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摘要：针对传统温室大棚参数监控的现状，将WSN、GPRS技术和COMWAY通信协议应用于玻璃温室大棚参数远程监控系统，设计专用WSN节点，实现温室土壤温湿度、空气温湿度和光强监测与控制功能。现场监测数据通过WSN节点、ZigBee-GPRS网关和Internet网络上传到远程计算机进行实时显示和处理。采用COMWAY虚拟串口技术，实现现场调节设备和远程计算机之间的无线对接。经组网调试，系统性能稳定可靠，测量数据准确，具有较高的性价比和推广应用价值。
关键词：WSN；GPRS DTU；COMWAY协议；温室大棚；远程监控
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）06-0072-04
0 引言
玻璃温室大棚克服了传统农业对自然环境的依赖性，改变了农业生产力式。本系统利用WSN和GPRS技术，实时监测玻璃温室大棚农作物生长参数，监测数据通过ZigBee-GPRS网关、Internet网络，传输到远程计算机。系统具有测量精度高、安装便捷、可控性强等优点，可以有效克服传统农业环境监控系统的各种缺陷，实现温室环境参数远程实时监控，满足现代农业生产需求，具有一定的实用性和推广应用价值。
1 系统方案设计
本系统通过ZigBee无线传感器节点对温室大棚内农作物生长的参数进行实时监测，通过ZigBee网关，将各个节点数据信息发送到近程上位机。在ZigBee网关上增加GPRS DTU设备构成ZigBee-GPRS网关，再通过中国移动基站、Internet网络传输到远程上位机。上位机监测界面显示各节点实时数据，如果数据超出阈值范围，就会发出报警声并显示相应报警的传感器节点，提醒监测人员。现场传感器节点根据所接收到的数据变化和设定不同参数的上下限，开启或者关闭相应的控制装置，从而实现玻璃温室大棚植物生长参数远程监测与现场有效控制。
1.1 系统网络结构图
本系统主要由无线传感器网络节点（负责采集温室内节点附近的温度、湿度和光照强度等数据，当数据超出阈值可启动相应的调节设备）、ZigBee网关（实现近程数据传输）、ZigBee-GPRS网关（实现远距离数据传输）和远、近程计算机（对上传数据进行数据融合处理并显示）等组成。系统网络结构图如图1所示。
1.2 无线传感器网络节点
无线传感器节点包括电源模块、传感器模块、CC2530模块和控制模块4部分。
采用9V太阳能电池供电，使用锂电池储存电能，通过电源转换电路输出5 V和3.3 V电压，为各模块提供所需电源，维持整个监控系统正常运行。
CC2530模块具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，集定时、数据采集于一体，适应2.4 GHz IEEE8 02.15.4的RF收发器。其主要功能有：通过8路12位A/D口控制传感器模块进行数据采集；控制无线RF模块完成数据收发；通过I/O口响应主机控制。
无线传感器节点以CC2530模块为核心，将采集数据无线发送给网关，同时将采集数据与设定植物生长参数阈值进行比较，通过控制模块开启或关闭相应的调节设备。无线传感器网络节点如图2所示。
1.3 网关
1.3.1 ZigBee网关
ZigBee网关由RS232转UART底板、3.3V供电的按键电路和CC2530模块构成。ZigBee网关处理器CC2530主要负责烧写程序、数据信息汇聚、数据收发以及程序测试。RS232转UART底板上RS232转USB接口，方便与具有不同操作系统的计算机进行RS232通信，USB接口可直接与计算机相连，进行近程数据通信.状态灯用来指示是否组网成功和接收数据。
1.3.2 ZigBee-GPRS网关
在ZigBee网关基础上，加一个RS232转TTL模块和一个GPRS DTU模块，构成ZigBee-GPRS网关。RS232转TTL模块的通信采用MAX3232芯片，4个外接引脚中，RXD和TXD分别与RS232转UART底板的P0.2和P0.3引脚相连，VCC供电电压为3.3V，GND接地。通过公对公交叉串口线与WG-8010GPRS DTU相连，数据经ZigBee-GPRS网关，实现远程通信，结构框图如图3所示。
1.4 WG-8010 GPRS DTU
WG-8010 GPRS DTU内部自带的GPRS模块，完成一次初始化配置后，它可以通过GPRS和Internet网络实现用户设备和服务器的连接功能，从而实现数据传输。
