基于容災備份的設施溫室環境監控系統關鍵技術的研究

2018-06-07 02:47:42張雪飛王建春孫海波梁新書杜彥芳徐義鑫李鳳菊錢春陽呂雄杰

江蘇農業科學 2018年10期

張雪飛，王建春，彭凱，孫海波，王艷，梁新書，杜彥芳，徐義鑫，李鳳菊，錢春陽，呂雄杰，宋斌，王浩

(1.天津市農業科學院信息研究所，天津 300192； 2.河北工業大學機械學院，天津 300130；3.天津市農業科學院，天津 300192； 4.天津市農業資源與環境研究所，天津 300192)

隨著農業現代化進程的加快，溫室工程已成為高效農業的一個重要組成部分，溫室工程是增強農業綜合生產能力、實現現代農業高產增效的重要手段。通常在設施溫室內通過布置大量的傳感器節點，實現對設施環境空氣溫度、空氣濕度、土壤含水量、土壤溫度、CO2濃度等信息的采集，完成設施溫室環境的實時監控。監控系統對環境信息進行分析、匯總，并結合設施蔬菜的生長規律得到生長周期內所需的最佳環境條件，從而由系統發出控制指令，啟動溫室內的通風、加溫、補光等設備，人為地控制作物生長的環境條件，最終實現設施溫室高效、高質栽培[1-10]。

目前大部分研究主要是針對溫室監控系統數據的實時推送、遠程調控等技術進行的[11-17]，如侯琛等提出了溫室環境監控系統網關多進程調度方法來更好地完成網關的多進程調度[11]，李萍萍等提出溫室物聯網測控管理系統的開發與數據同步研究[13]。針對系統的穩定性、健壯性及容災備份考慮很少，由于農業科研的特殊性，科研人員對環境數據的采集、產量監控、病蟲害的數據收集獲取通常是以作物的茬口為周期，以3～5年的農業數據進行模型分析，采用大數據、云計算等技術對大量數據進行分析，從而獲取穩定的基于溫室環境數據的模型，并用于指導農業生產。因此，溫室環境監控系統對數據傳輸的穩定性、系統的穩定性有較高的要求。

本研究在前人研究的基礎上致力于開展溫室監控系統及數據庫穩定性、健壯性的研究。系統通過基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議(ZigBee)的多協調器工作機制來降低采用單協調器出現故障的概率，最終保證農業數據的安全。

1 系統設計

1.2 傳統的溫室監控系統架構設計

優秀的架構設計可有效地減少系統發生故障及癱瘓的概率。傳統的溫室環境監控系統大多采用串聯結構。雖然串聯系統的結構設計簡單，但是系統的穩定性很差，如圖1所示。

該系統的可靠度為

(1)

式中：RS為整個系統的可靠度；Ri為各部件的可靠度，Ri小于1。通過分析可知，串聯系統中，部件越多，系統的可靠度越差。系統的關鍵部件是整個系統運行的關鍵，決定系統是否能夠正常運行。從圖1中溫室環境監控的整體框圖可以看出，ZigBee協調器是基于精簡指令集微處理器(advanced RISC machine，簡稱ARM)的智能網關與終端節點之間的橋梁，一旦該協調器不能正常工作，系統將無法建立基本的通信，底層采集的數據無法上傳，上層的控制命令無法下達到終端。

1.2 基于容災備份的溫室環境監控系統架構設計

傳統的架構設計已經不能滿足溫室環境監控系統穩定性能、安全性能方面的要求，本研究基于容災備份原理，設計了雙ZigBee協調器并聯的工作模式，完成故障后主備協調器的切換，保證了數據傳輸的穩定性。其結構原理如圖2所示。

2 基于容錯機制的多ZigBee協調器并聯設計

2.1 ZigBee協調器可靠性分析

本研究設計了基于多ZigBee協調器的并聯結構，該并聯設計在可靠性上是有冗余的，只要系統中任意1個ZigBee協調器能正常工作，系統就能正常工作。協調器之間是并聯模式，但是同一個時刻只能有1個協調器正常工作，通過ZigBee協調器主備切換電路完成協調器的切換。正常情況下，主ZigBee協調器完成上電及無線自組網的工作，當工作中的ZigBee協調器發生故障，不能正常通信后，系統通過心跳檢測到該故障，協調器主備切換電路會自動給備用協調器供電，備用協調器上電完成后，檢測網絡及完成組網的工作，ZigBee終端會自動重新連接到備用的協調器形成的網絡中。該設計機制遵循開放-封閉原則，使系統在兼容傳統架構設計的同時，又能方便靈活擴展，保證了系統的穩定運行。具體原理如圖2所示。

ZigBee并聯部分的可靠性：

(2)

式中：Rp(t)為ZigBee并聯部分的可靠度；R1為ZigBee主協議器的可靠度；R2為ZigBee備協調器的可靠度。

若采用傳統的基于ZigBee的系統，則只存在1個ZigBee協調器，該部分的可靠度為ZigBee協調器的可靠度：

RS(t)=R1。

(3)

