GSM网络温室环境监测.docx
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GSM网络温室环境监测
第一章序言
1.1课题的研究背景
目前，国际上农业数字化程度很高的国家，像日本、以色列、美国、荷兰等国，其温室环境监控技术已经相当先进，可根据不同作物的营养特点和不同阶段的生长需求，对温室内的温、光、水、肥、气等诸多因子进行自行调控，达到了对多种环境因素综合控制的水平。
我国作为农业大国，有着极为悠久的温室种植业发展历史。
但是长期以来我国的温室环境的监控工作都依赖于人工凭借经验进行的管理。
人工的经验性管理不但量化效果差，所需劳动量大，对栽培管理人员的素质要求高，而且其调控效果的稳定性，准确性以及实时性也较差。
加上我国农业机械化基础薄弱，温室种植业的一次性投资大，以及一家一户的个体农业产业经济规模小等现实情况，使得我国的温室设施的研发面临的问题既具有普遍性也具有特殊性。
因此，研发出满足我国温室精细农业实际需要的温室监控设施对于我国温室种植业的发展以及我国农业的数字化进程都有着广泛而深远的意义。
但我国的温室监控技术的发展却起步相对较晚。
从上世纪80年代开始，国内一些高校和院所在对引进的国外温室监控设施进行研究的基础上，开始对蔬菜生长的环境控制问题展开试验和研究。
“九五”攻关项目中，在国家科技部提出的工厂化高效农业示范工程的号召下，相关单位启动了有关温室设施及其配套设备的研制课题，这才使得我国在温室结构与环境监控方面的研究在短时间内取得了较快的发展。
到现在为止，我国的温室大棚建造面积已跃居世界第一，成为世界上最大的蔬菜保护地生产区域。
从目前国内外相关领域对温室环境监控技术的研究来看，国外的特点是系统大、功能全，自动化程度极高而且正朝着无人化的方向发展。
但这些温室环境监控系统一次性投资费用都比较大、设备维护也较为困难。
这些都不符合我国农村劳动力过剩的现实状况和我国农业中小规模化经营的发展特点。
国内基于有线的温室环境监控技术相对比较成熟稳定，单因子温室监控系统做的比较好，而多因子综合的温室环境监控系统还有待继续深入。
而且采用有线方式进行组网的监控系统，其控制线和动力线错综复杂、可靠性低、安装维护工作量大，不利于自身的推广和普及，也不利于农业机器人等移动设备作业，难以达到温室生产的“工厂化农业”水平。
同时，传统有线温室监控系统可扩展性差，测试精度不够高。
此外，由于温室环境的特殊性——一定的酸性度、高湿热度、强光照度，使得通信线缆很容易腐蚀和老化，从而降低了系统的可靠性和抗干扰性。
总之，国内现有的技术上较为成熟基于有线的以及单因子的温室环境监控系统不利于进一步提高温室的自动化和智能化水平，也不利于提高现代化温室的利用效率和温室产业的经济效益。
因此，利用无线传感器网络对温室进行实时的多因子的综合监控是温室环境监控技术发展的必然趋势。
近些年，随着电子科学技术的迅猛发展，不少的研究者已经将各种无线通信技术应用于温室领域。
如基于蓝牙技术的分布式温室测控系统，基于Wi-Fi技术的温室环境监控系统，基于GPRS的大棚环境远程监控系统以及基于Zigbee技术的温室环境信息监控系统等。
但这些无线通信技术有的成本较高，有的功耗较大，留有的扩展余地大多比较小，不满足我国温室农业的发展要求，从而也就影响了其在温室环境监控领域的大规模的推广、普及及应用。
1.2研究本课题的目的和意义
针对目前温室环境监控领域的研究现状，结合现阶段我国温室农业发展的特点和要求，考虑到我国农村剩余劳动力多，一家一户的个体经营模式规模小等特点，设计一套真正适合我国温室种植业个体经营的现状的温室环境监控系统，使得系统更实际、更好用、而且低成本，已经成了我国温室农业发展亟待解决的一个问题。
本设计在充分发挥无线通信技术在温室环境监控领域的优势的基础上，经过比较权衡，采用无线通信技术中成本低、功耗小的ISM无线射频通信技术（CC1100），发挥其成本低的优点，同时在软件和硬件设计上充分考虑到系统的低功耗，组成无线传感器网络，同时辅以上位机、GSM模块分别实现本地监控和远程监控，使得本设计在我国的温室农业中具有较高的实用价值。
