生物環境因子遠程多參數實時監測系統的設計

李明達+諸德宏+冷果+薛夏+羅元秋+簡耀

摘要：現代農業是當今的農業發展熱點，借助物聯網來采集處理數據在農業環境監測上有很大的發展前景。針對當今對精準農業的需求，通過ZigBee對農田的光照、溫度和有害氣體數據進行監測和傳輸，在Labview中將參數信息傳輸到中國移動物聯網中，該系統在設施農業中得以應用，可以有效地掌握農田的環境信息，初步測試的結果驗證了此系統的可行性。

關鍵詞：移動物聯網；環境信息；ZigBee；Labview

中圖分類號：TP316.8 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）17-3334-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.17.037

Design of Remote Multi Parameter Real-Time Monitoring System for Biological Environmental Factors

LI Ming-da，ZHU De-hong，LENG Guo，XUE Xia，LUO Yuan-qiu，JIAN Yao

（Department of Electrical and Information Engineering of Jiangsu University，Zhenjiang 212000，Jiangsu，China）

Abstract： Modern agriculture is the focus of the development of agriculture，with the internet of things to collect and process data in the agricultural environment monitoring has great prospects for development. Aiming at the demand of precision agriculture，using ZigBee to monitor and transfer the data of the light，temperature and harmful gasses，transfering the parameter information to the onenet through Labview. The system can be applied in facility agriculture，it can effectively grasp the farmland environmental information，the preliminary test results show that the system is feasible.

Key words： onenet； environmental information； ZigBee； Labview

隨著科技的進步和人民生活水平的提高，發達國家對農業的重視程度不斷提升，于20世紀90年代提出了精準農業的概念。精準農業的組成主要包括全球定位系統、農田遙感監測系統、農田地理信息系統、農業專家系統、環境監測系統等[1]。所謂精準農業是根據農田作物的生長情況，通過一系列的傳感器和定位系統，監測出農田里的溫度、濕度、二氧化碳、有害氣體等環境信息，并根據所采集到的信息反饋給農民，對一些情況進行對癥下藥，保證作物更好、更精確地生長。

中國農村大部分都采用人工下地采集數據和有線的方式進行數據采集，這兩種采集方式既費時又費力，而且效果一般，所測出的數據不精確，還受到主觀因素的影響。運用無線物聯網的方式可以很好地處理這種問題并可為農業的發展提供一條嶄新的道路。本研究基于中國移動物聯網的開發平臺設計出設施農業的實時監測系統，開發人員在監控室可以遠程監測農田中的溫度、濕度、光照和有害氣體等信息，滿足精準農業的快速、準確、經濟的基本要求。

1 系統的結構原理及體系框架

生物環境因子遠程多參數實時監測系統根據物聯網的三層結構進行劃分，三層分別是感知層、網絡層和應用層[2]。感知層的主要作用是對各個節點的信息進行感知、處理和組網。網絡層的作用是將數據信息和控制信息在感知層與應用層之間相互傳遞，其構建起了網絡層與應用層之間溝通的橋梁。應用層的作用是將感知層所處理的數據進行分析，為用戶提供各種相關的服務[3]。

生物環境因子遠程多參數實時監測系統的基本功能包括以下幾個方面：

1）利用ZigBee終端和傳感器對生物環境因子進行數據信息的采集。

2）通過節點將無線組網后所收集到的數據發送到ZigBee的協調器并接收。

3）RS232串口將ZigBee終端的數據傳送到電腦上，通過Labview串口助手對數據進行顯示。

4）設計良好的人機交互頁面。

5）通過Labview的TCP協議將數據傳送到中國移動物聯網平臺上。

6）設計中國移動物聯網平臺頁面，對數據進行監測。

7）系統的維護與運行。

系統的體系結構如圖1所示。

該系統結構以物聯網的感知層、網絡層和應用層三層結構為依據。在感知層中傳感器節點帶有溫度、濕度、光照和有害氣體等傳感器。ZigBee模塊的協調器組建網絡，終端接入網絡，在終端中具有對環境參數進行監測和發送數據到協調器的功能，協調器利用串口和USB線將數據發送到電腦上。網絡層通過Labview的串口調試助手和TCP協議功能將數據傳到Onenet平臺，該層結構對串口進行監聽并感知節點所發送的數據并分析處理數據。同時根據終端的服務請求，對設備參數進行查詢和調控并反饋到監測的終端。應用層部分在Onenet平臺進行應用，通過手機APP對數據進行監測，方便、快捷、可移動且準確。數據通過曲線的形式進行表現，同時可以對之前的數據進行保存以備將來對數據進行分析。endprint

2 系統的硬件設計

系統硬件包括對傳感器節點、ZigBee網絡節點和太陽能供電模塊等的設計。設計網絡節點應該考慮可靠性、低功耗、穩定性與優良的射頻性等特點，以TI公司的ZigBee系列芯片CC2530為主核心板設計硬件平臺。系統硬件結構如圖2所示。

2.1 通信模塊的設計

系統通信模塊的核心采用TI公司的CC2530F256。該款芯片是一個高性能、低功耗的8051微控處理器內核，具有16個傳輸信道，可根據環境切換到可靠的通信信道里，無線傳輸速度達250 kps，使用2.4 GHz全向天線，可靠傳輸速度距離達250 m，自動重連距離高達110 m，其接收電流小于30 mA，發射電流小于50 mA[4]。CC2530的通信模塊結構如圖3所示。對系統板施加5.0 V的直流電，通過電源芯片中的轉換電路將其變為3.3 V，電源電壓轉換后為Watch dog和CC2530芯片供電，P2.1和P2.2口為芯片的在線調試口。

