基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的綠色蔬菜生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

施連敏蓋之華蔣春華

摘 要：通過分布在大棚內(nèi)的各個KW01傳感器終端節(jié)點，實時采集綠色蔬菜生長環(huán)境的各種數(shù)據(jù)信息，借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)信息匯聚到ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)初步處理后，上傳至后臺服務(wù)器監(jiān)控程序，由后臺服務(wù)器監(jiān)控程序進(jìn)行匯總和分析，實現(xiàn)綠色蔬菜生長環(huán)境數(shù)據(jù)信息的顯示和存儲，為后續(xù)智能決策和自動控制提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；綠色蔬菜；生長環(huán)境；實時監(jiān)控

DOIDOI：10.11907/rjdk.162206

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011016703

0 引言

綠色蔬菜生產(chǎn)過程中會受到溫濕度、CO2濃度、土壤PH值、光照強度等環(huán)境因素的影響，將信息技術(shù)應(yīng)用到綠色蔬菜的生產(chǎn)過程中，可以準(zhǔn)確、高效地采集和調(diào)控各類環(huán)境數(shù)據(jù)，對提高綠色蔬菜的產(chǎn)量和質(zhì)量有著重要作用[1]。傳統(tǒng)基于有線方式的綠色蔬菜生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布線難度大、傳輸距離短、成本高，難以實現(xiàn)有效的推廣應(yīng)用[2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其自主性組網(wǎng)、低功耗分布式監(jiān)控、無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)忍攸c，可以很好地解決有線網(wǎng)絡(luò)的諸多不便，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用[3]。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的綠色蔬菜實時監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用近距離的ZigBee無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)和遠(yuǎn)距離的GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸手段，以及基于B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了綠色蔬菜生產(chǎn)過程中溫濕度、CO2濃度、土壤PH值、光照強度等環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集和監(jiān)控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計了含有感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的綠色蔬菜生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點、ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控軟件，如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點主要實現(xiàn)：采集并上傳綠色蔬菜生長環(huán)境中的環(huán)境數(shù)據(jù)，如：溫濕度、CO2濃度、土壤PH值、光照強度；接收并執(zhí)行遠(yuǎn)程后臺發(fā)送的控制指令[4]。節(jié)點之間通過Zigbee協(xié)議組網(wǎng)，并根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行動態(tài)拓?fù)?，從而維持整個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定通信。

（2）ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)：以Zigbee協(xié)議方式接收數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點所上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯聚后，以GPRS方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控軟件進(jìn)行處理和分析；以GPRS方式接收遠(yuǎn)程后臺發(fā)送的控制指令，進(jìn)行解析處理后，以Zigbee協(xié)議方式發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點。同時，ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)還定時發(fā)送心跳包數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的狀態(tài)信息，并反饋給后臺監(jiān)控軟件[5]。

（3）遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)：處理并分析由ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)傳輸過來的數(shù)據(jù)信息，并將處理結(jié)果進(jìn)行存儲和顯示；對數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點所采集的現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，根據(jù)不同綠色蔬菜生長所需的環(huán)境數(shù)據(jù)，發(fā)送相應(yīng)的控制指令，控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的工作狀態(tài)，從而動態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)

在設(shè)計數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點時要充分考慮低功耗和無線傳輸?shù)母呖煽啃?，因此選擇恩智浦的32位ARM+RF一體化低功耗芯片KW01作為數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的主控MCU，該芯片內(nèi)部集成了ARM CortexM0+內(nèi)核的KL26微控制器和SX1231RF無線收發(fā)器，運行速率高達(dá)48 MHz，擁有128KB Flash和16KB SRAM，內(nèi)置了10路16位ADC采集模塊，以及符合IEEE 802.15.4規(guī)約的Zigbee協(xié)議棧，可以充分滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗、近距離、雙向傳輸?shù)男枨骩6]?；贙W01的數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括KW01 MCU最小系統(tǒng)、2.4GHz功率放大模塊、電源管理模塊、接口電路、各類傳感器等。

