第３８卷第１期 ２０１２年１月 曲阜师范大学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕｆｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｖ０１．３８ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１２
基于无线Ｍｅｓｈ网络的温室测控系统的设计
韩英梅， 孔鲁晓， 赵建平， 董旭
（曲阜师范大学物理工程学院，２７３１６５，山东省曲阜市）
摘要：提出的基于无线Ｍｅｓｈ网络的温室测控系统将当代新兴的无线Ｍｅｓｈ网络和无线传感网络融合到
一起，详细设计了温室测控系统的网络架构、无线Ｍｅｓｈ网络所应用到的射频通信技术以及组网的关键网络 协议．系统具有网络构建简单、易扩展、成本低等优点，有一定的应用价值． 关键词：无线Ｍｅｓｈ网络；测控系统；射频通信；网络协议 中图分类号：Ｔ［Ｂ０２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－５３３７（２０１２）０１－００８１－０４
１ 引 言
随着数字信息时代的到来，有线通信在很大程度上被无线通信所取代，射频通信技术也越来越多的融人 到我们的生活当中，最近，将这项技术用于无线数据传感网络是一个相当新的应用…．随着无线射频通信技
术、无线传感网络技术和控制技术等多种先进技术广泛应用到温室，温室种植环境得到了很大地改善，本文 采用ＲＦ无线通信技术设计了基于无线Ｍｅｓｈ传感网络的温室测控系统．
２无线网络概述
２．１无线Ｍｅｓｈ网络 无线Ｍｅｓｈ传感网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｅｓｈ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＷＭＮ）是２０世纪９０年代中后期新兴的无线网络技术，近 几年引起人们越来越多的关注．无线Ｍｅｓｈ传感网络一般由无线路由节点构成的骨干网组成，该无线骨干网
提供了大范围的无线信号的覆盖与节点的链接．各个传感器节点通过路由节点链接到网络，通常无线Ｍｅｓｈ 传感网络有一个或者多个路由节点链接到其它网络．无线Ｍｅｓｈ网络不像移动蜂窝网络那样需要受中心控 制设备限制，也无需像移动蜂窝通信系统那样去维护高塔上的基站 ］，它是采用多跳机制来转发数据到目
的节点的，可以将数据的传输范围加以延伸，覆盖范围很广． ２．２无线传感网络
无线传感网络主要由传感器节点、监测区域和汇聚节点三部分组成．如 图１所示，传感器节点主要作用是采集原始数据源信息并处理采集到的信
息．每一个传感器节点由数据采集模块（各种传感器）、数据处理和控制模块 （微处理器、存储器）、通信模块（无线收发模块）和供电模块（电池）等组成．
监测区域是传感器节点获取采集信息的区域．各传感器节点将监测区域内的
信息传送到网络的汇聚节点，汇聚节点不仅可以与一般传感器节点一样采集 信息而且可以完成传感器网络与无线Ｍｅｓｈ网络数据的传输，很好的完成了
无线Ｍｅｓｈ网络与无线传感网络的融合．
收稿日期：２０１１－０６．１７ 作者简介：韩英梅，女，１９８４一，硕士生；研究方向：无线通信；Ｅ．ｍａｉｌ：ｈａｎｍｅｉｍｅｉ２００３＠１６３．ＣＯｒｎ； 赵建平，男，１９６４一，教授；研究方向：无线通信；Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｐｚｈａｏ＠ｍａｉｌ．ｑｆ．ｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
图１无线传感网络体系结构 ８２ 曲阜师范大学学报（自然科学版） ２０１２丘
２．３射频通信技术 用于无线数据传输的常用通信技术有：基于射频收发芯片的无线通信技术，基于ＧＳＭ／ＣＤＭＡ的无线通 信技术，蓝牙技术（Ｂｌｕｅ Ｔｏｏｔｈ），ｗｉ—Ｆｉ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｆｉｄｅｌｉｔｙ又称为８０２．１ｌｂ标准）技术和Ｚｉｇｂｅｅ无线通信技 术＿３ Ｊ．基于射频收发芯片的无线通信的性能与其它无线通信技术相比，在允许的工作频段内是功耗最低、成
本最低的技术，另外，射频通信可靠性高、通信距离远、通信协议的开发设计灵活性好，因此系统设计采用射