我国是农业大国，农业的发展关系到国计民生。
如何更好的服务三农，让科学技术走进田间地头，带动我国农业产业的数字化发展，应该是电子科学技术和现代控制技术所要重点发展的一个方向，是工业反哺农业的一条必经道路。
党和政府历来重视农业的发展。
特别是近年来，连续几年中央一号文件的下发更进一步把发展农业经济，提高农业劳动生产力，增加农业劳动的科技含量作为国家和政府的重点投资焦点。
本设计所采用的无线传感器网络（WSN）技术可在任何时间、地点和环境下获得所要监控的信息，被广泛应用于军事与国家安全、医疗健康、环境监控和农业自动化等诸多领域。
温室作为高投入、高产出、高效益的集约化生产方式，是设施农业的一个重要发展方向。
也是现代化精细农业特别熟果蔬栽培的发展趋势，因此极其有必要对温室环境进行监控。
温室环境监控系统根据不同作物的营养要求及不同阶段的生长特点，通过监控并调控温室内的环境参数来获得作物生长的最佳条件，从而增加作物产量，改善农产品品质，调节并缩短农产品生长周期、提高温室大棚农业的经济效益。
本课题介绍使用的ISM射频芯片（CC1100），将先进的无线传感器网络技术应用到温室环境监控系统并构造出多级短距离无线网络系统模型。
以飞思卡尔单片机为开发平台，结合ISM射频芯片（CC1100）技术进行组网，形成无线传感器网络（WSN）。
每个子节点将所测环境参数值通过无线网络发送给主节点，在主节点处进行数据汇聚；再由主节点将数据发送给GSM模块同时上传给上位机，进而实现远程监控和本地监控；最终，形成了整个温室环境参数监控系统。
真正的将电子技术和现代控制技术服务于农业，为农业增产，为农民增收。
第二章系统设计方案的研究
2.1系统的设计目标及理论依据
众所周知，温室环境具有湿度大、酸性强、基础设施少、作物种类多且动态变化等特点。
通过我们的调查分析，实际的温室农业的自动化生产中对温室环境监控系统的应用要求主要包括对大气温湿度、土壤温湿度、光照强度等环境因子进行实时采集;采用低成本、低功耗的无线通信方式对采集的数据进行实时传输和汇聚;为用户提供直观的系统管理平台,完成传感器管理、环境信息存储和分析处理等功能。
在本设计中，主要进行温、湿度参数的采集、管理和监控。
我们通过查找相关资料和做实验得到，温度是影响园艺植物生长发育的最重要的环境因子,它影响着植物体内一切的生理变化,是植物生命活动最基本的要素。
植物只有在一定的温度范围内才能够生长。
温度对生长的影响是综合的，它既可以通过影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可以通过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响植物的生长，还可以直接影响土温、气温，通过影响水肥的吸收和输导来影响植物的生长。
因此我们以温度参数为主要的监控对象，通过监控温室内空气温度，土壤温度，棚顶温度以及温室内外温差对温度进行全方位多角度监控，同时辅以对湿度的监控，从而使得温室环境能更适宜农作物的生长，缩短其生长周期，提高产量，降低成本，最大限度的扩大温室种植农业的经济效益。
根据此要求，结合当前已经研发出的温室环境监控系统的优点及不足，在本设计中我们将单片机技术与无线传感器网络技术、ISM无线射频通信技术、GSM通信技术相结合，设计出了一套低功耗、低成本、组网灵活、可扩展性强、人机界面友好、可方便进行现场和远程监控管理的温室环境监控系统。
该系统主要以微处理器MC9S12XS128B为开发平台，利用ISM无线射频芯片CC1100实现无线传感器网络的网内通信，同时以GSM模块为基础，实现远程监控管理，在此基础上开发出上位机进行本地监控管理。
首先选用HU-10S温湿度传感器采集温室内最为关键的环境因子——温湿度参数值；然后以Freescale单片机为核心，加上液晶显示模块，太阳能电池模块形成单个子节点；温室内子节点间利用CC1100无线射频进行无线通信；继而实现将各个子节点的所监控到的数据汇聚到主节点，从而组成无线传感器网络（WSN），实现主节点对整个无线传感网络的管理。
