溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李天華 仲崇哲 魏珉 李清明 侯加林

摘要：為了實(shí)現(xiàn)溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)的高效采集與實(shí)時(shí)傳輸，解決傳統(tǒng)溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的繁瑣布線問題，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的傳感器終端以CC2530 射頻單片機(jī)為控制核心，并結(jié)合空氣溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、大氣壓強(qiáng)傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、水滴流速傳感器；協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)采用CC2530作為控制核心，并利用GPRS技術(shù)將現(xiàn)場檢測到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)或移動設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對溫室蔬菜生長環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及遠(yuǎn)程傳輸，這不僅可以使消費(fèi)者及時(shí)了解蔬菜的生長狀況，還可以為研究人員提供準(zhǔn)確的研究數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：溯源數(shù)據(jù)；CC2530；GPRS；無線傳輸；溫室蔬菜

中圖分類號：S126文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2016）07-0142-04

蔬菜是重要的食用農(nóng)產(chǎn)品之一，隨著人們經(jīng)濟(jì)收入的增加和生活水平的提高，對蔬菜的需求已逐步從數(shù)量型轉(zhuǎn)向質(zhì)量型[1]，不僅要求其數(shù)量充足和周年供應(yīng)，而且更關(guān)心蔬菜的內(nèi)在質(zhì)量[2]，因此，蔬菜的質(zhì)量安全問題在當(dāng)前顯得十分重要和緊迫。建立蔬菜質(zhì)量溯源系統(tǒng)是完善蔬菜食品安全保障制度的一種新型模式[3]，溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在蔬菜質(zhì)量溯源系統(tǒng)中起著基礎(chǔ)性作用。筆者結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：以TI公司的CC2530無線射頻單片機(jī)和傳感器組構(gòu)成傳感器終端，以CC2530無線射頻單片機(jī)和GPRS模塊構(gòu)成協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，以ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，采用B/S 3層架構(gòu)建立溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)。

1溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案

溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)傳感器終端、協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)組成。其中傳感器終端分布在溫室大棚內(nèi)并搭載土壤溫度傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、大氣壓強(qiáng)傳感器和水滴流速傳感器，實(shí)現(xiàn)溯源數(shù)據(jù)的采集；協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)匯總傳感器終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊發(fā)送到溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)，上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理和顯示功能。溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要由傳感器終端和協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。傳感器終端由傳感器組和CC2530無線射頻單片機(jī)組成，并基于ZigBee平臺實(shí)現(xiàn)參數(shù)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋f(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由CC2530無線射頻單片機(jī)和GPRS無線通信模塊組成。傳感器終端檢測到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的CC2530無線射頻單片機(jī)，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS無線通信模塊，GPRS無線通信模塊再通過Internet網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)或移動終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)絡(luò)在上位機(jī)、移動終端之間的通信。

2.1傳感器終端設(shè)計(jì)

空氣溫濕度采用DHT11溫濕度傳感器檢測。DHT11采用單總線接口傳輸數(shù)據(jù)，因此只需將DHT11的DATA引腳與CC2530的I/O口相連接即可[4]。

土壤溫度采用單總線的DS18B20溫度傳感器檢測，其DATA 引腳與 CC2530的I/O接口相連就可以完成溫度的檢測。土壤濕度采用FC-28土壤濕度傳感器進(jìn)行檢測，為了獲得更加準(zhǔn)確的土壤濕度數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用模擬量輸出，由于CC2530自帶可配置的12位ADC，只需將FC-28的A0引腳與CC2530的ADC引腳相連即可。

水滴流速采用YL-83水滴流速傳感器測量，其連接方式與FC-28土壤濕度傳感器相同。

大氣壓強(qiáng)采用BMP180大氣壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行測量。BMP180是一款高精度、小體積、超低能耗的壓力傳感器，可以應(yīng)用在移動設(shè)備中[5]，并可以通過I2C總線直接與各種微處理器相連[6]。

采用 16位串行輸出數(shù)字式照度傳感器 BH1750FVI對溫室蔬菜生長環(huán)境的光照度進(jìn)行檢測。BH1750FVI 具有與人類視覺靈敏度相似的優(yōu)良光譜靈敏度特性，測量范圍1～6 553 lx，可以測量從黑暗到日光直射環(huán)境的寬范圍的光照度[7]；內(nèi)部集成 ADC采用I2C總線接口，直接與 CC2530 I/O 接口相連即可。

溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器終端結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)接收到來自傳感器終端的數(shù)據(jù)后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到遠(yuǎn)程上位機(jī)或手持設(shè)備，實(shí)現(xiàn)溫室蔬菜生長環(huán)境與上位機(jī)和移動終端之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)系統(tǒng)所需，協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)以美國TI公司生產(chǎn)的 CC2530射頻芯片作為控制核心[8]，采用SIMCOM公司生產(chǎn)的工業(yè)級雙頻段GPRS模塊作為通訊模塊，內(nèi)置TCP/UDP協(xié)議以及增強(qiáng)AT命令集，通過串口即可以完成無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件程序組成。上位機(jī)軟件采用C#編寫，主要完成信息的查詢、存儲及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示等。下位機(jī)程序采用模塊化編程思想進(jìn)行，包括主程序、傳感器終端采集子程序、無線通信子程序、GPRS 通訊子程序等，采用標(biāo)準(zhǔn)C 語言來編寫。

3.1主程序設(shè)計(jì)

溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)啟動后，首先進(jìn)行初始化，包括傳感器初始化、CC2530單片機(jī)初始化、GPRS無線通訊模塊初始化和建立網(wǎng)絡(luò)鏈路[9]。為了減少功耗，設(shè)置溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入低功耗模式，每隔一段時(shí)間對溫室蔬菜生長的環(huán)境信息進(jìn)行采集，利用單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器，定時(shí)喚醒單片機(jī)和GPRS無線通訊模塊，檢查是否收到數(shù)據(jù)。如果沒有收到數(shù)據(jù)，則再次進(jìn)入休眠模式，等待再一次被喚醒。采集到數(shù)據(jù)后通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)并進(jìn)行顯示和保存。系統(tǒng)主流程如圖 3所示。

3.2協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器的作用是組建網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)設(shè)備通電后，初始化并建立網(wǎng)絡(luò)，為整個(gè)系統(tǒng)建立合法的傳感器采集節(jié)點(diǎn)并接收和發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)；組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器又起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的作用。為了減少功耗，ZigBee 無線通信程序在空閑時(shí)處于休眠狀態(tài)，工作時(shí)通過中斷的方式被喚醒。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖4所示。

3.3上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用B/S 3層架構(gòu)，即表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層，模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各層相互分離，最大程度地降低了功能模塊的耦合性，如有模塊需要改變，只需要修改相應(yīng)的部分即可，無需對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

WEB瀏覽器為表現(xiàn)層，是用戶與系統(tǒng)交互信息的窗口，用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的消息，為用戶提供可操作的、友好的、可視化的界面[10]。

WEB服務(wù)器為應(yīng)用層，負(fù)責(zé)根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則處理前端客戶層的應(yīng)用請求，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，并將結(jié)果反饋到表現(xiàn)層。

溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)處理和管理各種數(shù)據(jù)，通過訪問接口接收與反饋應(yīng)用層的請求，并最終顯示到表現(xiàn)層中。

上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

3.4移動設(shè)備終端程序設(shè)計(jì)

溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安卓軟件采用中文安卓編程軟件易安卓進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺安卓軟件由顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊組成。顯示模塊顯示接收到的最新數(shù)據(jù)，同時(shí)也可根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的歷史數(shù)據(jù)生成報(bào)表和趨勢圖。數(shù)據(jù)儲存模塊采用SQL數(shù)據(jù)庫，將接收到的數(shù)據(jù)存儲到此數(shù)據(jù)庫中，方便以后讀取和查詢[11]。圖6為移動設(shè)備端顯示界面。

4系統(tǒng)測試與應(yīng)用

為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，利用該系統(tǒng)對山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院溫室番茄進(jìn)行溯源數(shù)據(jù)采集。溫室蔬菜溯源信息采集系統(tǒng)傳感器終端每隔一段時(shí)間采集一次土壤溫濕度、空氣溫濕度、大氣壓強(qiáng)、光照強(qiáng)度和水滴流速數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)。圖7顯示的是2015年10月30日8∶00～18∶00的空氣溫濕度、土壤溫濕度、大氣壓強(qiáng)、光照強(qiáng)度和水滴流速的查詢數(shù)據(jù)。圖8顯示的是2015年10月30日8∶00～18∶00的空氣溫濕度、土壤溫濕度、大氣壓強(qiáng)、光照強(qiáng)度和水滴流速的查詢數(shù)據(jù)曲線。

5結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)嚴(yán)格按照物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，借助ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)在各模塊間的無線傳輸，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溯源數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。該設(shè)計(jì)取代了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)布局，具有組網(wǎng)靈活、結(jié)構(gòu)簡單、傳輸準(zhǔn)確性好、功耗低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了溫室蔬菜生長環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集、傳輸和存儲，不僅可以使消費(fèi)者及時(shí)了解蔬菜生長狀況，還可以為研究人員提供準(zhǔn)確的研究數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

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