溫室蔬菜溯源數據采集系統的設計與實現

李天華 仲崇哲 魏珉 李清明 侯加林

摘要：為了實現溫室蔬菜溯源數據的高效采集與實時傳輸，解決傳統溫室蔬菜溯源數據采集系統的繁瑣布線問題，設計了基于物聯網技術的溫室蔬菜溯源數據采集系統。該系統的傳感器終端以CC2530 射頻單片機為控制核心，并結合空氣溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、大氣壓強傳感器、光照強度傳感器、水滴流速傳感器；協調器網關采用CC2530作為控制核心，并利用GPRS技術將現場檢測到的數據實時傳送給上位機或移動設備，實現對溫室蔬菜生長環境數據的實時采集及遠程傳輸，這不僅可以使消費者及時了解蔬菜的生長狀況，還可以為研究人員提供準確的研究數據。

關鍵詞：溯源數據；CC2530；GPRS；無線傳輸；溫室蔬菜

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

蔬菜是重要的食用農產品之一，隨著人們經濟收入的增加和生活水平的提高，對蔬菜的需求已逐步從數量型轉向質量型[1]，不僅要求其數量充足和周年供應，而且更關心蔬菜的內在質量[2]，因此，蔬菜的質量安全問題在當前顯得十分重要和緊迫。建立蔬菜質量溯源系統是完善蔬菜食品安全保障制度的一種新型模式[3]，溫室蔬菜溯源數據采集系統在蔬菜質量溯源系統中起著基礎性作用。筆者結合農業物聯網技術設計了溯源數據采集系統：以TI公司的CC2530無線射頻單片機和傳感器組構成傳感器終端，以CC2530無線射頻單片機和GPRS模塊構成協調器網關，以ZigBee技術組建無線網絡實現數據的無線傳輸，采用B/S 3層架構建立溫室蔬菜溯源數據采集系統上位機。

1溫室蔬菜溯源數據采集系統總體方案

溫室蔬菜溯源數據采集系統的整個網絡由若干個傳感器終端、協調器網關、上位機組成。其中傳感器終端分布在溫室大棚內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、光照強度傳感器、大氣壓強傳感器和水滴流速傳感器，實現溯源數據的采集；協調器網關負責匯總傳感器終端發來的數據，并通過GPRS模塊發送到溫室蔬菜溯源數據采集系統上位機，上位機完成數據的處理和顯示功能。溫室蔬菜溯源數據采集系統總體結構示意圖如圖1所示。

2溫室蔬菜溯源數據采集系統硬件設計

系統的硬件部分主要由傳感器終端和協調器網關節點組成。傳感器終端由傳感器組和CC2530無線射頻單片機組成，并基于ZigBee平臺實現參數采集和無線數據傳輸的功能。協調器網關節點由CC2530無線射頻單片機和GPRS無線通信模塊組成。傳感器終端檢測到的數據通過ZigBee無線網絡傳輸到協調器網關的CC2530無線射頻單片機，并通過串口將數據發送給GPRS無線通信模塊，GPRS無線通信模塊再通過Internet網關將數據發送給上位機或移動終端，實現數據通過Internet網絡在上位機、移動終端之間的通信。

2.1傳感器終端設計

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據，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土壤濕度傳感器進行檢測，為了獲得更加準確的土壤濕度數據，本系統采用模擬量輸出，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。

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

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

溫室蔬菜溯源數據采集系統傳感器終端結構框圖如圖2所示。

2.2協調器網關設計

協調器網關接收到來自傳感器終端的數據后，通過GPRS網絡將數據以數據包的形式發送到遠程上位機或手持設備，實現溫室蔬菜生長環境與上位機和移動終端之間的無線數據傳輸。根據系統所需，協調器網關以美國TI公司生產的 CC2530射頻芯片作為控制核心[8]，采用SIMCOM公司生產的工業級雙頻段GPRS模塊作為通訊模塊，內置TCP/UDP協議以及增強AT命令集，通過串口即可以完成無線數據的收發。