1.4.1 主要功能特性
支持GPRS和CJSM；传输模式有COMWAY协议、透传协议等；支持TCP、UDP；100K超大缓存；可以随时在线，支持多种远程唤醒方式；通过短信可实现参数远程配置和查询功能。
1.4.2 GPRS DTU配置
1）安装配置程序。安装、运行GPRS DTU配置软件。配置DTU时，无需插入SIM卡，以防GPRS DTU进入自动连接模式。
2）配置本机串口通信参数。计算机串口号为COM5，波特率为9600 b/s，校验位为0。串口COM5被正确打开，即显示“port：COM5 0pened”。
3）GPRS通信参数的配置。系统选择COMWAY通信协议，服务器地址为ds.fusionunix.com，端口号为9000。本系统DTU模块ID号为306521200057，选择自动连接工作模式；DTU串口通信参数：波特率为9600 b/s，数据位为8，停止位为1，校验位为0。这些参数必须和连接的ZigBee网关的串口通信参数完全相同，才能保证ZigBee网关、GPRS DTU和上位机的正常通信。 4）设置DTU进入配置模式并读取配置信息。将DTU连接计算机串口，在DTU上电之前，点击“DTU进入配置模式”；然后上电，DTU启动后自动进入配置模式；再点击“读取DTU模块配置”，读取DTU设定的参数。
5）通过短信发送AT指令配置。GPRS DTU也可以通过手机短信配置，一条手机短信可依次编辑多条AT指令。设置时发送以下指令：+AT^BAUD=9 600； UTCF=810；SAVE。BAUD表示DTU串口通信速率为9 600 b/s； UTCF表示DTU串口通信格式，此处数据位设为8，停止位为1，校验位为0。
1.5 COMWAY无线串口设置
COMWAY无线串口软件与GPRS DTU配合使用，只需安装COMWAY无线串口软件，然后建立网关串口数据和上位机之间的无线通信信道，就可以接收所有传感节点的数据。无需公网固定IP地址，也不必设置网络端口映射和动态域名。通过设置虚拟串口，可实现现场设备和远程计算机之间的无线对接。具体步骤如下：
1）启动COMWAY无线串口软件登陆到自己设定的账户，添加本设计的DTU设备。例如：GPRS DTU设备序列号为“306521200057”，名称可设为“玻璃温室大棚监控系统”。
2）添加虚拟串口com10，并添加虚拟串口映射到DTU。
3）查看计算机设备管理器所添加的串口为“com10“，即完成虚拟串口设置。
2 传感器与控制模块设计
2.1 温度传感器LM35D
选用LM35D测量空气温度，将测温传感器与放大电路集成在一起，测温范围为0～100℃，工作电压为4～30V，测量误差为±1℃，最大线性误差为±0.5℃。传感器输出电压与摄氏温标呈线性关系，每升高l℃，则输出电压增加10 mV。实际使用时，取工作电压为5.0V，传感器输出接CC2530 P0.2端口。上位机测量数据x与实际温度y有线性关系，经拟合分析得：y=0.140x+5.685。
2.2 湿度传感器AM1001
选用AM1001测量空气湿度，该传感器输出模拟电压信号，具有精度高、可靠性高、一致性好、带有温度补偿、长期稳定性好、成本低等特点。工作电压为4.75～5.25 V，实际使用时，取工作电压为5.0V。测湿范围为0～100% RH，电压输出为0～3.0V。传感器输出接CC2530 P0.3端口。上位机测量数据x与实际湿度y有线性关系，经拟合分析得：y=0.054x-3.879。
2.3 土壤温湿度传感器SHT10
温湿度传感器SHT10输出数字信号，内部集成测湿元件、测温元件、14位A/D转换模块以及串行接口电路。SHTIO有4根连线，DATA引脚与CC2530PO.1端口相连，确认SCK引脚与CC2530 P1.7端口相连。
土壤温湿度传感器SHT10为已校准数字量输出的复合温湿度传感器，温度测量准确度为14 bit，湿度测量准确度12 bit。温度传感器输出x与实际温度y有线性关系：y=O.Olx-39.66；湿度传感器输出x与相对湿度y有非线性关系：y=-2.8x10-6x2+0.0405x-0.4。
2.4 光强传感器
采用硫化镉光敏电阻（；b5 mm测量温室光强。入射光增强，电阻减小；反之，电阻增大。将光敏电阻与1 kΩ，电阻串联，外加5.0V工作电压，经分压后输出接CC2530 P0.7端口。上位机测量数据x与实际光强y有非线性关系。经拟合成分析，其二次函数为v=0.004x2-0.739x+84.21.
