基于物聯(lián)網(wǎng)和LabVIEW高效環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計*

馮友宏，麻金繼，楊凌云，謝小娟

(1.安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽蕪湖241000;2.安徽師范大學國土資源與旅游學院，安徽蕪湖241000)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息化革新浪潮，它提供更透徹的度量和感知、更全面的互通互聯(lián)、更智能的信息化處理，能夠有效地促進服務管理與物質(zhì)生產(chǎn)相結(jié)合、數(shù)字世界與物理世界相聯(lián)通，應用范圍將遍及環(huán)境保護、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)療管理、智能交通和智能物流等各個領域［1～4］。作為種植具有較高經(jīng)濟效益的花卉、蔬菜的重要場所，溫室能夠顯著增強農(nóng)業(yè)的抗災、減災與反季節(jié)生產(chǎn)能力［5］。本文提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于溫室生產(chǎn)的監(jiān)測，即實時精確獲得溫室環(huán)境的各種參數(shù)，對于系統(tǒng)掌握植物生長發(fā)育規(guī)律及其與環(huán)境條件的關(guān)系，維持溫室作物的均衡供應、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和科學研究都具有重要意義。

1 硬件方案設計

整個監(jiān)控系統(tǒng)由環(huán)境采集節(jié)點、主控單元(網(wǎng)關(guān))、監(jiān)控和信息發(fā)布單元組成，環(huán)境采集模塊置于溫室大棚現(xiàn)場內(nèi)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor networks，WSNs)將信息發(fā)送至主控制模塊(網(wǎng)關(guān))，網(wǎng)關(guān)中的GPRS模塊通過GPRS/GSM將信息發(fā)送至上位機和管理人員的手機。監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of environment monitoring device

1.1 環(huán)境采集節(jié)點設計

環(huán)境采集節(jié)點由環(huán)境采集傳感器、MCU處理單元、WSNs模塊以及電源模塊構(gòu)成。其中，WSNs模塊采用Chipcon公司生產(chǎn)的符合Zig Bee技術(shù)的2.4GHz射頻芯片CC2530［7，8］。該芯片整合了 Zig Bee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，具有低功耗、實時、高精度定位的特點。MCU采用美國MicroChip公司生產(chǎn)的PIC16F883單片機，片內(nèi)帶有8 kbyte的程序存儲器，256 byte的數(shù)據(jù) EEPROM，11路10位A/D轉(zhuǎn)換器以及2個8位和1個16位的定時器/計數(shù)器、該單片機的突出的特點是體積小、功耗低、精簡指令集、抗干擾性好、可靠性高、有較強的模擬接口，在信息監(jiān)測中被廣泛運用。

1.2 電源模塊設計

為了充分利用電池能量，提高電源的轉(zhuǎn)換效率，本方案中的WSNs的電池模塊中的電壓轉(zhuǎn)換芯片使用的是MAXIM公司的DC/DC高效率電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX756。要求DC/DC電路的輸入電壓≥2.2 V(本系統(tǒng)使用2節(jié)1.5 V的電池輸入)，經(jīng)過MAX756后提供給采集電路中的MCU芯片PIC16F883和DRF1605H穩(wěn)定的3.3 V電源電壓。電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信息采集和傳輸模塊的電源供給模塊電路圖Fig 2 Circuit of power supply module in information collection and transmission module

1.3 主控制模塊(網(wǎng)關(guān))設計

主控制模塊(網(wǎng)關(guān))由WSNs模塊、主MCU單元、存儲單元、顯示報警單元、時鐘單元、電源單元，以及將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控和信息發(fā)布模塊的GPRS模塊構(gòu)成。主控制模塊主MCU單元為STM32，GPRS模塊和CC2430均設置有通信接口 RS—232，通信接口 RS—232之間通過 RS—232串口線連接。STM32基于高性能Cortex-M3內(nèi)核，有豐富的外設且功能強大、性價比高，如1 M采樣率的12 bitADC 4 M bit的多路串口等，32 bit的控制器有著接近于16 bit甚至高端8 bit控制器的價格。存儲單元使用了基于SD卡讀寫大容量存儲模塊，當系統(tǒng)的網(wǎng)絡發(fā)生擁塞或者供電出現(xiàn)問題時，它能夠保存外部采集數(shù)據(jù)和用戶的設置信息。時鐘單元提供的精準時鐘同時結(jié)合外界氣候?qū)嶋H變化的特點對信息采集節(jié)點授權(quán)在不同的時間段(如早晨和傍晚)自動切換不同的采集頻率。主控模塊(網(wǎng)關(guān))的電路如圖3所示。

