基于RS485串口的作物生長環境因子監測無線網絡的設計

肖乾虎+翁紹捷+賀芳+夏澤豪+張文清

摘要:采用RS485串口,設計了轉換電路,實現了采集數據由模擬信號轉換為標準Modbus RTU格式的數字信號;采用ZigBee無線網絡實現了數據的上傳;對ZigBee無線網絡的通信距離進行了理論估算和生產基地測試,估算值為1 691.99 m。晴天的通信距離是1 680 m,誤差為7.09%;由于ZigBee無線網絡受雨天的影響,通信距離是1 520 m,誤差為10.16%。

關鍵詞:RS485串口;ZigBee無線網絡;監測;作物生長;環境因子

中圖分類號:TP277;TN92文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2014)10-2421-03

Designing Wireless Network for Monitoring Environmental Factor of Crop

Growth Based on RS485

XIAO Qian-hu,WENG Shao-jie,HE Fang,XIA Ze-hao,ZHANG Wen-qing

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hainan University,Haikou 570228,China)

Abstract:A circuit was designed to convent analog signal to Modbus RTU format digital signals with with RS485 serial port.Wireless network used ZigBee to transmit data. The communication distance of the ZigBee wireless network was studied theoretically and tested in production base. The estimated distance was 1 691.99 m. The tested distance was 1 680 m with 7.09% error in sunny day.Because of the influence of rain,the tested communication distance was 1 520 m with 10.16% error.

Key words: RS485 serial port;ZigBee wireless network;monitor;crop growth;environment factor

基金項目:國家星火計劃項目(S2011E200025);2013年海南省研究生創新課題項目(s22)

作物生長環境因子如土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度等,對作物生長有著重要的影響。近年來,國內外對作物生長環境因子的采集方式、數據傳輸方式及上位機監測有許多研究報道,采用無線傳感器網絡的采集和傳輸方式得到了快速的發展[1-3]。根據檢測參數的不同,分為地上參數檢測傳感器網絡和無線地下參數檢測傳感器網絡。李莉等[4]開發出了基于無線傳感器網絡的溫室環境監測系統,該系統采用GRPS與遠程管理中心通信,實現了溫室的溫度、濕度和光照度等6個參數的監測。Akyildiz等[5]開發了一種檢測高爾夫球場的近地表土壤水分的傳感器網絡系統,設計了采集節點、匯聚節點和網關節點。目前,采集方式多以電流或電壓輸出的傳感器為主,導致連接模塊過多,系統的擴展性和靈活性不足。針對此不足,采用RS485串口通信、標準Modbus RTU數據格式以及ZigBee無線網絡,設計了監測作物生長環境因子的無線傳感器網絡,以供參考。

1網絡結構

1.1 網絡構成原理

網絡主要由采集節點、路由節點和匯聚節點構成,結構如圖1所示。傳感器芯片和轉換電路構成了采集模塊,完成現場數據的采集。傳感器芯片采集的數據以標準的4~20 mA電流或者0~5 V電壓輸出到轉換電路。轉換電路中的A/D模塊,將電流或電壓模擬信號轉換成Modbus RTU數字信號,然后經RS485串口輸出到ZigBee路由。ZigBee路由端口也是RS485串口,每個ZigBee路由節點攜帶多個采集模塊,實現對作物生長環境因子監測,所有的ZigBee路由通過無線網絡傳輸到ZigBee匯聚節點,然后通過GPRS/Internet傳輸到上位機。

1.2轉換電路的設計

采集模塊中的轉換電路,將傳感器芯片輸出的模擬電流或者電壓信號轉換成標準Modbus RTU的數字信號,轉換電路圖如圖2所示。在轉換電路中,采用12位的A/D轉換精度,并對信號和電源進行了隔離。每個RS485串口可攜帶255個采集傳感器。所有的相關參數保存在非易失的存儲器EEPROM中。數據采用Modbus RTU協議進行格式轉換,將模擬信號轉換為數字信號。

1.3網絡的通信

整個網絡的建立由ZigBee協調器發起,其余節點主動尋找網絡號,并根據預設的網絡號加入相應的網絡,每個終端設備都有全網惟一的設備地址。設備地址和網絡地址是區分采集設備和無線網絡的ID。整個網絡的數據包括查詢指令和上傳采集數據方向相反。上位機是局域網的IP地址,在交換機上采用端口映射的方式,實現數據的交換。ZigBee無線網絡中,采用數據透傳方式,進行數據傳輸。上位下達的查詢指令以及下位機上傳的采集數據。采集的數據是Modbus RTU格式,由設備地址、功能碼、采集原始值和校驗碼構成。數據流通的環節依次為采集模塊、RS485串口、ZigBee、GPRS、Internet、DriverForGprs、KVCom和KingView。

