基于6LoWPAN的植物工廠智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于鵬澎　潘杰

【摘 要】針對(duì)植物工廠對(duì)溫濕度、CO2濃度、光照等環(huán)境參數(shù)的智能監(jiān)測(cè)要求，基于6LoWPAN技術(shù)設(shè)計(jì)了植物工廠智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)搭建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)，設(shè)計(jì)6LoWPAN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路、軟件程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠內(nèi)環(huán)境信息的綜合、實(shí)時(shí)、智能監(jiān)測(cè)，提升植物工廠生產(chǎn)信息化水平。

【關(guān)鍵詞】植物工廠;6LoWPAN;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）22-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.006

隨著工業(yè)發(fā)展和城市規(guī)模擴(kuò)張，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，已不能滿足人們對(duì)高品質(zhì)作物的需求[1]。以設(shè)施園藝、環(huán)境科學(xué)和電子信息等技術(shù)為基礎(chǔ)的植物工廠作為最新現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，成為破解這一難題的關(guān)鍵。植物工廠內(nèi)溫濕度、CO2濃度、光照是影響作物生長(zhǎng)的主要因素，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制是保障作物高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)[2]。目前，我國(guó)植物工廠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用獨(dú)立控制，設(shè)備間不互聯(lián)，缺乏整體性，擴(kuò)展能力差不滿足現(xiàn)代植物工廠綜合、實(shí)時(shí)、智能監(jiān)測(cè)要求[3]。6LoWPAN（IPv6 over Low-power wireless Personal Area Networks）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接[4]，具有低功耗、地址資源豐富、自主組網(wǎng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于植物工廠智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

1 植物工廠智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

植物工廠內(nèi)作物要保持最佳生長(zhǎng)狀態(tài)，離不開(kāi)適宜的溫濕度、CO2濃度、光照等環(huán)境因素。基于6LoWPAN的植物工廠智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)境因素，為內(nèi)部環(huán)境調(diào)節(jié)提供依據(jù)。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由PC終端，路由器，6LoWPAN網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成，具體如圖1所示。

其中，傳感器節(jié)點(diǎn)搭載溫濕度、CO2濃度、光照等各類型傳感器完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并將其傳輸至6LoWPAN網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)完成IEEE802.15.4無(wú)線IPv6數(shù)據(jù)與IEEE802.3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)IPv6用戶終端與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)之間的連接與通信，實(shí)現(xiàn)植物工廠環(huán)境數(shù)據(jù)的互聯(lián)、實(shí)時(shí)、智能監(jiān)測(cè)。

2 植物工廠智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 6LoWPAN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

6LoWPAN網(wǎng)關(guān)是IPv6有線網(wǎng)絡(luò)與6LoWPAN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)通信的接口，具有IEEE802.15.4無(wú)線IPv6數(shù)據(jù)同IEEE802.3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)IPv6用戶終端訪問(wèn)該網(wǎng)關(guān)下的6LoWPAN傳感器網(wǎng)絡(luò)。6LoWPAN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，主控芯片使用TI公司開(kāi)發(fā)的片上系統(tǒng)CC2538，該芯片采用ARM Cortex-3架構(gòu)，功能完善，具備97dBm的接收靈敏度，可編程輸出功率高至7dBm，擁有32K RAM和512K存儲(chǔ)器，能夠滿足植物工廠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理要求[5]。ENC28J60以太網(wǎng)芯片以SPI總線方式與CC2538芯片連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸快速處理。射頻收發(fā)機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)作為植物工廠智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵模塊，對(duì)植物工廠內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集并傳輸至6LoWPAN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。圖3為傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框圖。傳感器節(jié)點(diǎn)主控芯片選用TI公司CC2530產(chǎn)品。該芯片集成射頻收發(fā)技術(shù)，搭載增強(qiáng)型80C51內(nèi)核，配置8KB RAM和256KB存儲(chǔ)器[6]，具有多種低功耗工作模式，能夠以較低成本實(shí)現(xiàn)植物工廠環(huán)境數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。

傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中，傳感監(jiān)測(cè)電路根據(jù)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)不同選配不同類型傳感器。本設(shè)計(jì)分別選用：（1）DHT11型溫濕度傳感器：該傳感器檢測(cè)溫度、濕度參數(shù)，數(shù)字量輸出，單總線通訊，接口簡(jiǎn)單，響應(yīng)快、抗干擾，適用范圍廣;（2）TGS4160型CO2傳感器：該傳感器檢測(cè)CO2濃度，屬于電化學(xué)型傳感器，電壓模擬量輸出，測(cè)量范圍廣，功耗低，持久耐用;（3）BH1750FVI型光照傳感器：該傳感器檢測(cè)光照強(qiáng)度，光譜靈敏度高、測(cè)量范圍廣、可靠性高、功耗低、支持I2C接口。

3 植物工廠智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Contiki是專為L(zhǎng)LN （Low power and Lossy networks）網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)，并提供uIPv6協(xié)議棧支持，具有處理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀和IPv6網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文的功能[7]。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件基于Contiki操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，具體分為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。

6LoWPAN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通電后，監(jiān)聽(tīng)UDP端口狀態(tài)，等待接收遠(yuǎn)程PC端數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析處理。依據(jù)接收到的內(nèi)容生成不同指令，在完成數(shù)據(jù)壓縮、報(bào)文分片后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。6LoWPAN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)等待傳感器節(jié)點(diǎn)回傳采集數(shù)據(jù)，最后對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重組和解壓縮等處理，并封裝成IPv6報(bào)文傳送至PC端，實(shí)現(xiàn)植物工廠環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)傳輸，具體流程如圖4（a）。

傳感器節(jié)點(diǎn)通電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，完成系統(tǒng)參數(shù)配置，等待6LoWPAN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令信息。傳感器節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后，進(jìn)行報(bào)文重組、解壓縮等處理。若收到的指令信息為環(huán)境監(jiān)測(cè)，則跳轉(zhuǎn)至環(huán)境監(jiān)測(cè)子程序進(jìn)行環(huán)境信息采集;若收到的指令信息為控制指令，則修改傳感器參數(shù)配置。傳感器節(jié)點(diǎn)完成環(huán)境信息采集和參數(shù)配置后，將采集結(jié)果和配置參數(shù)封裝成數(shù)據(jù)報(bào)文，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和報(bào)文分片，最后將數(shù)據(jù)幀傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。具體流程如圖4（b）。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于6LoWPAN技術(shù)設(shè)計(jì)了植物工廠智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)植物工廠內(nèi)無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)植物工廠環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為植物工廠內(nèi)作物保持最佳生長(zhǎng)狀態(tài)提供保證。

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