基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能育苗監(jiān)控系統(tǒng)

創(chuàng)新者：張友迅 陳佳俊 林國民 張 樂 胡文軍

傳統(tǒng)的室內(nèi)育苗系統(tǒng)常常是通過人工方式進行，這導(dǎo)致育苗環(huán)境的參數(shù)控制精度不高且花費過多的人力和物力。鑒于此，基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）技術(shù)構(gòu)建了育苗智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括感知終端、控制終端、路由與協(xié)調(diào)終端以及后臺管控軟件。感知終端負責數(shù)據(jù)采集，基于Zigbee 技術(shù)的路由與協(xié)調(diào)終端負責數(shù)據(jù)/控制命令的雙向傳輸，控制終端用于負載控制，后臺管控軟件用于存儲數(shù)據(jù)和用戶發(fā)送控制命令。實驗測試表明，提出的監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)三層結(jié)構(gòu)育苗環(huán)境參數(shù)的有效控制，且控制精度較高。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)正逐步從傳統(tǒng)農(nóng)耕向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。為了提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)進行了多方面的研究，最近研究表明優(yōu)化植物幼苗的培育系統(tǒng)是提高生產(chǎn)力的有效途徑。傳統(tǒng)的育苗系統(tǒng)難以穩(wěn)定和準確控制培育環(huán)境，導(dǎo)致植物幼苗生長慢，壯苗率不高，并且缺乏關(guān)鍵的配套技術(shù)，成本太高或者操作過于復(fù)雜，不適應(yīng)自動化、大面積育苗的推廣。雖然利用有線方法可以實現(xiàn)大面積的育苗環(huán)境檢測，但大幅提高了傳統(tǒng)育苗系統(tǒng)的成本，且實際操作復(fù)雜。同時，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，難以及時排除，進而影響到系統(tǒng)的正常運行。

由于育苗系統(tǒng)可以對大面積育苗環(huán)境的穩(wěn)定監(jiān)控，通過系統(tǒng)的自動化控制可以實現(xiàn)環(huán)境的精確控制，提高壯苗率和減少人力物力等成本。一般地，育苗系統(tǒng)抓藥功能包括對育苗環(huán)境的土壤濕度、空氣溫度、光照強度等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)視和控制，常用于大棚等室內(nèi)幼苗的培育。近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了快速發(fā)展，設(shè)計和生產(chǎn)成本逐漸降低，已在各種行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。為此，本文應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要基于Zigbee 技術(shù)構(gòu)建一種低成本、高穩(wěn)定性、操作方便的智能育苗監(jiān)控系統(tǒng)，包括節(jié)點終端和后臺軟件，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和存儲、育苗的手動和自動控制等功能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

提出系統(tǒng)包括節(jié)點終端與后臺軟件兩部分，其中，節(jié)點終端包括了感知終端、控制終端、路由與協(xié)調(diào)終端。感知終端負責采集土壤濕度、空氣溫度、光照強度等一系列參數(shù)，并通過無線射頻通信方式發(fā)送到后臺服務(wù)器?？刂平K端會根據(jù)感知終端采集的數(shù)據(jù)或后臺服務(wù)器發(fā)送的控制命令，實現(xiàn)對執(zhí)行裝置的操作，從而改善現(xiàn)場的環(huán)境因素。路由與協(xié)調(diào)終端采用先進的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行設(shè)計，其正常工作的額定功率較低，可適應(yīng)各種不同的環(huán)境，更支持遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。通過路由與協(xié)調(diào)終端，以維持數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，使系統(tǒng)不會輕易地受到外界干擾，保證系統(tǒng)的安全運行。數(shù)據(jù)傳輸過程以動態(tài)路由的方式選擇通信路徑，以提高能量的利用率，個別節(jié)點出現(xiàn)故障，也不影響整個系統(tǒng)的運行。后臺軟件用于實現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境的遠程監(jiān)控，采用圖形化的數(shù)據(jù)顯示方式，進而全面而直觀地反映現(xiàn)場環(huán)境的信息，同時，后臺軟件還具有保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的功能。

系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計

感知終端

感知終端作為系統(tǒng)節(jié)點的現(xiàn)場監(jiān)測部分，由CC2530模塊與傳感器模塊組成，完成現(xiàn)場土壤濕度、空氣溫度以及光照強度等一系列環(huán)境參數(shù)的采集。CC2530 芯片內(nèi)部集成了2.4GHz 標準無線射頻模塊，支持IEEE 802.15.4 協(xié)議，其具備了低功耗、低成本、可自組網(wǎng)、協(xié)議簡單等特點，內(nèi)部集成一個8051 內(nèi)核單片機，提供八路12位ADC通道，21個通用I/O口和看門狗定時器等。

