基于ZigBee與GPRS 的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

張國(guó)揚(yáng)，郝萬(wàn)君，李 澤，陳建鎖，張 偉

（蘇州科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

近年來(lái)隨著大棚農(nóng)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化管理成為了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。大棚溫室內(nèi)的土壤濕度、環(huán)境溫濕度、葉面濕度等環(huán)境因素對(duì)農(nóng)作物的質(zhì)量以及穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)有很大的影響。如何實(shí)時(shí)、有效地獲取內(nèi)部各種環(huán)境參數(shù)，為種植過(guò)程的科學(xué)灌溉提供數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)收益，具有重大的意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，目前常用的方法是人工巡查和有線數(shù)據(jù)采集兩種。人工巡查方式消耗人力、工作量大，且難以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與有效性。另一種是采用有線通訊的數(shù)據(jù)采集方式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其布線復(fù)雜，且受物理線路和環(huán)境因素影響大，成本高，不適于擴(kuò)展。隨著無(wú)線通訊的發(fā)展，以往的有線系統(tǒng)漸漸被無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取代，尤其是近些年我國(guó)GPRS/CDMA無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及ZigBee技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用，使得開(kāi)發(fā)一個(gè)廉價(jià)而低耗的無(wú)線系統(tǒng)成為易事[1]。作為一種近距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的雙向無(wú)線傳輸技術(shù)，被廣泛用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、災(zāi)難預(yù)防等領(lǐng)域，也成為近年來(lái)數(shù)字農(nóng)業(yè)研究中的熱點(diǎn)之一[2-4]。 針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，研制具有多測(cè)點(diǎn)、多參數(shù)、可移動(dòng)、使用便捷的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大棚溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)各種環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；GPRS網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)以及與Internet無(wú)縫連接,遠(yuǎn)程管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析、管理。

為了減低成本，此處網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)[5]功能主要是實(shí)現(xiàn)ZigBee的協(xié)調(diào)器與gprs模塊間的通訊。使得協(xié)調(diào)器收到的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)GPRS模塊傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。帶有的大量傳感器的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)分別放置在大棚的不同地方，各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的感知與采集，數(shù)據(jù)以最短路徑原則沿著其他路由節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍必須包含另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，以防傳輸線路中有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸中斷。在傳輸過(guò)程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，多跳到每個(gè)簇的匯聚節(jié)點(diǎn)，然后傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程的服務(wù)器采用經(jīng)典的C/S模式[6]實(shí)現(xiàn)通訊，使用者也可根據(jù)需要使用智能手機(jī)作為客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)的收集大棚中的環(huán)境參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，做出判斷與決測(cè)。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure of the system

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)大棚中環(huán)境溫濕度，二氧化碳含量等環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)于節(jié)點(diǎn)處理器的處理能力不需要很高的要求，且發(fā)送的數(shù)據(jù)量小。為了降低成本，本系統(tǒng)采用單片CC2530作為處理器，用于數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的無(wú)線通訊。電源模塊則對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行提供能源，以滿(mǎn)足系統(tǒng)中不同模塊對(duì)電源的需求，保證正常運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)硬件主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware of node

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要由環(huán)境溫濕度、二氧化碳等傳感器等部分組成。土壤濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)種植區(qū)域的土壤水分，環(huán)境溫濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度和濕度，二氧化碳傳感器用于監(jiān)測(cè)溫室中的二氧化碳含量，保證植物能在合適環(huán)境中生長(zhǎng)。溫濕度傳感器采用SHT11傳感器，它是由工廠校準(zhǔn)，輸出溫度的分辨率為0.01℃，輸出相對(duì)濕度的分辨率為0.03%。它提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個(gè)敏感元件與一個(gè) 14位的 A/D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)串行接口電路設(shè)計(jì)在同一個(gè)芯片上面。該傳感器響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性?xún)r(jià)比。它與單片機(jī)的接口也非常簡(jiǎn)單與IIC協(xié)議類(lèi)似。本系統(tǒng)中對(duì)CO2含量監(jiān)測(cè)有較高的要求，且傳感器應(yīng)受溫濕度的變化小。這里采用MG811型的二氧化碳傳感器，它主要實(shí)用與空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)和溫室二氧化碳濃度檢測(cè)。二氧化碳傳感器經(jīng)過(guò)高輸入阻抗放大器放大后接入單片機(jī)，利用CC2530內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.1.2 電源模塊

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中處理器CC2530需要3,3 V供電，而傳感器模塊和放大器等需要5 V供電。為了滿(mǎn)足不同模塊對(duì)電源的需求，以及節(jié)點(diǎn)的便捷性。我們采用多節(jié)1.5 V干電池供電，通過(guò)LM1117輸出所需的3.3 V和5 V電壓。LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1,2 V輸出，負(fù)載電流為800 mA時(shí)為1.2 V。它有5個(gè)固定電壓輸出 （1.8 V，2,5 V，2.85 V，3.3 V和5 V）的型號(hào)，此外它還提供電流限制和熱保護(hù)。輸出電壓精度在1%以?xún)?nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)輸出端需要一個(gè)至少10 uF的鉭電容來(lái)改善瞬時(shí)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

