基于6LoWPAN和WLAN的溫室大棚智能監測系統*

馮春衛 ，胡國強

(1.楊凌職業技術學院 信息工程學院，楊凌 712100；2.西北農林科技大學 )

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基于6LoWPAN和WLAN的溫室大棚智能監測系統*

馮春衛1，胡國強2

(1.楊凌職業技術學院 信息工程學院，楊凌 712100；2.西北農林科技大學 )

針對溫室大棚智能監控系統管理和擴展能力不足、集中式監控能力差等問題，結合6LoWPAN網絡和WLAN的快速演進，在綜合考慮溫室大棚監測智能化的基礎上，設計了一種基于6LoWPAN和WLAN的溫室大棚智能監測系統。該系統采用6LoWPAN協議實現無線傳感器網絡(WSN)與互聯網之間的點到點通信，實現了溫室大棚內溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等環境數據的實時監測。試驗結果表明，該系統能準確獲取監測數據，可滿足溫室大棚智能監測的需求。

6LoWPAN；WLAN；溫室大棚；監測系統

引 言

溫室大棚作為智慧農業的主要組成部分，其智能化程度影響著我國農業的飛速發展。現有的溫室大棚監控以單片機設備為主，集中監控和擴展能力不足。目前，國內已有專家和學者對大棚內環境監測的課題開展研究，韓建等基于Android與GSM設計并實現了溫室大棚遠程監控系統；苗鳳娟等設計了基于ARM的溫室環境數據采集與控制系統；蔣鼎國實現了基于GPRS的溫室大棚溫濕度監控系統；侯波等運用LabVIEW和GSM實現了溫室大棚環境遠程監控系統；李軍科等基于USB存儲與GPRS對溫室大棚環境參數進行監測；劉仲鵬等對基于ZigBee協議溫室大棚環境監控系統進行了研究，以上研究都是利用各種技術實現溫室大棚環境監控系統，還沒有研究將6LoWPAN網絡應用于溫室大棚環境監測。

6LoWPAN網絡是由IETF 6LoWPAN工作組定義的新型WSN，其基于標準IEEE 802.15.4，使用16位短地址實現IPv6通信[8]。

本文提出一種基于6LoWPAN網絡的溫室大棚環境監測系統，該系統將6LoWPAN網絡和WLAN應用于溫室大棚環境感知和監測。用戶可以通過手機WIFI實時獲取溫室大棚內溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等環境數據，能夠及時發現異常，采取有效措施保證溫室大棚作物的產量和品質。

1 系統設計

1.1 系統實現的主要功能

① 溫室大棚環境信息的感知和傳輸，終端用戶可以通過基于WIFI的WLAN查看感知的信息。

② 點到點的數據訪問和控制，用戶不僅可以實時監測環境信息，而且可以對傳感器節點進行控制。

③ 監測溫室大棚環境異常時及時報警。

1.2 系統的總體架構

如圖1所示，系統按功能模塊劃分為三大部分：

① 6LoWPAN 網絡。由6LoWPAN傳感節點和邊緣路由器組成，用于采集環境數據或者根據后臺指令執行具體的操作；

② 傳輸網絡。用于感知數據遠程傳輸，將監測的數據通過互聯網進行傳輸。

③ 數據管理服務器和用戶終端。

圖1 系統總體架構

6LoWPAN無線傳感器網絡由不同功能的傳感器節點組成，每個節點均可配置IPv6地址，采用樹形組網方式。6LoWPAN無線傳感器網絡通過邊緣路由器將監測的數據傳輸到移動互聯網，用戶可通過互聯網與傳感節點進行點到點通信，數據庫服務器用于記錄傳感器節點IP地址及其提供的服務類型[9]，其他用戶也可以通過訪問數據庫服務器獲取溫室大棚環境信息。