感知終端中的濕度與溫度傳感器是以模擬量輸出，經(jīng)信號調(diào)理電路之后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成對土壤濕度與空氣溫度的采集。光照強度傳感器是數(shù)字量輸出，直接與CC2530 內(nèi)裝的低功耗8051 單片機I/O 口通信，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理后，轉(zhuǎn)換成光照強度。感知終端功能框圖如圖2 所示。模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓配置為3.3V，同時由于溫度傳感器與濕度傳感器的輸出電壓與參考電壓不匹配，需要利用信號調(diào)理電路對信號按比例進行衰減與放大。在信號調(diào)理電路中，接入電壓跟隨器以提高輸入阻抗和降低輸出阻抗，實現(xiàn)阻抗匹配，保證數(shù)據(jù)采樣的準確性。

系統(tǒng)中使用高精度的土壤濕度傳感器，其工作電壓為3.3V～ 5V，額定電流15mA。由于傳感器長期處于土壤之中，易受到腐蝕，故表面做了鍍金處理，延長其使用壽命。溫度傳感器采用非線性NTC 熱敏電阻，測量范圍在-30℃到105℃之間，25℃對應(yīng)10K 的阻值。將電阻值與溫度值對應(yīng)的表格存入單片機的程序存儲器里，利用查表法得到對應(yīng)的環(huán)境溫度。光照傳感器型號為GY-30，具有寬范圍、高分解與低功耗的特點，測量數(shù)據(jù)范圍為1～65535，額定電流200uA。通過IIC 時序與單片機通信，經(jīng)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為勒克斯（Lx）單位的光照強度。

圖1 育苗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 感知終端的功能框圖

圖3 控制終端的功能框圖

控制終端

控制終端是由TI 的CC2530 微處理器與負載控制器兩個模塊組成，用于實現(xiàn)負載的自動和手動控制，具體見3.1節(jié)?？刂平K端包含了無線射頻模塊，用于與后臺服務(wù)器的無線通信。通過該無線通信方法，后臺服務(wù)器可以設(shè)置控制終端的工作模式（自動或手動模式），還可以設(shè)置環(huán)境參數(shù)的目標值。微處理器根據(jù)設(shè)置的目標環(huán)境參數(shù)和感知終端實時獲取的環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)負載控制。一個控制終端可以集中實現(xiàn)三層育苗工作臺控制，每層控制相互獨立，系統(tǒng)安裝也比較簡便。負載控制器主要由負載、繼電器、光耦等組成。繼電器隔離強弱電進而實現(xiàn)澆灌裝置的控制，由于CC2530芯片IO 口輸出電流較小，不能直接驅(qū)動繼電器，中間采用三極管進行驅(qū)動。光耦用于驅(qū)動LED 燈的電流調(diào)節(jié)，主要以接收CC2530 的PWM 信號實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)進而控制光照強度。控制終端的功能框圖如圖3 所示。

路由與協(xié)調(diào)終端

路由與協(xié)調(diào)終端主要用于擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，在障礙周圍動態(tài)路由，幫助緩解網(wǎng)絡(luò)擁擠與解決設(shè)備連接失敗問題。本系統(tǒng)節(jié)點數(shù)據(jù)在傳輸過程中，可以根據(jù)路由選擇最優(yōu)路線，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，有效避免因沖突而引起的丟包問題。路由與協(xié)調(diào)終端采用CC2530 芯片實現(xiàn)，其傳輸協(xié)議采用IEEE 802.15.4 標準協(xié)議，使用該技術(shù)具有以下明顯優(yōu)勢：

1）功耗低。相比Bluetooth 與WIFI，相同的電量（兩節(jié)5 號電池）可維持設(shè)備工作6 個月以上，Bluetooth 卻只能工作數(shù)周，WIFI 僅僅能正常工作幾小時；

2）安全性高。協(xié)議的保密設(shè)施是基于128 位AES算法的安全軟件，防止非法節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性；

圖4 感知終端軟件流程圖

3）成 本 低。IEEE 802.15.4 協(xié)議不收取專利費，通信協(xié)議較為簡單，傳輸效率高，自組網(wǎng)能力強，一個系統(tǒng)最多可以容納256 個節(jié)點。

在本系統(tǒng)設(shè)計中，協(xié)調(diào)終端通過RS232 電平與服務(wù)器連接進行實時通信。具體的包括以下功能：接收來自系統(tǒng)節(jié)點的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給后臺軟件，實現(xiàn)育苗環(huán)境的土壤濕度、空氣溫度與光照強度等指標數(shù)據(jù)實時顯示、存儲等；接收后臺軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送至路由器，再由路由器傳輸?shù)较鄳?yīng)的系統(tǒng)節(jié)點，形成整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。協(xié)調(diào)終端還為系統(tǒng)節(jié)點與路由器分配網(wǎng)絡(luò)地址，共同組成了線傳感的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

