基于ZigBee和云平臺的葡萄霜霉病防控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

楊寧 來智勇 蘇鵬飛 劉斌

關(guān)鍵詞： 葡萄霜霉病; ZigBee; 云平臺; 病變閾值; 數(shù)據(jù)整合; GPRS

中圖分類號： TN948.64?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）24?0178?05

Design and application of grape downy mildew prevention and control

system based on ZigBee and cloud platform

YANG Ning， LAI Zhiyong， SU Pengfei， LIU Bin

（School of Information Engineering， Northwest A&F University， Yangling 712100， China）

Abstract： Since the traditional pesticide spraying method cannot avoid the problems of fruit residues and food safety， a grape downy mildew prevention and control system based on ZigBee and cloud platform is designed and implemented， taking the prevention and control of the grape downy mildew as the background. In the system， the CC2530 is adopted to construct the ZigBee environmental monitoring network. Data integration is conducted according to the real?time collected relative air humidity and illumination intensity parameters. The integrated data is compared with the preset lesion threshold parameters to determine the turn?on and turn?off of the control node， so as to realize intelligent prevention and control， which improves the prevention and control effectiveness of the system. The system can realize data exchange by means of GPRS communication based on the TCP/IP protocol. Users can perform real?time monitoring and lesion threshold online decision?making of the grape growth environment from the remote monitoring center. The field operation test was carried out. The test results show that the system has reliable functions， can run stably， operate conveniently， and has a certain application prospects.

Keywords： grape downy mildew; ZigBee; cloud platform; lesion threshold; data integration; GPRS

葡萄霜霉病是來源于北美洲東部野生葡萄上的一種專性寄生病害[1]。生產(chǎn)中常用烯酰嗎啉、霜脲氰·錳鋅等化學(xué)農(nóng)藥進(jìn)行防控[2] ，而長期依賴化學(xué)農(nóng)藥使病菌產(chǎn)生抗性且在不同病原菌間傳播，迫使人們投入更大劑量的農(nóng)藥，形成惡性循環(huán)，食品安全、生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)峻[3]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，霜霉病的滋生與環(huán)境有密切關(guān)系，最主要是受空氣相對濕度和光照強(qiáng)度影響。因此，通過實時監(jiān)測環(huán)境并破壞病變條件，成為一種新型的、安全的葡萄霜霉病防治方式。

目前，國內(nèi)針對農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行了大量研究，并取得一定成果，但此類系統(tǒng)與葡萄霜霉病的防控尚未實現(xiàn)結(jié)合應(yīng)用，且仍存在一些不足。劉燕德采用MSP430單片機(jī)設(shè)計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[4]，僅適用于短距離通信傳輸;秦琳琳等設(shè)計的溫室監(jiān)控系統(tǒng)[5]，雖然實現(xiàn)了遠(yuǎn)程傳輸，但采用的有線連接，反而帶來了新的比如布線困難、網(wǎng)絡(luò)不易拓?fù)涞葐栴}，不適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用;鄭爭兵采用GSM設(shè)計的大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[6]，實現(xiàn)了無線遠(yuǎn)程通信，但用GSM短信方式傳輸大量的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致投入成本過高、數(shù)據(jù)冗余量大、不利于數(shù)據(jù)存儲與查詢。針對上述問題，本文設(shè)計了基于ZigBee和云平臺的葡萄霜霉病防控系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)防治葡萄霜霉病的弊端，通過分布于田間的采集節(jié)點收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)整合后，與病變閾值判斷實現(xiàn)智能防控。除此之外，在CC2530電路上增加RFX2401C功放單元，增加了節(jié)點間的通信距離。同時，利用MySQL數(shù)據(jù)庫、阿里云服務(wù)器平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收存儲與轉(zhuǎn)發(fā)，用戶可以登錄客戶端軟件直接對葡萄種植區(qū)環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢和病變閾值在線決策等操作。

1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對無線傳輸技術(shù)和葡萄園工作環(huán)境的綜合考慮，設(shè)計系統(tǒng)的具體方案如圖1所示。系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩部分構(gòu)成。環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由采集節(jié)點、控制節(jié)點以及協(xié)調(diào)器節(jié)點組成，采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器節(jié)點有且只有一個，其網(wǎng)絡(luò)地址[7]固定為0x0001;每個控制節(jié)點與周圍若干個采集節(jié)點構(gòu)成環(huán)境監(jiān)控單元，每個單元內(nèi)呈星型結(jié)構(gòu)，每個單元間通過路由節(jié)點以多跳的形式將數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由阿里云服務(wù)器和各客戶端構(gòu)成，為用戶提供實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、當(dāng)前病變閾值反饋以及病變閾值在線決策等服務(wù)功能。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