2 傳感器節點設計

2.1 傳感器節點硬件設計

傳感器節點由RF收發器、微控制MCU以及傳感單元三部分組成，具體設計如圖2所示。

選用的處理器內核為ARM Cortex-M3， 此MCU具有高達48 MHz 的時鐘速度 ，512 KB 系統內可編程閃存，32 KB 緩存靜態 RAM。RF收發器采用支持2.4 GHz的 CC2538芯片，支持規范IEEE 802.15.4 協議。傳感單元感知大棚內環境數據后發送到傳感節點的MCU處理，處理后經過RF收發器發給邊緣路由器。傳感器節點通過RF收發器接收邊緣路由器的數據包，MCU對數據包進行處理后發送命令給傳感單元。

圖2 傳感器節點硬件架構

2.2 傳感器節點軟件設計

傳感器節點加電后，Contiki系統開始初始化，處于監聽邊緣路由器的狀態。邊緣路由器一旦通過6LoWPAN無線傳感器網絡發送來數據包，傳感器節點就對該數據包進行解析。解析結果是監測指令，傳感器節點就將當前傳感器狀態信息通過RF射頻模塊發送給邊緣路由器；解析結果如果是控制指令，傳感器節點將會控制所連接的傳感器的開關狀態，將最終狀態信息通過RF射頻模塊發送給邊緣路由器[10]，傳感器節點軟件設計流程圖如圖3所示。

圖3 傳感器節點軟件設計流程

3 邊緣路由器設計

3.1 邊緣路由器硬件設計

6LoWPAN網絡邊緣路由器連接互聯網和WSN網絡，其主要功能是實現WSN和互聯網的相互通信。文章采用雙MCU架構來實現，即將6LoWPAN傳感節點和Linux開發板用串口連接起來，具體設計如圖4所示。

圖4 邊緣器節點硬件架構

6LoWPAN傳感節點的硬件配置跟2.1節中設計的配置一致，開發板MCU為MCIMX6 ARM Cortex-A9 Processors，內存2 GB，Flash為8 GB EMMC，WIFI模塊支持IEEE 802.11b/g/n協議。6LoWPAN邊緣路由器從WLAN接口接收互聯網的數據包，MCU對數據包進行精簡處理，并將精簡的數據包通過RF收發器發送到支持6LoWPAN的WSN；從RF收發器接收6LoWPAN傳感器節點發送的精簡數據包還原后通過WLAN將完整的數據包發送到互聯網絡。

3.2 邊緣路由器軟件設計

圖5 邊緣路由器 軟件流程

邊緣路由器上電初始化之后，處于監聽UDP端口信息狀態，等待上位機軟件發來的數據包。一旦上位機軟件發來數據包，先解析數據包，解析后的數據包由邊緣路由器的RF射頻模塊向6LoWPAN無線傳感網絡發送數據報文。在設置的時間段內，不管6LoWPAN無線傳感網絡有沒有響應邊緣路由器[10]，邊緣路由器都會將響應狀態通過WLAN網絡發送給上位機軟件，邊緣路由器軟件設計流程圖如圖5所示。

3.3 上位機軟件和管理數據庫設計

溫室大棚監測系統上位機軟件是基于圖形化編程語言LabVIEW開發的，由于數據類型相對單一，采集的數據量少，文章采用Access數據庫。上位機和管理數據庫按功能模塊劃分為參數顯示、數據查詢、報警處理等部分[1]。該系統主要實現WSN和上位機通信功能、對傳感器節點的監測和預警、歷史測量數據查詢和導出功能。

實施過程如下：

安裝LabVIEW開發環境，設計人機交互界面。

建立Access數據庫，上位機采集來的數據采用表單的形式存儲在Access數據庫中。

使用LabSQL數據庫訪問工具包對Access數據庫進行訪問，LabSQL使用Microsoft ADO對象和數據庫查詢語言相配合的方法實現對數據庫的訪問[1]。

4 系統測試

(1) 運行測試

本系統在楊凌現代農業示范園溫室大棚進行測試試驗，在溫室大棚隨機布置了1個傳感器節點，每個傳感器節點分別集成傳感器，邊緣路由器在在距離傳感節點5 m的地方，邊緣路由器上聯學校的WLAN。測試PC安裝了上位機軟件，通過WLAN與WSN通信。6LoWPAN傳感節點和邊緣路由器加電后開始工作，上位機軟件運行后開始接收數據[11]，顯示結果如圖6所示。試驗結果表明，該系統能正常監測大棚內環境信息。