由此无线传感器网络所采集的温室环境参数值有主节点进行判断，一旦监控到参数值异常或是节电工作异常则由主节点启动GSM模块，再由GSM模块将异常情况及时报送到种植人员手机的SIM卡上；另一方面，主节点实时的将数据上传给上位机，最终由上位机接收，存储，管理，记录这些数据并在其界面上以曲线形式进行统计显示，从而让种植人员能很方便的观察到近期一段时间内温室各项环境指标的统计规律，更为科学的指导农业生产。
GSM模块可以直接和SIM卡以短信息形式进行通信。
就目前而言，手机已达到“人手一机”甚至“人手多机”的普及程度，种植人员可以利用现有的移动通信设备方便的进行远程移动的温室环境监控。
另外，随着国民经济的快速发展，PC机的普及程度也越来越高。
针对这一现实状况，我们也开发出了上位机界面，在利用GSM模块进行远程监控的同时，也可利用上位机进行本地监控，启动加热、降温等相应温室环境调控设施。
提供两种不同的监控方式，就为不同经济能力的温室种植人员提供了多个选择，全方位多层次的进行数据的管理。
考虑到发短信的资费，GSM模块在正常情况下并不向种植人员发送短信，只有当主节点判断温室环境参数越限（温室环境参数和预设值差值较大，超过预设适宜范围）或是某个子节点工作异常时，向种植人员发送短信，从而让种植人员及时地了解到温室环境信息的较大波动，并通过GSM发短信或是上位机上点击相应按钮启动温室相应的调控设施（如风扇、电炉、加湿器等）,通过这些调控设施使得温室环境参数始终处于最适宜作物生长的范围内。
这样就更为可靠且有效地保证了种植人员能够“足不出户”的随时随地的了解到当前温室环境状态，并及时采取相应措施进行调控。
温室作物和温室设施投资较大，而根据我们的调查，农村的温室周围经常有牲畜及禽鸟出没。
因此，为避免牲畜及禽鸟破坏温室农田设施和温室作物，我们在节点上添加了热释电红外传感器，当它感受到牲畜的红外辐射时就会启动警示灯和蜂鸣器，利用警示灯闪烁的红光和刺耳的蜂鸣器叫声把将要对温室造成破坏的牲畜和禽鸟驱赶走，从而避免给种植人员造成不必要的损失。
本系统最终达到的设计目标为：
（1）自组的主从分布式的无线传感器网络可对数据进行可靠采集；
（2）控制终端和监控中心（上位机）之间向上实现可靠的数据传输，向下实现实时有效的控制信息的传输；
（3）子节点对数据的实时集中精准处理；
（4）监控数据的记录，存储，管理及动态显示；
（5）出现异常时的智能化调控处理。
据此，我们的温室环境监控系统的整个网络架构如下图2-1所示：
图2-1温室环境监控系统网络结构图
2.2系统的硬件设计方案
本系统最终所具有的功能为：
各子节点最前端的传感器实时采集温度、湿度等参数，实时监控温室内的环境状况，采集数据后通过子节点的控制器MC9S12XS128B进行前期预处理，并通过无线以预定义信息格式发送至主节点；主节点由微处理器MC9S12XS128B、无线接收模块、LCD液晶显示，太阳能电源等模块组成；主节点利用无线通信模块接收子节点发来的数据并进行实时的显示的同时将上位机或GSM模块下发的控制信息发送至相应子节点，再由子节点打开相应固态继电器启动调控执行设施，从而形成主从分布式系统。
协调器（主节点）和上位机、GSM模块间进行串口通信；当发生异常时，主节点经判断后通过GSM模块向种植人员短信提示并在上位机界面上作相应的预警提示以提醒种植人员及时采取措施，从而实现远程监控和本地监控。
明确了系统所具有的功能后根据功能需求我们进行如下的系统的硬件设计。
系统所选用的MC9S12XS128B微处理器具有低功耗、高性能，而价格相对低廉的特点，是汽车级别的微处理器且内部集成有CAN模块，抗干扰能力强且以后扩张性比较大；采用的CC1100射频芯片开发容易，成本低，可以方便的和各种微处理器结合；添加的GSM模块可以和SIM卡进行通信，尤其是可以方便的进行双向通信，从而实现种植人员向下面的各个节点发送控制信息的功能，使得本设计集温室环境的监测功能和控制功能于一身。
也就是说，不仅能进行温室环境参数的监测，同时还可实现对温室环境进行智能控制。