圖3 主控模塊(網(wǎng)關(guān))電路Fig 3 Circuit of main control module(gateway)

2 系統(tǒng)軟件設計

設計方案中對傳統(tǒng)的LEACH(low-energy adaptive clustering hierarchy)路由協(xié)議進行了相應的改進，提出了一種基站廣播分配簇頭的LEACH-B(LEACH-broadcast)路由協(xié)議，利用改進的LEACH-B和新的數(shù)據(jù)發(fā)送機制，將監(jiān)測信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，并通過GPRS轉(zhuǎn)發(fā)到控制管理中心為決策提供依據(jù)。

2.1 改進的路由協(xié)議

由于此監(jiān)控網(wǎng)路中網(wǎng)關(guān)節(jié)點的供電是市電，通過電源電路供給，但信息采集節(jié)點的能量通常無法得到補充，傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議中簇頭的選擇方法是:每個信息采集節(jié)點隨機選擇0～1之間的一個值，如果選定的值小于某一個閾值T(n)，那么這個節(jié)點成為簇首節(jié)點，繼而通過廣播告知整個網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中的其他節(jié)點根據(jù)接收信息的信號強度決定從屬的簇［8，9］。為了進一步減少信息采集節(jié)點的能耗，在LEACH-B路由協(xié)議中，對于簇頭的選擇是通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播信息和信息采集節(jié)點的查表查詢來完成的:網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播產(chǎn)生隨機節(jié)點的編號，采集節(jié)點收到編號后根據(jù)自身的網(wǎng)絡信息表格進行查詢距離最近且靠近網(wǎng)關(guān)方向的簇首加入網(wǎng)絡。改進后的協(xié)議能有效減少和均衡信息采集節(jié)點的能耗，有效地延長了整個網(wǎng)絡的生存期，其路由協(xié)議如圖4所示。

2.2 信息采集節(jié)點程序設計

圖4 改進的路由協(xié)議(LEACH-B)Fig 4 Improved routing protocol(LEACH-B)

由于WSNs節(jié)點能量非常有限，使節(jié)點的通信帶寬處理速度和存儲空間均受限制，現(xiàn)有低功耗處理器技術(shù)使得數(shù)據(jù)處理的功耗比數(shù)據(jù)通信的功耗小得多［9，10］。因此，在傳輸數(shù)據(jù)前進行數(shù)據(jù)預處理是利用有限資源降低節(jié)點能量消耗的有效方式。本系統(tǒng)中設計WSNs節(jié)點采集的時間間隔是15 min，考慮實際的溫室環(huán)境會發(fā)生變化甚至可能出現(xiàn)劇烈的變化，在每個時刻采樣到的值與前面2次采樣值的代數(shù)平均值進行比較，若超出一定的閾值，則改變發(fā)送的頻率，節(jié)點正常的上傳時間間隔是30 min，如果超出一定的閾值則發(fā)送的間隔為15 min。通過大量的測試表明:大棚在晴天或多云天氣，日出前棚內(nèi)出現(xiàn)最低溫度，但持續(xù)時間比較短，最高氣溫出現(xiàn)在12～13時，14～15時溫度開始下降，平均每小時下降3～5℃。夜間，當氣溫低于地溫時，土壤放熱成為主導。由于沒有外來熱量補給，棚外溫度又低，大棚處在持續(xù)散熱過程，從日落到黎明前平均每小時下降1℃左右。因此，大棚氣溫的顯著特點就是晝夜溫差大?；诖藶榱吮ＷC精確的信息采集，通過網(wǎng)關(guān)的時鐘芯片來切換傳送間隔，在正常情況下要求信息采集節(jié)點是30 min發(fā)送一次，但在中午12～13時和下午17～19時網(wǎng)關(guān)要求信息采集節(jié)點為發(fā)送間隔15 min一次。信息采集節(jié)點將采集到的信息傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，同時接收來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點的調(diào)度命令，當沒有數(shù)據(jù)的采集發(fā)送和接收時，轉(zhuǎn)入休眠模式，使節(jié)點功耗降到最低，其工作流程圖如圖5所示。