2.5 控制模块
本系统采用下位机传感器节点控制相应调节设备。通过编写程序，设置测量参数上下限，根据实测数据大小，改变CC2530的I/O口输出电平高低，驱动继电器控制模块（驱动电路低电平有效）。
假设某植物适宜生长参数范围：土壤温度为10～30℃，土壤湿度为17%-44%RH，空气温度为15～37℃，空气湿度为40%～70%RH，光照为500～5000 Lux。表1给lJ植物生长参数超lJ阈值时的原始值（即上位机监测数据）和对应CC2530 110口引脚状态变化，状态为“0”表示开启调节设备，状态为“1”表示关闭调节设备。
3 系统调试
上位机监控软件使用ZigBemPC平台，在VisualStudio 2008（VS2008）开发环境下进行软件设计。在完成传感器节点软件、网关软件和上位机监控软件调试后，并确认已经成功设置GPRS DTU和COMWAY虚拟串口，方可实施系统调试。依次将ZigBee网关、各个传感器节点和GPRS DTU（SIM卡已插入）上电，组网成功后，远程上位机监控界面可显示网络拓扑图、活动节点、实时监测数据和监测数据曲线图。
本系统设计具有参数超限报警和控制功能。根据上位机监测软件设置的阈值范围，一旦有传感器采集的数据超出报警上、下限，监控界面右上角红色报警指示灯将闪烁、计算机发出报警声。正常时界面显示数据均为“黑色”，有传感器节点超限时，该节点数据立即变成“红色”，显示报警传感器节点编号和超出阈值的参数值（土壤温湿度、空气温湿度和光照强度）。报警时，报警传感器节点开启或关闭相应的控制设备，及时调节节点附近环境参数以达到适宜植物生长的正常状态。
4 结束语
采用ZigBee技术构建的无线传感器网络具有低成本、低功耗的优点，同时也克服了传统有线传感器网络数据传输的局限性；在一个节点上集成土壤温湿度、空气温湿度及光照强度多种传感器和继电器控制电路，充分利用CC2530模块的资源，节省了硬件成本；选用GPRS DTU构成ZigBee-GPRS网关，采用COMWAY通信协议，设置虚拟串口，无需公网固定IP地址，也不必设置网络端口映射和动态域名，简化了系统设计，实现了温室大棚参数远程实时监测与有效控制。系统经组网测试，性能稳定可靠，监测数据准确，具有较高的推广应用价值。
关键词：WSN；GPRS DTU；COMWAY协议；温室大棚；远程监控
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）06-0072-04
0 引言
玻璃温室大棚克服了传统农业对自然环境的依赖性，改变了农业生产力式。本系统利用WSN和GPRS技术，实时监测玻璃温室大棚农作物生长参数，监测数据通过ZigBee-GPRS网关、Internet网络，传输到远程计算机。系统具有测量精度高、安装便捷、可控性强等优点，可以有效克服传统农业环境监控系统的各种缺陷，实现温室环境参数远程实时监控，满足现代农业生产需求，具有一定的实用性和推广应用价值。
1 系统方案设计
本系统通过ZigBee无线传感器节点对温室大棚内农作物生长的参数进行实时监测，通过ZigBee网关，将各个节点数据信息发送到近程上位机。在ZigBee网关上增加GPRS DTU设备构成ZigBee-GPRS网关，再通过中国移动基站、Internet网络传输到远程上位机。上位机监测界面显示各节点实时数据，如果数据超出阈值范围，就会发出报警声并显示相应报警的传感器节点，提醒监测人员。现场传感器节点根据所接收到的数据变化和设定不同参数的上下限，开启或者关闭相应的控制装置，从而实现玻璃温室大棚植物生长参数远程监测与现场有效控制。
1.1 系统网络结构图
本系统主要由无线传感器网络节点（负责采集温室内节点附近的温度、湿度和光照强度等数据，当数据超出阈值可启动相应的调节设备）、ZigBee网关（实现近程数据传输）、ZigBee-GPRS网关（实现远距离数据传输）和远、近程计算机（对上传数据进行数据融合处理并显示）等组成。系统网络结构图如图1所示。
1.2 无线传感器网络节点
无线传感器节点包括电源模块、传感器模块、CC2530模块和控制模块4部分。
采用9V太阳能电池供电，使用锂电池储存电能，通过电源转换电路输出5 V和3.3 V电压，为各模块提供所需电源，维持整个监控系统正常运行。
