基于ZigBee和云平臺的葡萄霜霉病防控系統的設計與應用

楊寧 來智勇 蘇鵬飛 劉斌

關鍵詞： 葡萄霜霉病; ZigBee; 云平臺; 病變閾值; 數據整合; GPRS

中圖分類號： TN948.64?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）24?0178?05

Design and application of grape downy mildew prevention and control

system based on ZigBee and cloud platform

YANG Ning， LAI Zhiyong， SU Pengfei， LIU Bin

（School of Information Engineering， Northwest A&F University， Yangling 712100， China）

Abstract： Since the traditional pesticide spraying method cannot avoid the problems of fruit residues and food safety， a grape downy mildew prevention and control system based on ZigBee and cloud platform is designed and implemented， taking the prevention and control of the grape downy mildew as the background. In the system， the CC2530 is adopted to construct the ZigBee environmental monitoring network. Data integration is conducted according to the real?time collected relative air humidity and illumination intensity parameters. The integrated data is compared with the preset lesion threshold parameters to determine the turn?on and turn?off of the control node， so as to realize intelligent prevention and control， which improves the prevention and control effectiveness of the system. The system can realize data exchange by means of GPRS communication based on the TCP/IP protocol. Users can perform real?time monitoring and lesion threshold online decision?making of the grape growth environment from the remote monitoring center. The field operation test was carried out. The test results show that the system has reliable functions， can run stably， operate conveniently， and has a certain application prospects.

Keywords： grape downy mildew; ZigBee; cloud platform; lesion threshold; data integration; GPRS

葡萄霜霉病是來源于北美洲東部野生葡萄上的一種專性寄生病害[1]。生產中常用烯酰嗎啉、霜脲氰·錳鋅等化學農藥進行防控[2] ，而長期依賴化學農藥使病菌產生抗性且在不同病原菌間傳播，迫使人們投入更大劑量的農藥，形成惡性循環，食品安全、生態環境問題愈發嚴峻[3]。經研究發現，霜霉病的滋生與環境有密切關系，最主要是受空氣相對濕度和光照強度影響。因此，通過實時監測環境并破壞病變條件，成為一種新型的、安全的葡萄霜霉病防治方式。

目前，國內針對農作物環境監測進行了大量研究，并取得一定成果，但此類系統與葡萄霜霉病的防控尚未實現結合應用，且仍存在一些不足。劉燕德采用MSP430單片機設計的環境監測系統[4]，僅適用于短距離通信傳輸;秦琳琳等設計的溫室監控系統[5]，雖然實現了遠程傳輸，但采用的有線連接，反而帶來了新的比如布線困難、網絡不易拓撲等問題，不適合農業生產應用;鄭爭兵采用GSM設計的大棚環境遠程監測系統[6]，實現了無線遠程通信，但用GSM短信方式傳輸大量的數據，導致投入成本過高、數據冗余量大、不利于數據存儲與查詢。針對上述問題，本文設計了基于ZigBee和云平臺的葡萄霜霉病防控系統，避免了傳統防治葡萄霜霉病的弊端，通過分布于田間的采集節點收集數據，數據經整合后，與病變閾值判斷實現智能防控。除此之外，在CC2530電路上增加RFX2401C功放單元，增加了節點間的通信距離。同時，利用MySQL數據庫、阿里云服務器平臺實現遠程監控中心的數據接收存儲與轉發，用戶可以登錄客戶端軟件直接對葡萄種植區環境進行實時監測、歷史數據查詢和病變閾值在線決策等操作。

1 ?系統結構設計

通過對無線傳輸技術和葡萄園工作環境的綜合考慮，設計系統的具體方案如圖1所示。系統主要由環境監控網絡和遠程監控中心兩部分構成。環境監控網絡由采集節點、控制節點以及協調器節點組成，采用網狀拓撲結構。協調器節點有且只有一個，其網絡地址[7]固定為0x0001;每個控制節點與周圍若干個采集節點構成環境監控單元，每個單元內呈星型結構，每個單元間通過路由節點以多跳的形式將數據上傳至協調器節點。遠程監控中心由阿里云服務器和各客戶端構成，為用戶提供實時監測、歷史數據查詢、當前病變閾值反饋以及病變閾值在線決策等服務功能。

2 ?系統硬件設計

ZigBee是一種自組網、低成本、低功耗的雙向無線通信技術，被廣泛應用于軍事、醫療、智能家居等領域[8]。

本文ZigBee網絡的處理器均采用TI公司的CC2530，具有8051內核、可編程8 kB SRAM和256 kB FLASH ROM、2個USART、8通道ADC、21個通用I/O引腳、5種工作模式[9]，靈敏度高，抗干擾能力強。但在田間沒有路由中繼的條件下，如果僅用CC2530組建無線傳感網絡，節點間的傳輸距離小于80 m，若存在障礙物，傳輸距離會更短。考慮到葡萄種植區域范圍較大，系統CC2530增加RFX2401C射頻前端以提高節點間的傳輸距離，將RFX2401C自身特點與CC2530結合。RFX2401C集成PA、LNA、收發開關電路等，提供服務所需的射頻功能[10]。CC2530與RFX2401C的連接電路如圖2所示。

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2.1 ?采集節點設計

采集節點負責環境參數的采集與傳輸，選用AM2306溫濕度傳感器和GY?30數字光強檢測模塊分別對濕度、光照強度進行采集。AM2306數字溫濕度傳感器有響應快、抗干擾能力強、功耗低等優點[11];光照強度的采集方面考慮對光源的影響小、寬范圍和高分解的要求，選擇I2C總線的GY?30數字光模塊，內部采用BH150FVI，測量范圍[12]為1～65 535 lux。采集節點的電路設計如圖3所示。