根据这些系统要实现的功能要求特点，硬件部分主要分为两部分，一部分是主节点的硬件设计，另一部分是子节点的硬件设计。
主节点的主要硬件部分包括微处理器模块、无线通信模块（CC1100）、TC35i（GSM）模块、太阳能蓄电池模块以及12864液晶显示模块等。
子节点的主要硬件部分由微处理器模块、无线通信模块、传感器数据采集模块（HU-10S），调控设施以及1602液晶显示模块和太阳能蓄电池模块等组成。
（1）对主节点（即父节点）来说进行数据的上行和下行传输，主要具有以下两项功能：
①作为主从式分布网络中的协调器，主节点用于实现各子节点与上位机以及GSM模块间的通信。
通过CC1100接收子节点数据，一方面经判断条件后传送给GSM模块，再由GSM将数据以短信息的形式报送到种植人员SIM卡上；另一方面将接收的数据无条件的传送给上位机，在上位机上进行记录、存储和统计。
同时又将数据实时显示在主节点自带的12864液晶显示屏上，当种植人员在田间劳作时可方便的通过观察主节点上液晶显示的数据判断是否需要进行相应的适当操作。
这是主节点通过和监控管理平台的上行通信实现监测功能。
②主节点还可把用户通过上位机或手机下发的控制信息发送至相应控制终端，由控制终端启动相应执行机构进行参数补偿，从而使温室的环境参数始终处于适宜作物生长的范围内。
这是主节点通过下行通信传输控制信息从而实现的对温室环境的智能调控功能。
（2）对子节点来说，主要实现数据采集、预处理功能和控制执行机构的功能：
①作为整个网络的最前端子节点主要完成数据采集功能。
子节点以Freescale单片机为核心部件，利用各种传感器，完成对温室环境数据的采集、A/D转换等预处理，同时在节点自带的1602液晶显示屏上显示该节点的温度值和光湿度等级。
②作为整套系统最底层的控制终端，子节点一旦接收到来自上位机、GSM模块以及键盘发下发的的控制信息时，就会控制固态继电器启动相应执行机构（电炉、风扇、灯泡等），补偿调控越限环境参数，实现对温、湿度的智能化控制。
（3）无线通信模块采用ISM射频芯片CC1100，通过设置收发数据的参数，完成数据和命令信息的无线发送与接收。
采用无线通信进行数据的传输，提高了数据传送的实时性，且使得节点安装、维护方便，网络的可扩展性增强。
CC1100芯片与其他无线通信技术比较起来不但开发简单，更为重要的是成本低。
这将在第三章做具体的比较。
在此基础上，我们继续深入，开发出了遥控器。
用键盘结合现有的上位机，GSM模块三者分别实现现场监控、本地监控及远程监控。
这样，就可完成同时从不同角度、不同层次、有侧重点的对温室环境进行全方位的最佳控制调节。
（4）GSM模块主要是把从无线自组网络中的协调器传送过来的数据进行打包，以短信息的形式发送到种植人员的SIM卡上。
考虑到短消息的资费问题，我们在确保种植人员能及时充分的了解温室环境异常情况的同时又最大限度的减少短消息发送次数的前提下，约定仅在两种情况下发送短消息：
①温室环境内某个参数异常的情况下发送短消息。
也就是说当温室内的某个环境参数越限，如温度值和预设的最佳温度值的差值超过一定范围（比如说±3℃）时，GSM模块及时向用户手机的SIM上发送短信息进行异常情况报送。
种植人员可通过回复短信息向节点发送控制命令，进行温室环境的自动化调节。
温室内某个子节点工作异常的情况下发送短消息。
当温室内的任一子节点由于设备出现故障或其他原因不能正常进行无线通信收发时，则由GSM模块将此情况报送给种植人员，从而提醒种植人员及时采取相应的措施，保证网络的连通，及时避免由于子节点的工作异常给用户造成的不必要的损失。
（5）我们在本设计开始的初期，自己利用木板、竹竿、塑料薄膜在实验室内搭建了一个小型温室大棚，在大棚内种植了三叶草等植物，从而观测并人为地调节温室环境的温度和光湿度。
通过为期几个月的观测记录得出了有利于三叶草生长的最佳环境参数，并总结出了在温室环境下进行加热/降温，提高/降低光湿度的可行性办法。
虽然比较简陋，但这为我们后来的一系列实验、设计奠定了良好的实验条件设施。
（6）液晶显示模块。
各个子节点可分别显示本节点当前的环境参数值。