CC2530模块具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，集定时、数据采集于一体，适应2.4 GHz IEEE8 02.15.4的RF收发器。其主要功能有：通过8路12位A/D口控制传感器模块进行数据采集；控制无线RF模块完成数据收发；通过I/O口响应主机控制。
无线传感器节点以CC2530模块为核心，将采集数据无线发送给网关，同时将采集数据与设定植物生长参数阈值进行比较，通过控制模块开启或关闭相应的调节设备。无线传感器网络节点如图2所示。
1.3 网关
1.3.1 ZigBee网关
ZigBee网关由RS232转UART底板、3.3V供电的按键电路和CC2530模块构成。ZigBee网关处理器CC2530主要负责烧写程序、数据信息汇聚、数据收发以及程序测试。RS232转UART底板上RS232转USB接口，方便与具有不同操作系统的计算机进行RS232通信，USB接口可直接与计算机相连，进行近程数据通信.状态灯用来指示是否组网成功和接收数据。
1.3.2 ZigBee-GPRS网关
在ZigBee网关基础上，加一个RS232转TTL模块和一个GPRS DTU模块，构成ZigBee-GPRS网关。RS232转TTL模块的通信采用MAX3232芯片，4个外接引脚中，RXD和TXD分别与RS232转UART底板的P0.2和P0.3引脚相连，VCC供电电压为3.3V，GND接地。通过公对公交叉串口线与WG-8010GPRS DTU相连，数据经ZigBee-GPRS网关，实现远程通信，结构框图如图3所示。
1.4 WG-8010 GPRS DTU
WG-8010 GPRS DTU内部自带的GPRS模块，完成一次初始化配置后，它可以通过GPRS和Internet网络实现用户设备和服务器的连接功能，从而实现数据传输。
1.4.1 主要功能特性
支持GPRS和CJSM；传输模式有COMWAY协议、透传协议等；支持TCP、UDP；100K超大缓存；可以随时在线，支持多种远程唤醒方式；通过短信可实现参数远程配置和查询功能。
1.4.2 GPRS DTU配置
1）安装配置程序。安装、运行GPRS DTU配置软件。配置DTU时，无需插入SIM卡，以防GPRS DTU进入自动连接模式。
2）配置本机串口通信参数。计算机串口号为COM5，波特率为9600 b/s，校验位为0。串口COM5被正确打开，即显示“port：COM5 0pened”。
3）GPRS通信参数的配置。系统选择COMWAY通信协议，服务器地址为ds.fusionunix.com，端口号为9000。本系统DTU模块ID号为306521200057，选择自动连接工作模式；DTU串口通信参数：波特率为9600 b/s，数据位为8，停止位为1，校验位为0。这些参数必须和连接的ZigBee网关的串口通信参数完全相同，才能保证ZigBee网关、GPRS DTU和上位机的正常通信。 4）设置DTU进入配置模式并读取配置信息。将DTU连接计算机串口，在DTU上电之前，点击“DTU进入配置模式”；然后上电，DTU启动后自动进入配置模式；再点击“读取DTU模块配置”，读取DTU设定的参数。
5）通过短信发送AT指令配置。GPRS DTU也可以通过手机短信配置，一条手机短信可依次编辑多条AT指令。设置时发送以下指令：+AT^BAUD=9 600； UTCF=810；SAVE。BAUD表示DTU串口通信速率为9 600 b/s； UTCF表示DTU串口通信格式，此处数据位设为8，停止位为1，校验位为0。
1.5 COMWAY无线串口设置
COMWAY无线串口软件与GPRS DTU配合使用，只需安装COMWAY无线串口软件，然后建立网关串口数据和上位机之间的无线通信信道，就可以接收所有传感节点的数据。无需公网固定IP地址，也不必设置网络端口映射和动态域名。通过设置虚拟串口，可实现现场设备和远程计算机之间的无线对接。具体步骤如下：
1）启动COMWAY无线串口软件登陆到自己设定的账户，添加本设计的DTU设备。例如：GPRS DTU设备序列号为“306521200057”，名称可设为“玻璃温室大棚监控系统”。
2）添加虚拟串口com10，并添加虚拟串口映射到DTU。
3）查看计算机设备管理器所添加的串口为“com10“，即完成虚拟串口设置。