式中：RS(t)為傳統結構下的ZigBee協調器部分的可靠度。

相比于串聯系統，多ZigBee協調器并聯系統的的可靠度提高了：

ΔR=Rp(t)-RS(t)=1-(1-R1)×(1-R2)-R1。

(4)

假設R1=R2=R，則

ΔR=1-(1-R)×(1-R)-R=R-R2。

(4)

系統的穩定性提高了R-R2，其中R小于1。

2.2 ZigBee主備切換的工作原理

無線傳感網絡(wireless sensor networks，WSN)協調器組網的過程如圖3所示。首先該節點必須是全功能設備(FFD)節點，而且該節點未加入任何網絡，才能利用該節點建立一個新的無線傳感網絡，并且終端節點只能加入1個網絡中。

本研究實現了基于并聯模式的多ZigBee備份工作機制，因同時只能有1個ZigBee協調器正常工作，終端節點只能加入1個網絡中，若該ZigBee協調器發生故障后，通常情況下終端節點不會重新接入其他的網絡中，為保證當前的ZigBee協調器發生故障后，終端節點不須要斷電重啟就能自動加入新上電的ZigBee協調器新組織的網絡中，須要先固定ZigBee的16位的個域網標志符(PAN ID)，在f8wConfig.cfg中將變量的-DZDAPP_CONFIG_PAD_ID值進行設置，非0XFFFF即可。

主備ZigBee協調器切換的過程：(1)正常上電的ZigBee協調器組網成功后，設置其PAN ID并記錄其PAN ID到智能網關的過程。(2)協調器完成網絡搭建后，正常工作。(3)智能網關ARM定時向工作的ZigBee協調器發送心跳消息，ZigBee協調器收到心跳信息后，須給智能網關ARM返回1個應答信息；若智能網關向ZigBee協調器發送的心跳信息達到了預定的次數，而ZigBee協調器沒有返回任何應答信號，而轉到(4)；否則繼續發送心跳消息。(4)智能網關ARM發送指令至協調器電路轉換電路，請求切斷該ZigBee協調器的電源，為備用的ZigBee協調器上電。(5)備用ZigBee協調器上電完成后，設置之前的PAN ID，其組網完成。(6)圖4是主備ZigBee協調器之間完成切換的流程圖。

2.3 數據透傳機制

主備協調器切換后，重新上電的ZigBee協調器短地址等信息發生了變化，因此不能利用ZigBee自身的標志進行通信。本研究設計了數據的透傳機制，ZigBee協調器的作用僅是ZigBee終端節點與智能網關之間的消息中轉器。

數據傳輸過程中遵從如下的規定：(1)ZigBee終端節點與ZigBee協調器之間是點對點的通信，因為協調器的地址始終是固定的。(2)ZigBee協調器與ZigBee終端節點之間采用廣播通信，ZigBee協調器在數據傳輸過程中，不須要攜帶ZigBee終端節點的短地址。ZigBee協調器與終端節點之間消息傳輸的具體實現依靠：

2.3.1 ZigBee終端節點的具體實現終端節點在燒錄程序時，指定其編號，并且保證該編號是唯一的。ZigBee終端節點上電入網成功后，主動發送其編號信息至ZigBee協調器，ZigBee協調器將該信息中轉發送至智能網關ARM，ARM接收到傳感器的地址信息后，進行解析，保存對應的終端節點的編號。消息格式如圖5所示。

2.3.2 智能網關ARM的具體實現智能網關可實時通過ZigBee協調器發送索取某個ZigBee終端節點上所有的傳感器數據信息的指令，具體的消息指令如圖6所示。ZigBee終端節點返回的消息如圖7所示。

3 試驗及測試

以天津市北辰鼎牛農業合作社為例說明具體應用。日光溫室長度70 m，室內跨度9.8 m。主栽設施蔬菜為黃瓜。該試驗配置了遠程服務器及數據庫，服務器及數據庫位于天津市農業科學院信息研究所19樓機房。

該試驗中，在設施溫室中，布置了1個環境采集節點。該節點分別帶有1個土壤溫度及含水量傳感器，1個空氣溫濕度傳感器，1個光照度傳感器。表1為設施蔬菜環境采集節點所布置的傳感器的信息，圖8、圖9分別是設施環境采集節點和智能網關。

設定的ARM智能網關與ZigBee協調器之間通過心跳來維護鏈路，每隔5 s發送1次心跳消息到ZigBee協調器，若 5 s 內仍未收到ZigBee協調器的反饋消息，ARM智能網關將再次發送心跳消息，若ARM智能網關發送6次心跳消息后，仍未收到來自ZigBee協調器的確認消息，則ARM智能網關判定該ZigBee協調器不可用，啟動轉換電路為備用的ZigBee協調器供電，重新完成組網過程。