2.2 傳感器模塊設計

在ZigBee的終端上搭載多個傳感器，實現對農田土壤周圍的溫度、光照和有害氣體等環境信息進行監測。對溫度和濕度信息采集運用的是具有校準數字信號輸出功能的復合傳感器-DHT11。濕度的測量范圍20%～90% RH，溫度測量范圍0～50 ℃。測量的供電電流0.5～2.5 mA，平均值為0.2～1.0 mA。溫濕度的輸出分辨率均為16位[5]，利用模數轉換電路將模擬量轉化為數字量，實現對溫濕度信息的監測。

對光照信息變換情況的采集采用的是光敏傳感器，其本質是一個霍爾元件[6]，只需讀取與之相連的I/O電平，來判斷當前的環境是亮還是暗，當用戶遠在外地由于區域不同采光情況也會有所不同，通過所收集到的信息，來判斷是否需要對農田施加光照。

監測有害氣體所采用的是具有較寬濃度范圍的MQ2傳感器。其回路電壓小于24 V，加熱電壓4.8～5.2 V，加熱功耗小于900 mW[7]。其工作時氧氣濃度約為21%，靈敏度特性由周圍的氧氣濃度決定。該傳感器用于監測周圍丙烷、丁烷和氫氣等易燃氣體，當出現此類氣體時，系統提供警報并定位到該區域，對該區域噴二氧化碳氣體，實現保護農田的作用。

2.3 太陽能供電模塊

由于在農田里的氣候和傳感器電壓等因素不能保證電池組長期供電，需要太陽能模塊來保證系統的長期運行。電池和光伏組件通過AD采樣與微處理器相連，用于監測電池的實時電壓。兩塊鋰電池用于儲能模塊，當陽光充足時，太陽能接收陽光并充電，通過比較信號為欠壓的鋰電池充電，將比較信號通過處理器并驅動另一塊鋰電池為系統版提供5.0、3.3 V的電壓，太陽能供電模塊結構如圖4所示。

3 系統的軟件設計

系統的軟件包括ZigBee協議棧、傳感器網絡節點、基于Labview的串口通信與發送模塊和中國移動物聯網（ONENET）監測平臺的設計。系統采用的是ZigBee協議棧進行連接，包含3個模塊。

3.1 傳感器網絡節點

系統主要采用的是星型網絡拓撲結構，即一個主協調器對應多個精簡功能設備（RFD）結構，各個RFD結構相互之間無法進行相互通信，只有通過主協調器實現數據的接收與發送[8，9]。系統的協調器與終端的程序流程如圖5所示。對定時器進行中斷，使傳感器節點每隔一段時間采集光照、溫度、濕度和有害氣體傳感器的信息并發送到協調器節點。協調器節點通過RS232串口和Labview將數據發送到電腦上。

3.2 基于Labview的串口通信與發送模塊

串口RS232通過接地，利用發送和接收數據與Labview進行通信。串口的PIN2為RXD，即串口數據的輸入端；PIN3為TXD，即串口數據的輸出端；PIN5為接地。對于單一的串口PIN2與PIN3互聯即可進行自發送與自接收。串口在通信時需要對每秒的位數、數據位、停止位、奇偶校驗位和流控制進行設置，通信雙方設置必須相同否則無法進行通信[10]，串口操作需要進行串口參數的配置，發送或接受數據和關閉串口3個基本過程，進行通信還需要VISA寫入函數、VISA讀取函數和對VISA串口字節數屬性的設置。VISA設置I/O緩沖區函數和VISA關閉函數，數據字符串通過VISA讀取函數的緩沖區進入所編寫的基于ONENENT平臺的TCP模塊，對字符串進行有效地分離，將數據分為4個通道，分別為溫度信息、濕度信息、光照信息和有害氣體信息，通過固定TCP協議發送到中國移動物聯網（ONENET）平臺上。圖6為基于Labview的串口通信與發送流程。

3.3 中國移動物聯網監測平臺（ONENET）的設計

中國移動物聯網可以對傳感網進行感知，在通信網進行傳輸并處理，在智能電網、遠程健康保險、環境監測和智能交通上都可以有很好的應用。在ONENET的開發者中心對模板進行定義，在傳感數據模板進行平臺之間的數據交互并對所上傳的數據進行屬性的定義。將定義后的結果進行SDK生成以便設備后續的開發調試及應用。

4 系統的測試與結果

通過燈的變化來顯示有無光照和有害氣體，通過表盤可以讀出溫度和濕度，通過曲線的變化對環境進行分析，觀察溫度和濕度的波動情況（圖7）。該系統可以實時監測數據，同時通過數據的變化來驗證系統的可靠性并對作物的生長環境條件進行評估，以便在突發情況下采取應對措施。

5 結語

智能化的數字時代，農業也越來越朝著智能化的方向進行發展，其中環境因素對設施農業的發展起著至關重要的作用，將設施農業引入物聯網使傳統農業逐漸走上智能化、網絡化和自動化，本系統可以采集到多個傳感器的數據，通過ZigBee模塊進行無線傳輸，可以對農田周圍的生物環境因子進行監測，同時將數據傳送到中國移動物聯網開發平臺上可以節省開發手機軟件和物聯網平臺的構建，實現多參數的監測，而非傳統的單參數，通過手機和電腦訪問該網站可以顯示，可以實現環境參數的實時和異地的監測。該系統組建簡單、靈活。經驗證該系統可靠、準確和穩定，太陽能供電可以保證系統長期有效地運行，并具有節能環保和無需拉線過長的優點。然而在此系統中還有許多問題需要解決，在接下來的工作中著重研究系統的安全性、可控性和反饋自調整功能。

參考文獻：

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[10] 陳樹學，劉 萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2016.endprint