無線溫室監控系統

無線溫室監控系統由無線測量節點與執行器節點、匯聚節點和後台管理系統三層組成。測量節點採集數據並通過匯聚節點將數據轉發給後台管理系統。測量節點由51 兼容的射頻soc 晶片nrf9e5 來實現；執行器節點採用基於arm?cortextm-m3 的微控制器lms3s1968 和無線收發器nrf905 組成；匯聚節點採用處理能力更強的arm9 和無線收發器nrf905 組成。

基本介紹

無線溫室監控系統採用基於arm?cortex™-m3 的lms3s1968 微控制器和無線收發晶片nrf905 設計了執行器節點。從硬體和軟體兩個層面進行研究，根據無線通信系統特點設計了系統的硬體、軟體，並進行了調試和試驗運行；採用μc/os-ii 嵌入式實時作業系統作為無線感測器網路節點的作業系統。系統具有可靠性高、可方便擴展通信節點容量等優點。

軟體設計

（1）μc/os-ii嵌入式實時作業系統 　隨著無線感測器網路的廣泛套用，節點構成的變化是巨大的。因此無線感測器網路節點上的嵌入式作業系統必須具備好的移植性。與通用的作業系統相比，嵌入式作業系統具有如下一些特徵：小巧、實時性、可裁減性、固化代碼、穩定性。針對不同的處理器類型，存儲器容量和實時性需求，有不同的嵌入式作業系統。ucb 為mica 系列感測器網路產品開發了一套微型的作業系統tinyos；清華大學也開發出了一種靈活的低成本無線感測器網路節點 flows，它的單片機採用ti 公司的msp430，移植了uc/os-ii 作業系統，無線傳輸晶片採用nrf905。 　μc/os-ii 是一個簡單、高效的源碼公開的嵌入式實時作業系統核心。其大多數函式調用和服務的執行時間具有可確定性；具有可搶占的實時多任務調度系統功能，而且提供了用於任務間同步、互斥、通信的系統服務。這些功能可以根據不同需求進行裁減，它的最小化核心能編譯到2 kb，目前已經被移植到x86、arm、powerpc、mips 等眾多體系結構上。基於短小精悍、可移植性強的特點，μc/os-ii 很適用於無線感測器網路節點晶片。相比較於tinyos，uc/os-ii 提供了更加完善的任務調度和任務通信機制，並且採用標準的c 語言設計，從而可以更加方便的移植與調試。 　（2）μc/os-ii 在lm3s1968 上的移植 　lm3s1968 片上具有高達256kb 的單周期flash 和64kb 的單周期sram，因此，不需要外擴存儲器就可以滿足μc/os-ii 代碼對容量的要求。 　μc/os-ii 在lm3s1968 上的移植，由用戶層、中間件層、μc/os-ii 源碼層、μc/os-ii移植層和驅動庫層等五個層次組成。 　①用戶層的user 目錄存放用戶代碼與設定。其中main.c 檔案是用戶編寫任務的地方，如通風控制、光照強度控制等任務；main.h 定義任務的堆疊大小、優先權等。os_cfg.h是μc/os-ii 的配置檔案，用戶可根據需要修改其內容。includes.h 是總的頭檔案，除μc/os-ii的源碼外，所有“.c”的檔案都包含它，這樣用戶所需的頭檔案和其它聲明只需在includes.h中聲明一次就行了。 　②中間件層的middleware 目錄存放用戶自己編寫的中間件，如uart0.c、uart0.h 串口通信中間件等。 　③μc/os-ii 源碼層的μc/os-ii \source 目錄存放μc/os-ii 的原始碼（除ucos_ii.c 外的全部“.c”和“.h”的檔案）。用戶只要把源碼複製到此目錄，不需對源碼作任何的修改。 　④μc/os-ii 移植層的μc/os-ii \ports 目錄存放μc/os-ii 基於lm3s1968 的移植代碼，包括os_cpu_c.c、os_cpu_a.asm 和os_cpu.h 等三個必要的檔案，用戶應根據處理器來改寫這三個檔案，使之能夠移植到相應的處理器上。target 目錄中的startup 檔案是lm3s1968 的啟動代碼和中斷向量表，用戶要在其中加入需要的中斷服務函式的首地址；target.c 和target.h 提供lm3s1968 初始化函式targetinit()和其它外設控制函式。 　⑤驅動庫層是直接面向硬體目標板的層。一般來說，除μc/os-ii 外，其它代碼都要直接或間接通過它訪問硬體。

節點間的通信

後台管理系統與節點的通信途徑為：後台管理系統←→internet←→匯聚節點←→測量節點或執行器節點。後台管理系統以ip 數據包形式通過internet 傳送到匯聚節點的數據包括目標節點編號、控制命令。測量節點和執行器節點採取統一編號方式，控制命令為要求測量節點上傳採樣數據，或要求執行器節點執行命令要求的動作（即控制設備的啟動或停止）或要求執行器節點上傳該節點控制設備的運行狀態。 　匯聚節點與測量節點/執行器節點之間採用多跳路由的通信方式，由於監控區域內的節點眾多，採用統一的數據格式有利於節點間的通信，數據格式如下： 　其中，preamble 為引導位元組，broaddr 為廣播地址（為0xff），final-no 為數據傳輸的目標節點編號，middle-no 為中間節點編號，source-no 為提供數據的源節點編號，ctrldata為控制命令，data 1…data n 為需傳送或接收的有效數據，crc 為校驗碼。 　nrf905 處於發射模式時，preamble 和crc 由nrf905 自動載入，broaddr 和中間所有數據由微控制器按順序送入射頻模組 nrf905。接收模式時，nrf905 先接收一數據包，分別驗證preamble、broaddr 和crc 正確後，再將所有數據送入微控制器處理，由軟體比較地址，進行相應處理。

意義

溫室監控系統建立的最終目的是為了獲取溫室環境的數據信息，監控溫室的正常運行，並通過分析數據得到作物生長與環境變化的規律。傳統的多點環境參數監控系統一般都是通過有線通信（如rs-485 匯流排）的方式把環境參數數據傳送到監控中心的。有線通信的一個無法迴避的問題是需要布線，它使系統的設計、安裝及維護等的複雜度大幅提高，同時使系統的成本也大大增加，而且如果某一節點損壞有可能導致整個通信網路癱瘓。由於溫室大棚占地面積大，採用傳統的有線監控系統除了通信設備之間的物理線路連線還需要供電線路的支持。而採用無線技術後，系統精簡了通信和供電線路的鋪設，方便了系統的維護和擴展，對提高溫室的生產管理水平具有重要的意義。採用無線通信技術可以有效的解決採用有線通信所存在的問題，而且具有成本更低、不需要布線、可以任意增加或減少測量節點、維護方便等優點.