2網絡測試與分析

2.1 通訊距離的理論估算

根據802.15.4a信道的特點,IEEE組織在環境中進行了實際測量,構建了基于802.15.4a信道,且適用于2~10 GHz(UWB),100~1 000 MHz的信道傳輸路徑損耗模型,表達式如公式1。

Pr=PtAantGtGrPLo■■(1)

其中,Pr為接收機功率,單位為dBm;Pt為發射機功率,單位為dBm;d為發射機與接收機的距離,單位為m;d0為參考距離等于1 m;Gt為發送天線增益;Gr為接收天線增益;Aant為天線衰減因子,單位為dB;s為損耗計算的標準方差,單位為dB;PL0為參考距離下的損耗大小,單位為dB;fc為參考中心頻率等于5 GHz;k為頻率影響修正系數。

對公式(1)進行推導,可得通信最大距離,如下公式2。

dmax=10■

(2)

結合郭宏福等[6,7]研究、本系統的ZigBee路由和匯聚節點的硬件參數和測試結果,得出公式的修正參數(表1)。其中,Gt和Gr都等于1。

在ZigBee模塊中,將信道分為11~26號通道,每個信道帶寬2 MHz,信道間隔5 MHz。WiFi有11個信道,每個信道帶寬22 MHz。其中,4個ZigBee信道,即第15、20、25和26信道處于WiFi信道的頻帶間距上,受到的干擾最少,其余信道落在WiFi信道上。為了減少ZigBee信道被WiFi的干擾,信道可選擇上述4個信道之一,本系統采用第25信道。經計算第25信道的中心頻率(f)為2.475 GHz,ZigBee路由與匯聚節點的通信距離是1 691.99 m。

2.2生產基地的測試

在實際作物生長環境中,同樣也會受到地表地貌、植株密度與高度以及天氣等的影響[8]。節點對地面的高度影響信號的強度和丟包率。越貼近地表,損耗越大。郭秀明等[9]在蘋果園中測試表明2.4 GHz的無線信號衰減符合對數路徑損耗模型,且在高度約為3 m時為最佳布置位置(3 m為蘋果樹的高度),其次是高度大于2.25 m的位置。李偲鈺等[10]在小麥田中測試表明2.4 GHz無線信號衰減符合對數距離路徑損耗模型,隨著損耗指數與天線指數呈對數衰減,并且衰減指數隨著小麥的長高而增大,建議安裝高度略高于成熟植株,約1.2 m。根據研究成果表明,ZigBee發射和接收信號端,要避免植株的莖,盡量高于或者低于枝葉茂盛部位。本測試在種植甘蔗和其他作物的生產基地進行,安裝高度高于普通農作物高度,即2 m,分別在晴天和雨天進行通信測試。

2.2.1 傳輸距離測試ZigBee無線網絡通信距離的測試采用網絡節點距離逐漸增大的方法進行測試,直到彼此間不能通信。測試結果表明,晴天網絡的通信距離較長,相隔較長距離仍能通信,可視距離達1 680 m,與理論最大估算距離的誤差為7.09%;雨天的通信距離有較大縮短,可視距離為1 520 m,與理論最大估算距離的誤差為10.16%,有較大的誤差,主要受到雨水的影響。

2.2.2丟包率分析采用物聯網綜合分析儀IOTA-1100對網絡的丟碼率進行測試,測試距離從100 m逐漸增大到1 700 m。數據包的發送采用每秒鐘發送14個數據包,發送時長為5 min,然后計數接收到的數據包,計算丟包率。分別在晴天和雨天兩種天氣條件下試驗,節點的信息傳輸情況晴天、雨天見表2。

3小結

采用傳感器芯片和自主設計的轉換電路及ZigBee無線網絡,設計了基于RS485串口的無線傳感器網絡。該網絡將傳統的傳感器電流或者電壓輸出方式變為標準的RS485輸出,一個端口可攜帶255個采集傳感器,提高了系統的擴展性和通用性,ZigBee無線網絡采用數據透傳的方式。采用信道損耗模型,對網絡的最大通信距離進行了理論估算。在生產基地對通信距離和丟包率進行了測試,并得出了相應的誤差和丟包率。

參考文獻:

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[10] 李偲鈺,高紅菊,姜建釗.小麥田中天線高度對2.4GHz無線信道傳播特性的影響[J].農業工程學報,2009,25(13):184-189.