频无线通信技术来完成网络之间的数据传输．
３无线Ｍｅｓｈ网络的架构
个设备开关节点，每三个温室安装一个路由节点，整个系统安装一个总控制节点．系统的总体设计结构框图
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图２ 系统整体结构图 图３ 无线Ｍｅｓｈ网络体系结构
网络由随机部署在监测区域内的各种节点组成，能很好的完成数据的采集、处理和可靠传输．传感器节 点构成无线传感网络，路由节点构成无线Ｍｅｓｈ网络的骨干网，采用射频无线通信技术来传输数据．具体的
网络体系结构如图３所示． 具体工作流程为：由数据采集传感器节点采集每个温室的环境数据，通过无线射频通信方式发送到相应
路由节点，每个路由器节点负责接收温室传感器节点发送的数据，接收完毕后通过Ｍｅｓｈ骨干网将信息传送
到总控制节点．管理人员可以通过传送到控制中心的环境信息、将相应控制信息回送到对应温室的设备开启
传感器节点，控制调节环境的设备开关．
４网络协议的设计
为了保证网络可靠、高效、准确、及时的传输数据，制定了一系列网络协议进行无差错的传输数据．以下
是无线传输过程中的主要网络协议的设计．
４．１ 无线Ｍｅｓｈ网络ＭＡＣ层协议 无线频谱是通信过程中的媒体，在通信过程中常常会发生多个节
点同时接人信道的问题，导致数据之间相互冲突．ＭＡＣ协议就是为了
解决因传输过程中共享媒体所导致的数据冲突问题而制定的网络协
议，ＭＡＣ协议决定了一个节点应该在什么时候发送数据，以及控制所 有到物理层的接入．在网络协议中，它位于物理层之上，数据链路层底
部．系统采用ＲＳＴ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ请求发送）／ＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ同 意发送）交互方式和定时中断方式解决数据传输过程中的数据冲突问 题．路由节点Ｌ１开始发送数据前，发出发送数据的请求ＲＳＴ，然后启
图４ ＲＳＴ／ＣＴＳ交互 第１期 韩英梅，等：基于无线Ｍｅｓｈ网络的温室测控系统的设
动定时器等待接收应答，如果规定时间内没；育收到相应数据应答，将重新发送查询请求．Ｌ２接收到请求后会
立即给Ｌｌ１个应答信号ＣＴＳ，这时Ｌ１与Ｌ２之间的无线链路就建立起来了，可以正常的传输数据，Ｌ２接收到 信息后，更改ＩＤ号继续呼叫下一个路由节点，依次传送到最后的总控制节点．ＲＳＴ／ＣＴＳ交互方式如图４所
示 ． ４．２ Ｍｅｓｈ网络路由协议 路由协议为Ｍｅｓｈ网络迅速建立传输通：道提供了灵活的解决方案，这些路由节点组成了Ｍｅｓｈ网络的骨
干网，节点主要采用了ＤＳＤＶ（Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｄ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ）路由协议来完成数据之间的传输，该算
法中每个路由节点同时保存两个矢量表，一个是该节点到网络中其他路由节点的距离（这里选择跳数）；另
一个保存的是要到总控制节点需要经过的下一跳路由节点．每个路由节点周期性的发送自己的路由表，其它
节点根据自己的路由表和从相邻节点收到的路由表来更新自己的路由表．具体过程是路由节点周期性的将 以它为起点的到总控制节点的最短路径广播给其它的邻居节点，收到该信息的路由节点将计算出的到总控
制节点的最短距离与自己已知的距离相比较，若比已知的小，则更新路由表．最后路由节点选择一个最短距
离将采集的数据发送到总控制节点．当路由 节点选择好合适的通道后，采用无线接力的方式将采集到的信息
转发到其它路由节点，最后传送到总控制节点．路由节点之间数据传输如图５所示．
当节点Ｌ１被激活，将存储在它处的数据信息发送到 节点Ｌ２，Ｌ２首先判断信息的ＩＤ号，如果是自己的ＩＤ号，
将信息接收下来，如果不是，舍弃该信息的接收，然后提
取信息的目的ＩＤ号与自己的ＩＤ号相比，如果发现信息 的目的ＩＤ不是自己，将信息的ＩＤ号改为Ｌ＝；的ＩＤ号，转
发到下一个路由节点，最后由总控制节点接收该数据信
息并进行相应数据处理 ． ４。３ Ｍｅｓｈ网络数据传输协议 图５无线数据传输
节点之间的数据传输采用半双工通信方式，为了提高端到端数据的可靠传输．根据本测控系统设计需求
与程序设计的需要，自行设计了数据传输协议，具体的帧格式设计如表１所示．
５ 结束语
表１数据传输帧格式