2 传感器与控制模块设计
2.1 温度传感器LM35D
选用LM35D测量空气温度，将测温传感器与放大电路集成在一起，测温范围为0～100℃，工作电压为4～30V，测量误差为±1℃，最大线性误差为±0.5℃。传感器输出电压与摄氏温标呈线性关系，每升高l℃，则输出电压增加10 mV。实际使用时，取工作电压为5.0V，传感器输出接CC2530 P0.2端口。上位机测量数据x与实际温度y有线性关系，经拟合分析得：y=0.140x+5.685。
2.2 湿度传感器AM1001
选用AM1001测量空气湿度，该传感器输出模拟电压信号，具有精度高、可靠性高、一致性好、带有温度补偿、长期稳定性好、成本低等特点。工作电压为4.75～5.25 V，实际使用时，取工作电压为5.0V。测湿范围为0～100% RH，电压输出为0～3.0V。传感器输出接CC2530 P0.3端口。上位机测量数据x与实际湿度y有线性关系，经拟合分析得：y=0.054x-3.879。
2.3 土壤温湿度传感器SHT10
温湿度传感器SHT10输出数字信号，内部集成测湿元件、测温元件、14位A/D转换模块以及串行接口电路。SHTIO有4根连线，DATA引脚与CC2530PO.1端口相连，确认SCK引脚与CC2530 P1.7端口相连。
土壤温湿度传感器SHT10为已校准数字量输出的复合温湿度传感器，温度测量准确度为14 bit，湿度测量准确度12 bit。温度传感器输出x与实际温度y有线性关系：y=O.Olx-39.66；湿度传感器输出x与相对湿度y有非线性关系：y=-2.8x10-6x2+0.0405x-0.4。
2.4 光强传感器
采用硫化镉光敏电阻（；b5 mm测量温室光强。入射光增强，电阻减小；反之，电阻增大。将光敏电阻与1 kΩ，电阻串联，外加5.0V工作电压，经分压后输出接CC2530 P0.7端口。上位机测量数据x与实际光强y有非线性关系。经拟合成分析，其二次函数为v=0.004x2-0.739x+84.21.
2.5 控制模块
本系统采用下位机传感器节点控制相应调节设备。通过编写程序，设置测量参数上下限，根据实测数据大小，改变CC2530的I/O口输出电平高低，驱动继电器控制模块（驱动电路低电平有效）。
假设某植物适宜生长参数范围：土壤温度为10～30℃，土壤湿度为17%-44%RH，空气温度为15～37℃，空气湿度为40%～70%RH，光照为500～5000 Lux。表1给lJ植物生长参数超lJ阈值时的原始值（即上位机监测数据）和对应CC2530 110口引脚状态变化，状态为“0”表示开启调节设备，状态为“1”表示关闭调节设备。
3 系统调试
上位机监控软件使用ZigBemPC平台，在VisualStudio 2008（VS2008）开发环境下进行软件设计。在完成传感器节点软件、网关软件和上位机监控软件调试后，并确认已经成功设置GPRS DTU和COMWAY虚拟串口，方可实施系统调试。依次将ZigBee网关、各个传感器节点和GPRS DTU（SIM卡已插入）上电，组网成功后，远程上位机监控界面可显示网络拓扑图、活动节点、实时监测数据和监测数据曲线图。
本系统设计具有参数超限报警和控制功能。根据上位机监测软件设置的阈值范围，一旦有传感器采集的数据超出报警上、下限，监控界面右上角红色报警指示灯将闪烁、计算机发出报警声。正常时界面显示数据均为“黑色”，有传感器节点超限时，该节点数据立即变成“红色”，显示报警传感器节点编号和超出阈值的参数值（土壤温湿度、空气温湿度和光照强度）。报警时，报警传感器节点开启或关闭相应的控制设备，及时调节节点附近环境参数以达到适宜植物生长的正常状态。
4 结束语
采用ZigBee技术构建的无线传感器网络具有低成本、低功耗的优点，同时也克服了传统有线传感器网络数据传输的局限性；在一个节点上集成土壤温湿度、空气温湿度及光照强度多种传感器和继电器控制电路，充分利用CC2530模块的资源，节省了硬件成本；选用GPRS DTU构成ZigBee-GPRS网关，采用COMWAY通信协议，设置虚拟串口，无需公网固定IP地址，也不必设置网络端口映射和动态域名，简化了系统设计，实现了温室大棚参数远程实时监测与有效控制。系统经组网测试，性能稳定可靠，监测数据准确，具有较高的推广应用价值。