2.2生產基地的測試

在實際作物生長環境中,同樣也會受到地表地貌、植株密度與高度以及天氣等的影響[8]。節點對地面的高度影響信號的強度和丟包率。越貼近地表,損耗越大。郭秀明等[9]在蘋果園中測試表明2.4 GHz的無線信號衰減符合對數路徑損耗模型,且在高度約為3 m時為最佳布置位置(3 m為蘋果樹的高度),其次是高度大于2.25 m的位置。李偲鈺等[10]在小麥田中測試表明2.4 GHz無線信號衰減符合對數距離路徑損耗模型,隨著損耗指數與天線指數呈對數衰減,并且衰減指數隨著小麥的長高而增大,建議安裝高度略高于成熟植株,約1.2 m。根據研究成果表明,ZigBee發射和接收信號端,要避免植株的莖,盡量高于或者低于枝葉茂盛部位。本測試在種植甘蔗和其他作物的生產基地進行,安裝高度高于普通農作物高度,即2 m,分別在晴天和雨天進行通信測試。

2.2.1 傳輸距離測試ZigBee無線網絡通信距離的測試采用網絡節點距離逐漸增大的方法進行測試,直到彼此間不能通信。測試結果表明,晴天網絡的通信距離較長,相隔較長距離仍能通信,可視距離達1 680 m,與理論最大估算距離的誤差為7.09%;雨天的通信距離有較大縮短,可視距離為1 520 m,與理論最大估算距離的誤差為10.16%,有較大的誤差,主要受到雨水的影響。

2.2.2丟包率分析采用物聯網綜合分析儀IOTA-1100對網絡的丟碼率進行測試,測試距離從100 m逐漸增大到1 700 m。數據包的發送采用每秒鐘發送14個數據包,發送時長為5 min,然后計數接收到的數據包,計算丟包率。分別在晴天和雨天兩種天氣條件下試驗,節點的信息傳輸情況晴天、雨天見表2。

3小結

采用傳感器芯片和自主設計的轉換電路及ZigBee無線網絡,設計了基于RS485串口的無線傳感器網絡。該網絡將傳統的傳感器電流或者電壓輸出方式變為標準的RS485輸出,一個端口可攜帶255個采集傳感器,提高了系統的擴展性和通用性,ZigBee無線網絡采用數據透傳的方式。采用信道損耗模型,對網絡的最大通信距離進行了理論估算。在生產基地對通信距離和丟包率進行了測試,并得出了相應的誤差和丟包率。

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2.2生產基地的測試

在實際作物生長環境中,同樣也會受到地表地貌、植株密度與高度以及天氣等的影響[8]。節點對地面的高度影響信號的強度和丟包率。越貼近地表,損耗越大。郭秀明等[9]在蘋果園中測試表明2.4 GHz的無線信號衰減符合對數路徑損耗模型,且在高度約為3 m時為最佳布置位置(3 m為蘋果樹的高度),其次是高度大于2.25 m的位置。李偲鈺等[10]在小麥田中測試表明2.4 GHz無線信號衰減符合對數距離路徑損耗模型,隨著損耗指數與天線指數呈對數衰減,并且衰減指數隨著小麥的長高而增大,建議安裝高度略高于成熟植株,約1.2 m。根據研究成果表明,ZigBee發射和接收信號端,要避免植株的莖,盡量高于或者低于枝葉茂盛部位。本測試在種植甘蔗和其他作物的生產基地進行,安裝高度高于普通農作物高度,即2 m,分別在晴天和雨天進行通信測試。

2.2.1 傳輸距離測試ZigBee無線網絡通信距離的測試采用網絡節點距離逐漸增大的方法進行測試,直到彼此間不能通信。測試結果表明,晴天網絡的通信距離較長,相隔較長距離仍能通信,可視距離達1 680 m,與理論最大估算距離的誤差為7.09%;雨天的通信距離有較大縮短,可視距離為1 520 m,與理論最大估算距離的誤差為10.16%,有較大的誤差,主要受到雨水的影響。

2.2.2丟包率分析采用物聯網綜合分析儀IOTA-1100對網絡的丟碼率進行測試,測試距離從100 m逐漸增大到1 700 m。數據包的發送采用每秒鐘發送14個數據包,發送時長為5 min,然后計數接收到的數據包,計算丟包率。分別在晴天和雨天兩種天氣條件下試驗,節點的信息傳輸情況晴天、雨天見表2。

3小結

采用傳感器芯片和自主設計的轉換電路及ZigBee無線網絡,設計了基于RS485串口的無線傳感器網絡。該網絡將傳統的傳感器電流或者電壓輸出方式變為標準的RS485輸出,一個端口可攜帶255個采集傳感器,提高了系統的擴展性和通用性,ZigBee無線網絡采用數據透傳的方式。采用信道損耗模型,對網絡的最大通信距離進行了理論估算。在生產基地對通信距離和丟包率進行了測試,并得出了相應的誤差和丟包率。

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[10] 李偲鈺,高紅菊,姜建釗.小麥田中天線高度對2.4GHz無線信道傳播特性的影響[J].農業工程學報,2009,25(13):184-189.