圖5 信息采集節(jié)點的程序流程圖Fig 5 Program flow chart of information collection node

2.3 系統(tǒng)界面設計

本系統(tǒng)上位機界面采用基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境進行軟件的開發(fā)。上位機軟件主要包括信息管理和動態(tài)跟蹤模塊。信息管理由注冊、登錄、閾值和參數(shù)設定、查詢、報警、打印報表等功能組成。動態(tài)跟蹤模塊包括監(jiān)控節(jié)點的切換和各節(jié)點數(shù)據(jù)采集的動態(tài)實時顯示。注冊管理可以實現(xiàn)用戶的添加、刪除和權(quán)限管理;閾值和參數(shù)設定可以設置不同的溫室大棚參數(shù)值以適應不同植物的環(huán)境生長;數(shù)據(jù)查詢和打印報表可以進行歷史數(shù)據(jù)操作;用戶可根據(jù)作物的實際情況設定溫濕度的上下限值，當溫室環(huán)境參數(shù)值超出設定值，啟動故障報警和短信服務功能。上位機軟件的動態(tài)界面中將實際的監(jiān)測場合的實物圖進行編輯，圖中將實際的傳感器節(jié)點進行標明，管理人員可以通過通道的切換進行實時定位信息監(jiān)測［5，9］。

3 實驗結(jié)果

通過系統(tǒng)實際測試，在2012年的10月1日凌晨5:30到上午的10:45，以溫度為例可知系統(tǒng)能夠正常工作，且對于溫度的變化呈現(xiàn)動態(tài)的數(shù)據(jù)傳送，在上午7:00～9:00，由于溫度變化比較明顯(超出系統(tǒng)設定閾值)，發(fā)送的數(shù)據(jù)間隔為15 min，使得監(jiān)控中心能及時準確了解大棚內(nèi)的環(huán)境信息變化。表1為通道1采集到信息部分數(shù)據(jù)。

表1 通道1采集到信息部分數(shù)據(jù)Tab 1 Partial information data collected by channel 1

4 結(jié)論

本文采用基于WSNs，GPRS，Internet以及 LabVIEW技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，該系統(tǒng)采用模塊化設計，通用性好，可利用不同的傳感器監(jiān)測所需的信息，可用于工廠車間、倉庫(房)、國防工程、人防工程等對溫濕度要求較高的場所。實驗表明:該組網(wǎng)策略和數(shù)據(jù)傳輸機制具有監(jiān)測精度高、運行周期長、使用方便、界面更加人性化的優(yōu)點，能滿足環(huán)境監(jiān)測的要求。

［1］魯進軍.基于無線傳感器網(wǎng)絡的蔬菜大棚監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［D］.武漢:武漢理工大學，2009.

［2］Atzori L，Ieraand A，Morabito G.The Internet of things:A survey［J］.Computer Networks，2010，54(15):2787-2850.

［3］Shen Subin，F(xiàn)an Quli，Zong Ping，et al.Study on the architecture and associated technologies for Internet of things［J］.Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications，2009，29(6):1-11.

［4］Wang Shitong，Xing Xiaojiang，Li Weihua.Ubiquitous network service architecture，standards and key technical problems［J］.Communication Technologies and Standards，2010(1):44-48.

［5］韓華鋒.農(nóng)業(yè)環(huán)境信息遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設計［D］.北京:中國農(nóng)業(yè)科學院，2009.

［6］Liu Yunhao.From pervasive computing，CPS to the Internet of things:Next generation Internet vision［J］.Communications of the CCF，2009，5(12):66-69.

［7］寧炳武，劉軍民.基于CC2430的Zig Bee網(wǎng)絡節(jié)點設計［J］.電子技術(shù)應用，2008，34(3):95-98.

［8］Marcelloni F，Veechio M.A simple algorithm for data compresion in wireless sensor networks［J］.IEEE Communication Letters，2008，12(6):411-413.

［9］De Brito L M P L，Peralta L M R，Santos F E S，et al.Wireless sensor networks applied to museums environmental monitoring［C］∥The 4th International Conference on Wireless and Mobile Communications，ICWMC 2008，2008:364-369.