2.1.3 無(wú)線通訊模塊

無(wú)線通訊模塊主要采用CC2530芯片和低功耗射頻前端CC2591[7],它主要用于功率放大，大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設(shè)計(jì)。TI公司的CC2591是高性?xún)r(jià)比和高性能的2.4 GHz RF前端,適合低功耗低電壓2.4 GHz無(wú)線應(yīng)用，CC2591的輸出功率高達(dá)22 dBm,集成了開(kāi)關(guān)，匹配網(wǎng)絡(luò)和平衡/不平衡電路，電感，功率放大器(PA)以及低噪音放大器(LNA)，可以用在所有的2.4 GHz ISM系統(tǒng),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線工業(yè)系統(tǒng)，IEEE 802.15.4和ZigBee系統(tǒng)，無(wú)線消費(fèi)類(lèi)電子系統(tǒng)和無(wú)線音頻系統(tǒng)。CC2530與CC2591主要部分硬件連接如圖3所示。

當(dāng)HGM為高電平,表示CC2591接收數(shù)據(jù)時(shí),LNA是高增益模式;當(dāng)HGM為低電平,表示CC2591接收數(shù)據(jù)時(shí),LNA是低增益模式。而EN引腳和PA_EN引腳在CC2591正常工作時(shí)候置為高電平,當(dāng)其進(jìn)入低功耗模式時(shí)候,將其置為低電平,這樣可以降低功耗。CC2530的I/O端口P1_1,P1_4,P0_7連接 CC2591的HGM、EN、PA_EN引腳實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)來(lái)控制CC2591。

圖3 CC2530與CC2591主要部分硬件連接圖Fig.3 Hardware connection diagram of the main part of CC2530 and CC2591

2.2 終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸采用基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議，使用API操作模式。API操作模式通常應(yīng)用于較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)傳輸,通過(guò)改變目標(biāo)地址來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),傳輸結(jié)束后返回確認(rèn)信息(或已發(fā)送成功,或發(fā)送失敗)。接收數(shù)據(jù)時(shí)可以額外接收到發(fā)送端模塊的發(fā)送信息，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)配置后,實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的在線參數(shù)配置[8]，分配系統(tǒng)資源。

當(dāng)協(xié)調(diào)器運(yùn)行后，協(xié)調(diào)器便建立了ZigBee網(wǎng)絡(luò)。周?chē)墓?jié)點(diǎn)紛紛加入到網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)。這里設(shè)置一些發(fā)送事件（如發(fā)送溫度，濕度等數(shù)據(jù)），在該事件中我們可以調(diào)用傳感器的采集程序，處理完數(shù)據(jù)后便把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作過(guò)程大體如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)的工作過(guò)程流程圖Fig.4 Flow chart of the working process of node

其中sendTheMessage()函數(shù)中調(diào)用傳感器采集程序并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后調(diào)用AF_DataRequest（）進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。此外在sendTheMessage()函數(shù)中我們還對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷， 如果出現(xiàn)異常 （如溫度過(guò)高等），設(shè)置osal_start_timerEx(GenericApp_TaskID,SEND_DATA_EVENT,1 000);即1 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)；而正常情況下為15 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)。這種設(shè)計(jì)方法既能實(shí)現(xiàn)低功耗，減輕網(wǎng)絡(luò)的通訊壓力，不至于引發(fā)局部網(wǎng)絡(luò)癱瘓的現(xiàn)象，還可以較好地保證實(shí)時(shí)性，提高信息可靠性。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)采集的數(shù)據(jù)。它一方面通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器與傳感器網(wǎng)絡(luò)相連接，另一方面通過(guò)GPRS通信模塊與Internet外部網(wǎng)絡(luò)連接。實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議直接的轉(zhuǎn)換，發(fā)布遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的監(jiān)測(cè)任務(wù)，也要把收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到與Internet網(wǎng)絡(luò)相連的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心[7]。GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，可以達(dá)到數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)哪康摹＞W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要由CC2530芯片模塊、GPRS通信模塊以及電源模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。GPRS通信采用華為公司的GTM900 GPRS模塊，它是當(dāng)今市場(chǎng)上尺寸最小的三頻GPRS模塊之一,完美地支持語(yǔ)音通信和短消息方式通信的功能，可以用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信與手機(jī)信息交互的功能，以便及時(shí)地處理情況。GTM900內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議與Internet網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議相同，易與Internet網(wǎng)絡(luò)相連，此外它支持AT命令操作，利用指令A(yù)T%IPOPEN="TCP","219.136.10.247",60000便可建立與Internet連接，便捷了開(kāi)發(fā)與使用。

圖5 網(wǎng)關(guān)基本框架Fig.5 Gateway of the basic framework

4 管理軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的管理平臺(tái)軟件是基于.NET平臺(tái)下開(kāi)發(fā)，使用SOCKET套接字實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議；運(yùn)用C/S模式實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)控制。首先是服務(wù)端設(shè)計(jì)，主要是用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)服務(wù)端收到來(lái)自于網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)時(shí)便轉(zhuǎn)發(fā)給其他的客戶(hù)端包括電腦客戶(hù)端或者智能手機(jī)客戶(hù)端。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了試驗(yàn)所搭建的系統(tǒng)的性能，本文選用蘇州市太倉(cāng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地作為試點(diǎn)。選用5個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和筆記本電腦形成監(jiān)測(cè)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳到上位機(jī)，在上位機(jī)上可以實(shí)時(shí)看到數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)顯示，在樹(shù)林里傳輸距離能夠達(dá)到50 m，可以滿(mǎn)足溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要。其中服務(wù)端數(shù)據(jù)圖6所示。

圖6 試驗(yàn)中的服務(wù)端界面圖Fig.6 Server interface figure in the test

6 結(jié)論

本文針對(duì)溫室大棚提高產(chǎn)量及質(zhì)量的需求，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于溫室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。著重介紹了，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)以及通過(guò)GPRS技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用節(jié)點(diǎn)功耗低、工作時(shí)間長(zhǎng)、成本低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，為科學(xué)的種植提供科學(xué)依據(jù)。

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