圖6 系統試驗結果

(2) 系統采集數據與實測數據對比實驗

系統正常運行后，在2016年4月28日早上8點到晚上18點通過溫室大棚環境監測系統采集溫度、濕度、光照強度、CO2濃度數據；在大棚中采用V&A公司的TNHY-5每隔1小時實測溫度、濕度、光照強度、CO2濃度數據，將采集的數據和實測的數據進行對比分析，以驗證傳感器采集數據的準確性，實驗測試對比結果如圖7～10所示。

圖7 溫度對比實驗結果

圖8 CO2濃度對比實驗結果

圖9 濕度對比實驗結果

圖10 光照強度對比實驗結果

由實驗測試對比圖可知，采集的數據在整個較長的測試過程中持續完整，采集數據中的各點保持在采集節點傳感器的正常誤差范圍內[12]，采集數據與實測數據基本吻合。通過對比實驗可知，溫室大棚環境監測系統采集精度高，能滿足實際需求。

結 語

[1] 郭金梅. 船艙環境監測系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學,2013.

[2] 侯波,徐小華,胡曉飛. 基于LabVIEW和GSM的溫室大棚環境遠程監控系統設計[J]. 江蘇農業科學,2015(1)1:393-395.

[3] 韓劍,莫德清. 基于Android與GSM的溫室大棚遠程監控系統[J]. 江蘇農業科學,2015(4):397-399.

[4] 李軍科,吳建軍,石祖偉. 基于USB存儲與GPRS傳輸的溫室大棚參數監測設計[J]. 中國農機化學報,2015(5):82-86.

[5] 劉仲鵬,劉麗娟,李偉英. 基于ZigBee網絡的溫室大棚環境監控系統研究[J]. 農機化研究,2014(10):218-222.

[6] 蔣鼎國. 基于GPRS的溫室大棚溫濕度監控系統的設計[J]. 湖北農業科學,2014(9):2153-2155，2159.

[7] 張偉濱. 基于Zigbee溫室大棚遠程監控系統研究與實現[D].大慶：東北石油大學,2014.

[8] 薛世帥. 基于IPv6的WSN路由器設計與實現[D].成都：電子科技大學,2013.

[9] 王曉喃,殷旭東. 基于6LoWPAN無線傳感器網絡的農業環境實時監控系統[J]. 農業工程學報,2010(10):224-228.

[10] 魏燕達,周衛星. 基于6LOWPAN的智能家電監測與控制系統設計與實現[J]. 現代電子技術,2015(14):101-104，108.

[11] 彭占武,王雪,袁洪印. 基于ZigBee的雞舍環境無線監測系統設計與實現[J]. 中國農機化學報,2015(2):238-241.

[12] 許童羽，王建東，須暉等.基于ZigBee與WiFi的北方日光溫室群監控系統設計[J].中國農機化學報，2016(1)：59-64.

馮春衛(講師)，主要研究方向為智能物聯網應用研究；胡國強(工程師)，主要研究方向為智能網絡與機器學習。

Greenhouse Intelligent Monitoring System Based on 6LoWPAN and WLAN

Feng Chunwei1,Hu Guoqiang2

(1.College of Animal Science and Technology,Yangling Vocational&Technical College,Yangling 712100,China;2.Northwest A&F University)

To solve the problems of the greenhouse’s intelligent monitoring system such as inadequate management,expansion capacity and poor centralized monitoring capacity,an intelligent monitoring system of greenhouse on the basis of 6LoWPAN and WLAN is proposed.The system adopts 6LoWPA protocol to implement the point to point communication between WSN and Internet,thus the real time monitoring for environmental data of greenhouse is realized,such as the temperature,the humidity,the illumination intensity and the CO2concentration.The test results show that the system can accurately acquire the monitoring data,and thus meet the intelligent monitoring demands of the greenhouse.

6LoWPAN;WLAN;greenhouse;intelligent monitoring

陜西省自然科學基金(項目編號：2014JM2-3029);楊凌職業技術學校科學研究基金項目(項目編號：A2015006)。

TP277

A

?迪娜

2016-07-01)