2.2 ?控制節點設計

控制節點負責當環境達到病變閾值時（閾值指霜霉病侵染與傳播的必要環境條件所對應的參數）：初始閾值設置為濕度大于90%且光強[13]小于10 lux，通過協調器節點下發補光指令，使控制節點開啟以破壞環境條件實現智能防控。控制節點由CC2530、繼電器、高聚光燈具、電機與驅動模塊和機械鏈路設備等組成，見圖4。

照明設備是采用2個高聚光燈，照射高度提至2 m，照射距離20 m左右，電機帶動機械鏈路進行旋轉式補光，照射面積約為350 m2，為避免在旋轉過程中發生電線扭曲漏電等，電機旋轉順時針轉一圈后逆時針旋轉一圈，保證360°全方位照射。控制節點收到補光指令后，先進行防誤判斷：若正處于執行20 min補光防控過程中，則放棄該指令且不再接收重復指令，直至完成補光且休整5 min后進入了等候狀態，繼續輪詢接收和執行補光指令以實現智能防控。

2.3 ?協調器節點設計

協調器節點是系統的關鍵，除了組建ZigBee網絡、接收采集數據和下發補光指令外，協調器節點還與GPRS模塊連接，實現監控網絡與遠程監控中心的數據交互，負責上傳數據和接收在線閾值決策命令。GPRS通信是一種基于TCP/IP協議的無線遠程通信技術[14]，采用ATK?SIM900A，只需要10 s左右就能入網，成本低、訪問速度快。協調器節點電路如圖5所示。

3 ?系統軟件設計

3.1 ?下位機軟件設計

環境監控網絡中節點的軟件均是基于IAR Embedded Workbench 8.10集成開發環境、TI公司的ZigBee協議棧開發。由于系統節點多、數據量大，單純的數據轉發不僅增加流量費用還會造成通信堵塞，因此系統對采集數據進行整合，然后再與病變閾值比對判定是否生成對應的防控指令，增加了系統防控有效性和準確性。

數據整合的主要流程分3個步驟：

1） 收集采集數據。將處于同一個監控單元內各采集節點數據收集，并將每個監控單元記作System_N（N=1，2，…）予以區分;

2） 剔除異常值。倘若存在某一值與單元內其他采集節點數據誤差大于20%，那么將該點直接標定為異常值，將其剔除;

3） 求均值。所剩數據求其平均值，結果即為整合數據。

下位機軟件設計流程如圖6所示。

3.2 ?基于C/S的遠程監控中心軟件設計

基于C/S的遠程監控中心，是采用TCP/IP協議的 Socket 套接字多線程通信技術開發，服務器端和客戶端軟件均采用C#編程語言在Visual Studio 2013平臺實現，提供了處理數據庫操作的接口，如：ODBC，OLE DB， ActiveXDataObject（ADO）等[15]。在WinForm應用程序開發中，若程序執行批量計算或大量文件傳輸時，用戶會被鎖定，將無法與程序進行交互，出現“假死”狀態。針對出現的這種情況，可以通過兩種方法解決，一種直接采用BackfgroundWorker控件;另外還可以使用線程委托方法解決。

4 ?系統測試與結果

系統在西北農林科技大學試驗示范站對通信質量、測量精度、葡萄霜霉病防控性能等進行測試。為測試系統通信質量與距離的關系，采用2個ZigBee節點在0～350 m不同距離下進行數據傳輸，結果如表1所示。當測試距離小于250 m時，丟包率低于4.6%，因此，系統添加的RFX2401C單元增加了通信距離，滿足應用需求。

[丟包率=發送數據包數-實收數據包數發送數據包數×100%]

為測試系統的測量精度，采用4個采集節點和1個協調器節點。采集節點每15 min進行采集并上報協調器節點，其通過RS 232與本地PC相連，打開串口調試助手記錄存儲;另外采用HTC?1濕度計、TES?1332A照度計同時測量實際濕度和光強。系統與實測數據對比，結果如表2所示。已知HTC?1濕度計測量精度為±5%，TES?1332A照度計測量精度為±3%～±4%。 經過數據分析，系統測量的濕度和光照強度的最大相對誤差分別為2.42%和4.02%，因此系統測量精度基本滿足應用要求。

為測試系統對葡萄霜霉病的防控性能，將大棚第1～5排作為對照組（自然生長）、第6～10排作為試驗組（采用本系統防控培養），將4個采集節點放在第6，7，9，10排，控制節點放置在第8排中間進行智能防控。經兩個月測試，針對標記植株的圖片比對如圖7所示，圖7b）未見葉片感染葡萄霜霉病菌，且葡萄植株葉片和幼果長勢良好;而圖7a）葡萄葉片明顯出現霜霉病侵染癥狀。

尤其是生長在采光不足、陰冷潮濕的環境下，在葉片背面出現大面積類似霜狀的白色病菌，葡萄幼果變軟、脫落現象。因此，本系統對于防控葡萄霜霉病針對性強，具有一定防控作用。遠程客戶端界面見圖8。

5 ?結 ?語

本文設計并實現基于ZigBee和云平臺的葡萄霜霉病防控系統，通過實時采集環境數據跟病變閾值比對實現智能防控。經測試發現，系統的通信距離遠、信號穩定、測量精度高、能有效防控葡萄霜霉病的發生，以及遠程監控軟件功能豐富，為目前葡萄霜霉病的防控提供了有效可行的解決方案，具有一定的市場推廣和應用前景。

注：本文通訊作者為來智勇。

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