定义 说明
帧开始符 两个字节表示一帧数据的开始
一个字节表示温室地址信息 温室地址
一个字节表示传感器节点地址信息 地址 线路ＩＤ号 两个字节表示线路的ＩＤ号
源地址 两个字节表示数据发送端地址
目的地址 两个字节表示数据到达的目的地址
帧类型符 一个字节ＯＸＯ０数据帧，０ＸＦＦ控制帧 数据域长度 一个字节表示数据域长度
传输通道 一个字节存储信息临时转发的路径
温度 一个字节表示温度测量值 数据 湿度 一个字节表示湿度测量值
光照 一个字节表示光照测量值
校验码 采用ＣＲＣ校验
结束符 一个字节０Ｘ０１表示结束符 ％ ＠ （／
曲阜师范大学学报（自然科学版） ２０１２丘
基于无线Ｍｅｓｈ网络的温室测控系统的网络综合了无线射频通信技术、无线传感网络技术、微控制器处
理等先进的技术，能很好的完成数据的采集、处理和可靠传输．该网络具有配置方便、易于扩展、投资成本低、
容易实现和维护等优点．
参考文献：
［１］Ｒｏｎ Ｐｒｉｃｅ（美）．冉晓曼，王彬，王锋，等译．无线网络原理与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００８． ［２］Ｙａｎ Ｚｈａｎｇ（中），Ｊｉｊｕｎ Ｌｕｏ（德），Ｈｏｎｇｌｉｎ Ｈｕ（中）．无线网状网：架构、协议与标准［Ｍ］．西安：电子工业出版社，２００８． ［３］喻金钱，喻斌．短距离无线通信详解［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００９． ［４］简林祥．射频网络的一种组网设计［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，（１０）：５３－５５． ［５］孙弋，韩晓冰，张衡伟，等．短距离无线通信及组网技术［Ｍ］．西安：电子科技大学出版社，２００８． ［６］崔光照，陈富强，张海霞，等．无线传感网络的油井远程监控系统的设计［Ｊ］．通信技术，２００８，（１１）：２１４－２２４． ［７］柴淑娟，赵建平．基于无线传感网络的水质检测系统的研究［Ｊ］．曲阜师范大学学报（自然科学版），２００８，３４（１１）：２１４— ２２４
Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｅｓｈ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ
ＨＡＮ Ｙｉｎｇ—ｍｅｉ，ＫＯＮＧ Ｌｕ—ｘｉａｏ， ＺＨＡＯ Ｊｉａｎ－ｐｉｎｇ，ＤＯＮＧ Ｘｕ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｕｆｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２７３１６５，Ｑｕｆｕ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，ＰＲＣ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｅｓｈ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｍｅｓｈ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ
ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｔ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＲＦ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｋｅｙ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｒｅ ｅｘｔｅｎｓｉｂｌｅ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｉｎｖａｌｕｂａｌｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｅｓｈ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；
ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ
