenhouse environment monitoring system based on WSN includes monitoring centre,sensor nodes and control equipments.Sensor nodes are deployed in greenhouse wherever,and preside periodic collection greenhouse environmental message and transmit tocontrol centre,it is constituted by Sink Node,Relay Node and Sensor Node.These data are handled and analyzed when control centre gains,then relevant decisions are made and send control message to greenhouse control equipment,which regulate greenhouse environment parameters to obtain best growth environment for crops.Modern greenhouse has very large size,and which adopt hierarchical system structure.Supposed that greenhouse is rectangular area,the measurement system overall structure is shown in Fig.1.

The greenhouse was divided into several same of greenhouse,each measurement and control area is managed by a base station,and is divided into many virtual grids and is non-overlapping.A number of sensor nodes are deployed in virtual grid and make a cluster,each cluster includes a cluster head(sink node)and some cluster member nodes.Cluster head generated from the member nodes through cluster head election algorithm,and cluster member nodes compose of sensor nodes which can collect environmental data and control nodes which can control actuators and adjust environmental parame

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附录A 译文

基于无线传感器网络的温室环境监测与自动控制系统设计

摘要

针对温室环境监测系统的特点，提出了一种基于无线传感器网络（WSN）的系统方案，采用Atmega128L芯片和TI低功耗射频芯片CC2530设计汇聚节点和传感器节点在WSN中。监测管理中心可以控制温室的温度和湿度，测量二氧化碳含量，并收集有关照明强度的信息，等等。系统采用多级能量存储器。它将能源管理与能源转移相结合，使太阳能电池收集的能源得到合理利用。因此，建立了自我管理能源供应系统。另外，详细分析了节点部署方法和时间同步问题。该系统具有功耗低，成本低，鲁棒性好，扩展灵活，可靠性高等优点，解决了布线复杂的问题。提供了一种有效的工具，用于监测和分析温室环境的决策。

1.介绍

随着大中城市新鲜蔬菜需求的增加，温室农业发展迅速。它是一种可以改变植物生长环境，为植物生长创造最佳条件，避免环境变化和恶劣天气影响的地方[5-6]。在充分利用自然资源的基础上，温室监测系统通过改变温室环境因素，如温度，湿度，光照强度，二氧化碳含量等，获得植物生长的最佳条件，目的是增加收成收益率，提高其质量，调节生长周期，提高经济效益。温室监控系统是一个复杂的系统，温室中的各种参数需要自动监控，信息处理，实时控制和在线优化。近年来，温室工业取得了较大进展，提高了农业劳动生产率。但是，我们在控制系统领域与发达国家有很大差异。一方面，国外先进控制系统的引进成本过高，大多数不适合我国国情;另一方面，绝大多数现有的控制技术和设备在国内落后，设备类型过于简单，环境规制有限，难以普及应用。因此，将开发适应中国温室生产发展的温室控制系统[20-21]。目前，温室电缆监测系统相对成熟，网络拓扑结构从集中式发展到分布式，例如，基于RS485的测控系统是集中式结构和现场总线（CAN总线，PROFIBUS，LONWORKS）等等）基于测量和控制系统是

一种分布式结构。虽然系统功能越来越分散，系统距离越来越远[18-20]，但大多数温室数据采集系统采用人工或预接线的有线采集方式。工作量增加，数据的实时性和有效性无法通过人工方式得到保证。采用有线采集方式的监控系统受地理位置，物理电路和复杂环境的影响，界限清晰。随着低成本，低功耗传感器的出现和无线通信技术的发展，现在是构建无线的时候了。温室监测系统，这将有很大的实际意义实现农业现代化的意义[2-4]。根据快速，准确地收集温室环境信息的要求，本文对温室等方面进行了深入探讨。

环境信息的收集，处理，传输，释放等，介绍了基于WSN的温室监控系统。在监控区域随机部署了大量的传感器节点，具有无线通信和数据处理能力的微小传感器节点构成了可以通过自组织网络完成指定任务的分布式智能监控网络，并使用协同网络实现感知，收集和处理网络覆盖的环境消息的方法，然后使用多跳方式通过Sink Node链路将检测数据从传感器节点传输到管理节点。相反，通过管理节点，用户可以继续部署和监督，发布和监控分配，收集WSN的监控数据[1]。该系统具有很高的实用价值，可实现大型温室监测的信息化和自动化，提高工作效率。

2.系统的整体结构

基于WSN的温室环境监测系统包括监测中心，传感器节点和控制设备。传感器节点部署在温室中，并主持定期收集温室环境信息并传输到控制中心，由汇点节点，中继节点和传感器节点构成。当控制中心获得时，处理和分析这些数据，然后做出相关决策并将控制信息发送到温室控制设备，温室控制设备调节温室环境参数以获得作物的最佳生长环境。现代温室规模很大，采用分层系统结构。假设温室是矩形区域，测量系统的整体结构如图1所示。温室被分成几个相同的温室区域，每个测量和控制区域由基站管理，并且被分成许多虚拟网格并且不重叠。许多传感器节点部署在虚拟网格中并构成一个集群，每个集群包括一个集群头（汇聚节点）和一些集群成员节点。通过簇头选举算法从成员节点生成簇头，集群成员节点由可以收集环境数据的传感器节点和控制节点的控制节点组成，可以控制执行器和调整环境参数。控制节点不参与簇头选举，它获取监控中心从簇头节点发送的命令并执行相应的控制操作。星型网络由簇头节点，传感器节点和控制节点组成，主要完成温室环境的数据采集和控制。收集的数据直接从传感器节点传输到簇头，集群节点通过多跳传输数据到基站，最后，基站将每个簇头节点数据传输到监控中心。基站是监控中心与温室WSN节点之间的中继站，通过管理全部实现网络控制单个温室测量和控制区域的节点。监控中心不仅是温室网络的总控制台，还是温室网络测控系统的数据中心，负责整个系统的控制和管理。

图1 温室WSN测控系统结构

3.绿色屋顶无线传感器网络节点设计

传感器网络节点是部署在WSN的研究区域中的对象，以便收集和转发信息，并完成指定的任务。因此，每个传感器节点不仅收集和处理数据，还具有无线通信的功能。温室无线传感器网络监控系统由两类节点，传感器节点和汇聚节点组成。传感器节点由处理器模块，无线通信模块，电源模块，传感器模块和位置设置开关组成，设置自身的物理位置信息。宿节点由处理器模块，无线通信模块，连续供电模块和串行接口通信模块组成。

A:传感器节点模块设计传感器节点主要由处理器模块，无线通信模块，传感器模块，位置设置开关和能量供应模块组成。其结构如图2所示。传感器模块负责监控区域的信息采集和数据转换，根据应用要求，可选择温度传感器，湿度传感器，光传感器，二氧化碳浓度传感器等。处理器模块负责控制所有传感器节点的操作，存储和处理节点的收集数据或由其他节点转发;无线通信模块负责无线通信，交换控制信息和该节点与其他节点之间的收发器获取数据。位置设置开关用于在温室中设置传感器节点特定的物理位置。能量供应模块可以提供传感器节点工作所需的能量，本文采用太阳能自供电模块进行节点供电。

图2 传感器节点结构图

B.接收节点模块设计

Sink节点主要完成通信网络内传感器节点数据采集与融合，实现上下行通信协议转换。它发布了管理节点的监控任务，收集的数据通过串口转发到外部网络。它不仅是一个增强的传感器节点，而且是一个没有监控功能且只有无线通信接口的特殊网关设备。其结构如图3所示。它由电源系统，存储器模块，处理器模块，节点通信模块，串行接口通信模块等组成。由于汇聚节点需要处理大量的传感器节点数据，并且工作时间较长，睡眠时间较短，因此电池的能量不足以满足汇节点的能耗，因此，汇聚节点的太阳能自供电模块项目本文采用的是。

图3 接收节点结构图

C.太阳能收集和能源管理模块

为了解决传感器节点的能量供应问题，本文采用太阳能供电系统，结构如图4所示。图4表明电源模块具有集电，储能，备用能量内存，电源管理和控制部分。能量收集器由太阳能电池板组成，负责将太阳能转化为电能;储能包括主要水平储存的能量，由超级电容器组成，负责存储收集的太阳能并为无线传感器节点供电;由锂电池组成的备用能量存储器，在实际应用中，采用锂聚合物电池在长时间无光或系统紧急情况下供电;电源管理和控制部分负责监测主要和次要能量存储器和备用能量存储器的能量状态，根据状态，能量存储器用于为系统供电和控制太阳能为自己增加能量。和控制太阳能为自己增加能量。在这个系统中，聚合物锂电池容量为300mA.h，在实际应用中，根据实际情况，选择了足够容量的电池[11]。传感器节点连续工作1d的供电性能测试如图5所示。

图4 太阳能自供电模块结构

1. 超级电容器和聚合物锂电池的电压曲线

1. 图5 传感器节点的电源开关图

IV.系统软件设计

A.软件设计

系统软件程序采用模块化设计思想，主要由温室数据采集系统和无线控制系统组成。数据采集系统使用无线传感器节点收集周围环境的信息，并通过组合无线网络将数据传输到汇聚节点;然后汇聚节点发送融合到控制器的数据;同时，汇聚节点从控制器接收指令，并再次将命令转发给传感器节点。系统软件的工作流程如图6所示。

图6 系统软件流程图

B.节点部署问题

传感器技术，数据处理和无线传感器网络等通信技术的集成一直受到所有研究人员的高度重视，它也是移动节点智能化，小型化和大规模网络化的方向，但作为分布式系统，支持合理节点部署和时间同步是非常必要的。在分布式系统中，不同的传感器节点有自己的本地时钟，温度变化和不同的环境会使节点时钟频率漂移。即使每个节点一次实现时间同步，在其工作时间较长之后，由于频率漂移，节点将累积一定的时钟偏差，并且它与参考节点的时钟不一致。因此，需要有一个良好的时间同步机制来确保每个节点和参考节点之间的时钟同步。特别是在传感器网络，时分多址（TDMA）和多节点数据中融合技术都需要良好的时间同步机制。

1.集群网络形成

现有的WSN聚类算法，LEACH是一种比较成熟和常用的聚类算法[12]，但它是均匀聚类，边缘区域的一些低能量节点也可以选择为簇头，此时它们的能量很快就会耗尽，导致网络无法正常运行，因此本文采用基于LEACH的非均匀簇头选举算法构成网络的集群结构。

2.簇头选择

采用完全分布式机制，传感器的工作过程分为周期轮次，每轮由两个阶段组成，即集群建立阶段和稳定阶段。算法可以保证将具有大剩余能量的节点作为簇头的概率更大，并且延长了网络生命周期。假设阈值为T(n)，并且节点生成0到1之间的随机数，如果T(n)小于随机数，则它是当前轮次的簇头节点。

T(n)的设置如下。

那里和是能量节点，是节点的初始能量，是所有节点所需的簇头节点的百分比;

是当前的轮数;是在最终轮次中不成为簇头节点的节点集合。

3.集群形成

选择簇头后，网络被组织为广度优先生成树拓扑，根节点基于时间参考节点。每个节点都有一个跳转距离可变级别到达时间参考节点，唯一时间参考节点的级别值为0，其他节点是无限的。根据以下两个步骤建立拓扑：第一步，时间参考节点发送拓扑建立的数据包，如果接收的节点是簇头节点，则将该级别设置为1，否则，不响应。第二步，簇头节点向普通节点发送拓扑建立的包，对于接收i层包的节点，首先，i与自身级别进行比较，如果i小于该级别，他们的等级将被设定i 1，否则，它被丢弃。重复该过程，直到所有节点都被赋予适当的级别。值得注意的是，如果普通节点收到多个节点组，其等级等于其父节点，然后与其功率级别进行比较，并选择最强的电源节点作为其父节点。在完成簇头选择并建立广度优先生成树拓扑之后，将网络划分为多个簇，每个簇由多个簇成员节点和簇头组成。

C.同步算法设计

考虑到无线传感器网络中时间同步误差的来源，并且为了解决一般同步方法中存在大量信息的问题，提出了一种基于信息交换的方法，并维护整个群集节点。通过补偿簇头节点的每个节点来同步。在簇头节点成对完成与簇中的节点的同步之后，通过使簇头节点估计每个节点的偏移时间来维持时间同步精度。系统主要分析集群中的节点同步过程，并将集群头节点作为第三方节点，即集群头节点完成其他节点的同步。在每个同步周期中，同步过程将分为两个阶段，第一阶段是参数估计，它需要完成两个任务，即通过信息换估计和存储节点的初始同步和必要参数。第二阶段是时间维护阶段，在初始同步完成之后，通过簇头节点定期或不规则地补偿簇中节点的时钟。补偿程序如下。

(1)在群集中的每个节点与簇头节点之间成对完成时间同步。

(2)簇头节点向每个节点发送同步消息。

(3)每个节点接收簇头节点同步消息，每个节点将估计的频率偏移值发送给簇头，并同时发送本地时间。

(4)簇头节点接收消息，并填写“时间同步表”。

(5)簇头周期性地计算时间偏移，并且发送到每个节点，每个节点在接收之后校正时间。

(6)完成同步周期并重复步骤1到5。

V.实验和模拟

A.实验验证

我们使用的节点如图7所示，传感器节点放置在温室环境中，在实验中，我们选择了三个公共节点和一个网关节点。三个公共节点分别与传感器连接。网关节点通过串口与计算机连接在一起。

图7 物理图

在系统中，我们通过数据采集验证系统的可行性，并选择三个节点进行10个默认温度的数据采集测试，设定温度为8,11,12,15,18,22,23,25，分别在图27,30中，每个节点的测试温度数据如图8所示。通过分析测量的温度数据，它表明每个传感器节点对温度变化的响应更好，并且传感器节点仅具有一些原始误差。湿度的变化可以用相同的方法测量。正确收集和传输温度和湿度数据表明该系统可靠，可行。

图8 节点温度数据的测试模式

1. 仿真结果和分析

本文提出的同步算法由仿真工具NS2评估。首先，NS2的配置如下：双直径地面传播模型，增益全向天线模型，IEEE802.15.4MAC层协议等，以及通信能量，分组类型，MAC时间戳类型和轨道类型等模块。如此修改，在仿真环境50mm乘以50mm的环境里。100,120,140,160,180,200,220,240，分别对260个节点和无线通信距离设置为10 m，分别对该算法和TPSN算法进行了仿真。整个网络采用聚类算法进行聚类。仿真结果如图9所示。图9表明，所提出的算法比TPSN需要更少的同步开销，主要是因为簇头节点在同步周期中只需要一次信息交换，因此减少了开销，当节点更多时，优势更明显。

图10 与TPSN时间精度图表相比较

图11 每个集群的平均同步精度

VI.结论

根据现代温室生产的特点，将无线传感器网络应用于温室测控系统，将无线传感器网络技术与温室控

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