另外协调器的液晶显示模块可显示各个节点的当前环境参数。
种植人员在田间劳作时可以很方便而直观的通过液晶显示的数据了解到当下温室环境的具体状况。
（7）在供电上，考虑到温室环境的特殊性，一般现代温室的寿命都在3-4年,因此普通供电电池远远不可能提供这么长时间的供电。
在软硬件设计低功耗的基础上，我们采用太阳能电池板代替传统电源给整个系统进行供电，绿色、经济、环保、清洁。
综合考虑以上各个模块的功能要求，最终设计的硬件结构框图如下图2-2所示：
图2-2系统的硬件模块框图
2.3系统的软件设计方案
软件设计方案是以上述硬件电路设计方案为基础的，主要分为主节点和子节点的程序设计以及上位机程序设计与实现。
其中主要包括无线通信模块、数据处理模块、GSM模块的程序设计和实现。
程序设计采用C语言编写，编程环境主要是集成MC9S12XS128编译器的FreescaleCodeWarriorIDE集成编译环境。
其中无线通信模块的程序设计主要负责实现整个无线传感网络中的数据/命令的传输。
即子节点所采集到的数据的上行传输与主节点接收到的控制信息、遥控器发出的控制信息的下行传送。
该温室环境监控系统的主、从节点软件设计流程图如下图2-2-1和图2-2-2所示。
图2-3主节点软件设计流程图
图2-4子节点软件设计流程图
上位机采用直观、简单、易于操作的图形界面。
在本设计中上位机是在VisualBasic6.0环境下开发出的。
界面上可形象地分别不同颜色的曲线显示最近一段时间各个节点所采集的参数值，直观地体现其统计规律（如波动大小，变化中心值等），从而方便种植人员对近期温室环境状况做出评估；上位机还可把每个节点采集到数据在数据库中进行存储，方便种植人员随时可以将近期的环境参数调出查看；同时上位机可反映每个子节点当前所处的工作状况；另外还可通过上位机直接给各个节点发送控制命令，直接启动执行机构进行调控补偿，从而调节温室环境的温度及光、湿度。
第三章常用无线通信技术介绍
3.1概述
常用的无线通信技术有蓝牙技术、红外技术、Wi-Fi技术、Zigbee技术和ISM射频芯片技术这五种短距离无线通信技术，它们各有各自的优缺点和适用领域。
根据该温室环境监控系统的应用特点和功能要求以及各种短距离无线通信技术的特点，最终选用ISM射频芯片通信技术作为本设计的无线通信方案。
在最初的设计中，我们曾考虑过使用CAN总线进行通信。
因为当前CAN总线通信技术已经较为成熟，开发容易，实现起来简单，也有很多可供查询的资料。
但当下采用有线方式的温室环境监控系统已经研发出各种类型，它的缺点是显而易见的，在前面摘要中也有所提及。
最重要的是，它难以在实际的温室种植业生产中得到推广和普及，不利于进一步提高温室的自动化和智能化程度、提高现代化温室的利用效率，因此我们否定了这种方案。
而在协调器父节点和上位机的通信中我们则至始至终都采用了串口通信技术，因为RS-232串口技术目前已被广泛应用于上位机和协调器之间的通信，不但使用简便，成本低廉，技术上也更为可靠和成熟。
短距离无线通信技术的应用是多种多样的，采用的标准也是多种多样的。
在本文所设计系统中，由于核心采用了短距离无线通信方式进行数据及命令信息的传输，所以在本章有必要对短距离无线通信技术做一下比较，然后提出适合本系统的解决方案。
3.2短距离无线通信技术
近几年随着无线通信技术与计算机网络技术的发展，形成了许多无线连接标准与技术。
短距离（微功率）无线通信则专门针对有效辐射功率（EIRP）≤10mW,通信距离在几十米到几百米的范围内的无线通信技术而言。
它们主要使用全球通用的ISM（工业、科学、医学）频段，这部分频段在全球大部分国家都得到了官方的使用许可，只要在许可的功率范围之内，都可以自由使用，只需通过相关的认证，而无需提出申请。
当前主流的微功率无线通信技术分为蓝牙技术、红外技术、Wi-Fi技术、Zigbee技术和ISM射频芯片技术，根据它们的特点在不同领域有着广泛的应用。
3.2.1蓝牙通信技术
蓝牙（Bluetooth）是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数据通信技术标准。