軟件設(shè)計

感知終端軟件設(shè)計

為了提高感知終端對現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的采集精度，本系統(tǒng)采用均值濾波對數(shù)據(jù)進行處理。系統(tǒng)在上電初始狀態(tài)下，根據(jù)系統(tǒng)要求配置網(wǎng)絡(luò)初始化、定時器初始化、ADC 通道的采樣方式與轉(zhuǎn)換時間及對應(yīng)IO 接口的初始化。感知終端軟件流程以時間分片執(zhí)行，確保在一定時間當中執(zhí)行一次相應(yīng)任務(wù)，具體如圖4 所示。具體地，在200ms 內(nèi)完成所有傳感器的單次采樣任務(wù)，5 次采樣后，對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行均值濾波得到最終采用數(shù)據(jù)；為緩解網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擁堵的現(xiàn)象，感知終端每隔3s 發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包由節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址、采集到的數(shù)據(jù)、系統(tǒng)命令字構(gòu)成。同時，考慮到系統(tǒng)能耗和資源有效性，啟用了系統(tǒng)休眠模式，由內(nèi)部時鐘定時喚醒CPU 查詢系統(tǒng)狀態(tài)，減小軟件運行時的耗損，提高執(zhí)行事件的效率。

控制終端軟件設(shè)計

圖5 控制終端軟件流程圖

圖6 協(xié)調(diào)終端軟件流程圖

控制終端主要功能是根據(jù)感知終端與后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)，完成執(zhí)行機構(gòu)的控制，主要包括自動和手動兩種模式，具體由后臺服務(wù)器進行設(shè)置。在自動模式下，控制終端根據(jù)預(yù)設(shè)目標參數(shù)和感知終端采集的實時參數(shù)進行自動控制，如當濕度下降至低于預(yù)設(shè)值的下限時，開啟澆灌裝置，當濕度上升至預(yù)設(shè)值的上限時，關(guān)閉澆灌裝置。在手動模式下，用戶可以通過后臺服務(wù)器直接控制每個澆灌裝置和補光強度。另外，用戶通過后臺服務(wù)器設(shè)置系統(tǒng)節(jié)點的參數(shù)之后，控制終端會將這些預(yù)設(shè)參數(shù)保存在Flash ROM中，以避免因斷電而造成的數(shù)據(jù)丟失?？刂平K端的軟件流程圖如圖5 所示。

路由與協(xié)調(diào)終端軟件設(shè)計

路由終端的功能是擴展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，緩解網(wǎng)絡(luò)擁擠現(xiàn)象，它在接收到數(shù)據(jù)之后，根據(jù)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)地址將數(shù)據(jù)，發(fā)送到對應(yīng)的節(jié)點或協(xié)調(diào)終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信。合理分布路由與節(jié)點，有助于數(shù)據(jù)傳輸，利用多級路由可延長數(shù)據(jù)的傳輸距離。本系統(tǒng)通過CC2530 實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸是采用動態(tài)路由方式實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇枪潭ú蛔?，是通過搜索網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)路徑，結(jié)合拓撲特點并分析位置關(guān)系，利用最優(yōu)信道實行數(shù)據(jù)傳輸[14-16]。在數(shù)據(jù)傳輸管理中，使用了“梯度法”確定路徑，即選擇最短路徑為傳輸信道，如果信道受阻將使用另外稍遠的通信路徑，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達目的。實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸信道可能發(fā)生變化，其本質(zhì)是通過動態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

協(xié)調(diào)終端用于啟動和配置網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)點建立新網(wǎng)絡(luò)時，通過掃描數(shù)據(jù)傳輸信道，在網(wǎng)絡(luò)中識別空閑信道建立新網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)點攜帶新網(wǎng)絡(luò)的唯一標識符，標識符貫穿整個網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點與路由攜帶標識符方能加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)終端組成后臺服務(wù)器與系統(tǒng)節(jié)點通信的橋梁，管理系統(tǒng)節(jié)點并保存網(wǎng)絡(luò)信息。協(xié)調(diào)終端工作流程圖如圖6 所示，協(xié)調(diào)終端上電后的系統(tǒng)初始化包括協(xié)議堆棧初始化、串口初始化、中斷初始化與硬件初始化等。一旦初始化并建立新網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)就確定了PAN ID（Personal Area Network ID，ZigBee 協(xié)議使用一個16 位的個域網(wǎng)標志符）和完成網(wǎng)絡(luò)地址的分配，每個任務(wù)事件對應(yīng)一個特定ID，并由操作系統(tǒng)管理所有任務(wù)事件并調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)。