ZigBee是一種自組網(wǎng)、低成本、低功耗的雙向無線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、智能家居等領(lǐng)域[8]。

本文ZigBee網(wǎng)絡(luò)的處理器均采用TI公司的CC2530，具有8051內(nèi)核、可編程8 kB SRAM和256 kB FLASH ROM、2個USART、8通道ADC、21個通用I/O引腳、5種工作模式[9]，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。但在田間沒有路由中繼的條件下，如果僅用CC2530組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點間的傳輸距離小于80 m，若存在障礙物，傳輸距離會更短。考慮到葡萄種植區(qū)域范圍較大，系統(tǒng)CC2530增加RFX2401C射頻前端以提高節(jié)點間的傳輸距離，將RFX2401C自身特點與CC2530結(jié)合。RFX2401C集成PA、LNA、收發(fā)開關(guān)電路等，提供服務(wù)所需的射頻功能[10]。CC2530與RFX2401C的連接電路如圖2所示。

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2.1 ?采集節(jié)點設(shè)計

采集節(jié)點負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的采集與傳輸，選用AM2306溫濕度傳感器和GY?30數(shù)字光強(qiáng)檢測模塊分別對濕度、光照強(qiáng)度進(jìn)行采集。AM2306數(shù)字溫濕度傳感器有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點[11];光照強(qiáng)度的采集方面考慮對光源的影響小、寬范圍和高分解的要求，選擇I2C總線的GY?30數(shù)字光模塊，內(nèi)部采用BH150FVI，測量范圍[12]為1～65 535 lux。采集節(jié)點的電路設(shè)計如圖3所示。

2.2 ?控制節(jié)點設(shè)計

控制節(jié)點負(fù)責(zé)當(dāng)環(huán)境達(dá)到病變閾值時（閾值指霜霉病侵染與傳播的必要環(huán)境條件所對應(yīng)的參數(shù)）：初始閾值設(shè)置為濕度大于90%且光強(qiáng)[13]小于10 lux，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點下發(fā)補光指令，使控制節(jié)點開啟以破壞環(huán)境條件實現(xiàn)智能防控?？刂乒?jié)點由CC2530、繼電器、高聚光燈具、電機(jī)與驅(qū)動模塊和機(jī)械鏈路設(shè)備等組成，見圖4。

照明設(shè)備是采用2個高聚光燈，照射高度提至2 m，照射距離20 m左右，電機(jī)帶動機(jī)械鏈路進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式補光，照射面積約為350 m2，為避免在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生電線扭曲漏電等，電機(jī)旋轉(zhuǎn)順時針轉(zhuǎn)一圈后逆時針旋轉(zhuǎn)一圈，保證360°全方位照射?？刂乒?jié)點收到補光指令后，先進(jìn)行防誤判斷：若正處于執(zhí)行20 min補光防控過程中，則放棄該指令且不再接收重復(fù)指令，直至完成補光且休整5 min后進(jìn)入了等候狀態(tài)，繼續(xù)輪詢接收和執(zhí)行補光指令以實現(xiàn)智能防控。

2.3 ?協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是系統(tǒng)的關(guān)鍵，除了組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)、接收采集數(shù)據(jù)和下發(fā)補光指令外，協(xié)調(diào)器節(jié)點還與GPRS模塊連接，實現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互，負(fù)責(zé)上傳數(shù)據(jù)和接收在線閾值決策命令。GPRS通信是一種基于TCP/IP協(xié)議的無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)[14]，采用ATK?SIM900A，只需要10 s左右就能入網(wǎng)，成本低、訪問速度快。協(xié)調(diào)器節(jié)點電路如圖5所示。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ?下位機(jī)軟件設(shè)計

環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的軟件均是基于IAR Embedded Workbench 8.10集成開發(fā)環(huán)境、TI公司的ZigBee協(xié)議棧開發(fā)。由于系統(tǒng)節(jié)點多、數(shù)據(jù)量大，單純的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)不僅增加流量費用還會造成通信堵塞，因此系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后再與病變閾值比對判定是否生成對應(yīng)的防控指令，增加了系統(tǒng)防控有效性和準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)整合的主要流程分3個步驟：