其通信介质为频率在2.4-2.4835GHz之间的电磁波。
第一代蓝牙技术的数据传输带宽为1Mbps，而第二代则达到了10Mbps。
当发射功率为100mW时，适合移动电话，笔记本电脑等经常变动环境的设备。
蓝牙技术具有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网（Piconet），多个微微网之间也可以形成分布式网络（Scatternet）,从而方便、快速的实现各类设备之间的通信，但一个微微网同时连接的设备个数不能多于8个，当多于8个时只能通过建立多个微微网，利用跨微微网进行设备连接会造成速度下降。
目前，蓝牙技术的应用成本较高，普及难度较大。
3.2.2红外通信技术
红外线是波长在0.75μm至100μm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。
红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75μm至25μm之间。
红外数据协会（InfraredDataAssociation）成立于1993年，是致力于建立红外线无线连接的非营利组织，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在0.85μm至0.9μm之内。
起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2Kbit/s速率传输数据，很快发展到4Mbit/s的速率，后来，速率又达到了16Mbit/s。
目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。
IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。
它还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用等特点。
此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。
IrDA的不足在于它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。
3.2.3Wi-Fi通信技术
Wi-Fi（WirelessFidelity,无线保真）通常是指IEEE802.11b,802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用2.4GHz的ISM频段，802.11b协议主要工作在OSI（OpenSystemInterconnectReferenceModel）的物理层和数据链路层，其数据传输速率可根据环境在11MBit/s、5.5MBit/s、2MBit/s、1MBit/s之间自动切换，有效通讯距离100～300米。
802.11b无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP，就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有的网络资源，像使用局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。
802.11b具有有线等价保密机制WEP（WiredEquivalentPrivacy）确保数据安全，具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。
3.2.4ISM射频芯片
ISM射频芯片一般使用单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，一般射频芯片采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议
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