后臺軟件設(shè)計

本系統(tǒng)后臺軟件使用美國NI 公司提供的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW 設(shè)計，其開發(fā)語言為G 語言。虛擬儀器是以計算機軟件為核心，而硬件僅作為數(shù)據(jù)的輸入輸出接口，同時用戶可以根據(jù)需要來定義儀器功能，不必受限于儀器廠商的特定功能。虛擬儀器將控制信息集中于軟件模塊中，并可以采用多種方式顯示相關(guān)數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)和實現(xiàn)相應(yīng)控制方法，同時，可以利用計算機存儲器保存大量數(shù)據(jù)和提供報表生成及打印功能。

本系統(tǒng)后臺軟件與系統(tǒng)節(jié)點之間自定義了通信協(xié)議，每個數(shù)據(jù)包包括26 字節(jié)，其中包括報頭、命令字、工作臺號、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)高地址、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)低地址（L）、數(shù)據(jù)、校驗碼和報尾，設(shè)置命令字對所有執(zhí)行指令進行分類，命令字包括設(shè)置系統(tǒng)節(jié)點的工作模式，設(shè)置系統(tǒng)節(jié)點的環(huán)境預(yù)設(shè)值等，校驗碼為規(guī)定長度內(nèi)的所有數(shù)據(jù)和的低八位，用于校驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。后臺軟件與協(xié)調(diào)終端相互通信，并根據(jù)通信協(xié)議確認數(shù)據(jù)的正確性，并從數(shù)據(jù)包中提取相關(guān)數(shù)據(jù)進行使用。后臺軟件的功能框圖如圖7 所示。

后臺軟件的操作界面如圖8 所示，包括4 個工作臺，每個工作臺分為3 層并對應(yīng)一個系統(tǒng)節(jié)點。每個工作臺顯示的信息包括節(jié)點臺號、命令字、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址、工作方式、土壤濕度實際值與預(yù)設(shè)值曲線、工作臺環(huán)境溫度和光照強度。左上角菜單用于系統(tǒng)節(jié)點的參數(shù)設(shè)置和報表打印等功能。

實驗測試

測試育苗大棚面積為10m×10m，其中有4 個育苗工作臺，每個工作臺含三層植物幼苗。標準大氣壓、環(huán)境溫度20～25℃。測試內(nèi)容包括：1）數(shù)據(jù)采集域無線傳輸?shù)臏蚀_性測試分析；2）育苗環(huán)境參數(shù)控制的性能測試分析。

數(shù)據(jù)采集域無線傳輸?shù)臏蚀_性測試分析

圖7 后臺軟件的功能框圖

圖8 后臺軟件操作界面（以1-2 臺為例）

以土壤濕度采集作為測試對象，進行數(shù)據(jù)采集與無線傳輸?shù)钠顚嶒?。標準測量器具與后臺服務(wù)器（以1 號工作臺為例）測量得到數(shù)據(jù)如表1 所示。從表1 可以看出，數(shù)據(jù)誤差均在2%范圍以內(nèi)，表明數(shù)據(jù)采集、傳輸具有一定的可靠性，符合實際應(yīng)用需求。

表1 土壤濕度測試數(shù)據(jù)

育苗環(huán)境參數(shù)控制的性能測試分析

以1 號工作臺為例，育苗系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)設(shè)置為：土壤濕度處于20%～35%，光照強度為650Lx。利用電磁閥控制滴灌裝置改變土壤濕度，滴灌速度約為2L/min，由多組LED 燈調(diào)節(jié)補光強度，輸出功率的可調(diào)區(qū)間為10W～20W。表2 給出了24h 之內(nèi)的測試數(shù)據(jù)。

表2 土壤濕度與光照強度測試數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)表明，在24h 之內(nèi)土壤濕度變化范圍基本處于20%～35%之間，光照強度誤差均在±10Lx 以內(nèi)。實驗過程表明，執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)速度快，系統(tǒng)控制穩(wěn)定，可適用于實際應(yīng)用。

總結(jié)

本文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了育苗智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對土壤濕度、空氣溫度、光照強度等一系列影響植物幼苗生長的環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。育苗系統(tǒng)采用了Zigbee協(xié)議實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建和運行，系統(tǒng)具有低功耗、高傳輸效率與自組網(wǎng)能力等優(yōu)勢。通過后臺服務(wù)器的管理與控制，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)大范圍的遠程的育苗生產(chǎn)監(jiān)控。