1） 收集采集數(shù)據(jù)。將處于同一個監(jiān)控單元內(nèi)各采集節(jié)點數(shù)據(jù)收集，并將每個監(jiān)控單元記作System_N（N=1，2，…）予以區(qū)分;

2） 剔除異常值。倘若存在某一值與單元內(nèi)其他采集節(jié)點數(shù)據(jù)誤差大于20%，那么將該點直接標(biāo)定為異常值，將其剔除;

3） 求均值。所剩數(shù)據(jù)求其平均值，結(jié)果即為整合數(shù)據(jù)。

下位機(jī)軟件設(shè)計流程如圖6所示。

3.2 ?基于C/S的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件設(shè)計

基于C/S的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，是采用TCP/IP協(xié)議的 Socket 套接字多線程通信技術(shù)開發(fā)，服務(wù)器端和客戶端軟件均采用C#編程語言在Visual Studio 2013平臺實現(xiàn)，提供了處理數(shù)據(jù)庫操作的接口，如：ODBC，OLE DB， ActiveXDataObject（ADO）等[15]。在WinForm應(yīng)用程序開發(fā)中，若程序執(zhí)行批量計算或大量文件傳輸時，用戶會被鎖定，將無法與程序進(jìn)行交互，出現(xiàn)“假死”狀態(tài)。針對出現(xiàn)的這種情況，可以通過兩種方法解決，一種直接采用BackfgroundWorker控件;另外還可以使用線程委托方法解決。

4 ?系統(tǒng)測試與結(jié)果

系統(tǒng)在西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗示范站對通信質(zhì)量、測量精度、葡萄霜霉病防控性能等進(jìn)行測試。為測試系統(tǒng)通信質(zhì)量與距離的關(guān)系，采用2個ZigBee節(jié)點在0～350 m不同距離下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)果如表1所示。當(dāng)測試距離小于250 m時，丟包率低于4.6%，因此，系統(tǒng)添加的RFX2401C單元增加了通信距離，滿足應(yīng)用需求。

[丟包率=發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)-實收數(shù)據(jù)包數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)×100%]

為測試系統(tǒng)的測量精度，采用4個采集節(jié)點和1個協(xié)調(diào)器節(jié)點。采集節(jié)點每15 min進(jìn)行采集并上報協(xié)調(diào)器節(jié)點，其通過RS 232與本地PC相連，打開串口調(diào)試助手記錄存儲;另外采用HTC?1濕度計、TES?1332A照度計同時測量實際濕度和光強(qiáng)。系統(tǒng)與實測數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如表2所示。已知HTC?1濕度計測量精度為±5%，TES?1332A照度計測量精度為±3%～±4%。 經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)測量的濕度和光照強(qiáng)度的最大相對誤差分別為2.42%和4.02%，因此系統(tǒng)測量精度基本滿足應(yīng)用要求。

為測試系統(tǒng)對葡萄霜霉病的防控性能，將大棚第1～5排作為對照組（自然生長）、第6～10排作為試驗組（采用本系統(tǒng)防控培養(yǎng)），將4個采集節(jié)點放在第6，7，9，10排，控制節(jié)點放置在第8排中間進(jìn)行智能防控。經(jīng)兩個月測試，針對標(biāo)記植株的圖片比對如圖7所示，圖7b）未見葉片感染葡萄霜霉病菌，且葡萄植株葉片和幼果長勢良好;而圖7a）葡萄葉片明顯出現(xiàn)霜霉病侵染癥狀。

尤其是生長在采光不足、陰冷潮濕的環(huán)境下，在葉片背面出現(xiàn)大面積類似霜狀的白色病菌，葡萄幼果變軟、脫落現(xiàn)象。因此，本系統(tǒng)對于防控葡萄霜霉病針對性強(qiáng)，具有一定防控作用。遠(yuǎn)程客戶端界面見圖8。

5 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計并實現(xiàn)基于ZigBee和云平臺的葡萄霜霉病防控系統(tǒng)，通過實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)跟病變閾值比對實現(xiàn)智能防控。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的通信距離遠(yuǎn)、信號穩(wěn)定、測量精度高、能有效防控葡萄霜霉病的發(fā)生，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件功能豐富，為目前葡萄霜霉病的防控提供了有效可行的解決方案，具有一定的市場推廣和應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為來智勇。

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