綠色蔬菜生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集中，空氣溫濕度傳感器選用數(shù)字化溫濕度傳感器SHT10，該傳感器數(shù)據(jù)采集精度高，含有已校準(zhǔn)的、支持I2C總線的數(shù)字信號輸出，且接口電路簡單；土壤溫濕度傳感器選用TDC220D，該傳感器內(nèi)嵌微控制器，支持I2C總線的數(shù)字信號輸出，可以同時測量土壤溫度和濕度；CO2濃度傳感器選用CGS3100，該傳感器采用NDIR技術(shù)測量空氣中的CO2濃度，可以同時支持UART、I2C總線；土壤PH值傳感器選用NHPH49，該傳感器集成度高、體積小、功耗低，可以同時支持UART、RS232、RS485、I2C總線；光照傳感器選用光強數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561，該芯片功耗低、量程寬、可編程配置、抗干擾能力強，支持I2C總線的數(shù)字信號輸出。

2.2 ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

在設(shè)計ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)時考慮：①能夠通過Zigbee協(xié)議與數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點實現(xiàn)穩(wěn)定通信與信息交互；②能夠通過GPRS方式與遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控軟件進(jìn)行穩(wěn)定通信并交互信息；③能夠在數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點與遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控軟件之間起到穩(wěn)定的實時上傳下達(dá)數(shù)據(jù)的功能，并且也保證了低功耗節(jié)能要求。

基于以上基本要求，ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的主控MCU選用恩智浦的基于ARM CortexM4內(nèi)核的K64芯片，該芯片運行速率高達(dá)120MHz，擁有1M Flash和256KB RAM，采用無晶振USB設(shè)計，可以充分滿足低功耗處理、高存儲器密度的應(yīng)用；ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的Zigbee通信模塊選用與數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點一致的KW01芯片；ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的GPRS模塊選用華為的CM320模塊，該模塊基于CDMA2000 1X空中接口，采用MSM6025系列套片，可以完成全部無線接收、發(fā)射、基帶信號處理和音頻信號處理[7]。

ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括K64主控MCU、KW01無線收發(fā)模塊、華為CM320 GPRS模塊和電源管理模塊，K64主控MCU與KW01無線收發(fā)模塊之間通過SPI方式進(jìn)行通信，K64主控MCU與華為CM320 GPRS模塊之間通過RS232方式進(jìn)行通信。

ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)需要通過Zigbee方式從數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，同時還要通過GPRS方式將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控軟件，所以在ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計中創(chuàng)建3個線程，分別為主控線程、Zigbee無線通信線程和GPRS無線通信線程。其中主控線程主要負(fù)責(zé)ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的穩(wěn)定運行并協(xié)調(diào)另外兩個線程；Zigbee無線通信線程負(fù)責(zé)接收KW01無線收發(fā)模塊所接收的數(shù)據(jù)并給KW01無線收發(fā)模塊發(fā)送控制指令；GPRS無線通信線程負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控軟件以及接收遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控軟件發(fā)送來的控制指令。ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的軟件控制流程如圖4所示。

2.3 遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控軟件設(shè)計與實現(xiàn)

遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控軟件主要由服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器接口組件組成。其中服務(wù)器軟件選擇在Visual Studio 2013集成開發(fā)環(huán)境下利用C#語言編寫，其主要接收并處理ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)所上傳的現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，將處理結(jié)果顯示在頁面上，以及向ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制指令，同時將數(shù)據(jù)和控制指令存儲到數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)庫選擇SQL Server 2008，用來存儲現(xiàn)場環(huán)境的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，以及相關(guān)配置信息和控制指令；Web服務(wù)器接口組件選擇Microsoft的Internet Information Server 7.0（IIS7.0），使用ASP.NET語言進(jìn)行開發(fā)。

3 結(jié)語

針對當(dāng)前綠色蔬菜生長環(huán)境監(jiān)測的需求，設(shè)計了將Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS相結(jié)合的綠色蔬菜生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的實時采集、傳輸和匯聚，以及分析處理，可以使人們精確地獲取綠色蔬菜生長環(huán)境信息，包括溫濕度、CO2濃度、土壤PH值、光照強度等，從而在實際生產(chǎn)過程中減少人工測量誤差，降低綠色蔬菜成本，同時也保障了綠色蔬菜的產(chǎn)量和質(zhì)量。后續(xù)將在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入大數(shù)據(jù)分析方法，為綠色蔬菜生產(chǎn)提供智能決策和自動控制。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）