3溫室蔬菜溯源數據采集系統軟件設計

溯源數據采集系統軟件由上位機軟件和下位機軟件程序組成。上位機軟件采用C#編寫，主要完成信息的查詢、存儲及數據的實時顯示等。下位機程序采用模塊化編程思想進行，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，采用標準C 語言來編寫。

3.1主程序設計

溯源數據采集系統啟動后，首先進行初始化，包括傳感器初始化、CC2530單片機初始化、GPRS無線通訊模塊初始化和建立網絡鏈路[9]。為了減少功耗，設置溯源數據采集系統默認進入低功耗模式，每隔一段時間對溫室蔬菜生長的環境信息進行采集，利用單片機內的定時器，定時喚醒單片機和GPRS無線通訊模塊，檢查是否收到數據。如果沒有收到數據，則再次進入休眠模式，等待再一次被喚醒。采集到數據后通過 ZigBee 無線網絡傳輸到協調器網關，通過GPRS模塊將數據發送到上位機并進行顯示和保存。系統主流程如圖 3所示。

3.2協調器程序設計

系統中協調器的作用是組建網絡，當設備通電后，初始化并建立網絡，為整個系統建立合法的傳感器采集節點并接收和發送采集到的數據；組網成功后，協調器又起到數據轉移的作用。為了減少功耗，ZigBee 無線通信程序在空閑時處于休眠狀態，工作時通過中斷的方式被喚醒。協調器軟件流程如圖4所示。

3.3上位機程序設計

溫室蔬菜溯源數據采集系統上位機應用B/S 3層架構，即表現層、應用層、數據層，模塊化的系統設計，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，只需要修改相應的部分即可，無需對整個系統進行調節。

WEB瀏覽器為表現層，是用戶與系統交互信息的窗口，用于顯示數據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服務器為應用層，負責根據業務規則處理前端客戶層的應用請求，與數據庫進行交互，并將結果反饋到表現層。

溯源系統數據庫作為數據層，負責處理和管理各種數據，通過訪問接口接收與反饋應用層的請求，并最終顯示到表現層中。

上位機系統結構示意圖如圖5所示。

3.4移動設備終端程序設計

溫室蔬菜溯源數據采集系統安卓軟件采用中文安卓編程軟件易安卓進行設計與開發。農業物聯網實驗平臺安卓軟件由顯示模塊和數據存儲模塊組成。顯示模塊顯示接收到的最新數據，同時也可根據數據庫中存儲的歷史數據生成報表和趨勢圖。數據儲存模塊采用SQL數據庫，將接收到的數據存儲到此數據庫中，方便以后讀取和查詢[11]。圖6為移動設備端顯示界面。

4系統測試與應用

為了驗證整個系統的可靠性和穩定性，利用該系統對山東農業大學園藝科學與工程學院溫室番茄進行溯源數據采集。溫室蔬菜溯源信息采集系統傳感器終端每隔一段時間采集一次土壤溫濕度、空氣溫濕度、大氣壓強、光照強度和水滴流速數據發給上位機。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、光照強度和水滴流速的查詢數據。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、光照強度和水滴流速的查詢數據曲線。

5結論

本研究設計了一種基于物聯網的溫室蔬菜溯源數據采集系統。該系統嚴格按照物聯網的三層結構設計，借助ZigBee無線通信技術實現采集數據在各模塊間的無線傳輸，通過GPRS 網絡實現溯源數據的遠程傳輸。該設計取代了傳統有線網絡布局，具有組網靈活、結構簡單、傳輸準確性好、功耗低等特點，實現了溫室蔬菜生長環境參數的遠程實時采集、傳輸和存儲，不僅可以使消費者及時了解蔬菜生長狀況，還可以為研究人員提供準確的研究數據，為系統的正常運行提供數據支持。

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