基于6LoWPAN的植物工廠智能監測系統設計

于鵬澎　潘杰

【摘 要】針對植物工廠對溫濕度、CO2濃度、光照等環境參數的智能監測要求，基于6LoWPAN技術設計了植物工廠智能監測系統。通過搭建監測系統總體架構，設計6LoWPAN網關節點和傳感器節點硬件電路、軟件程序，實現對植物工廠內環境信息的綜合、實時、智能監測，提升植物工廠生產信息化水平。

【關鍵詞】植物工廠;6LoWPAN;監測系統

中圖分類號： S126文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0016-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.006

隨著工業發展和城市規模擴張，生態環境不斷惡化，傳統農業生產方式受到嚴重挑戰，已不能滿足人們對高品質作物的需求[1]。以設施園藝、環境科學和電子信息等技術為基礎的植物工廠作為最新現代農業生產方式，成為破解這一難題的關鍵。植物工廠內溫濕度、CO2濃度、光照是影響作物生長的主要因素，對其進行實時監測控制是保障作物高效生產的基礎[2]。目前，我國植物工廠監測系統多采用獨立控制，設備間不互聯，缺乏整體性，擴展能力差不滿足現代植物工廠綜合、實時、智能監測要求[3]。6LoWPAN（IPv6 over Low-power wireless Personal Area Networks）技術實現了IEEE802.15.4無線傳感器網絡與IPv6網絡的無縫連接[4]，具有低功耗、地址資源豐富、自主組網、實時性強等優點，可應用于植物工廠智能監測系統中。

1 植物工廠智能監測系統總體架構

植物工廠內作物要保持最佳生長狀態，離不開適宜的溫濕度、CO2濃度、光照等環境因素?；?LoWPAN的植物工廠智能監測系統通過實時準確監測環境因素，為內部環境調節提供依據。本文設計的監測系統由PC終端，路由器，6LoWPAN網關和傳感器節點組成，具體如圖1所示。

其中，傳感器節點搭載溫濕度、CO2濃度、光照等各類型傳感器完成環境數據采集，并將其傳輸至6LoWPAN網關。網關完成IEEE802.15.4無線IPv6數據與IEEE802.3以太網數據之間的轉換，最終實現IPv6用戶終端與6LoWPAN網絡之間的連接與通信，實現植物工廠環境數據的互聯、實時、智能監測。

2 植物工廠智能監測系統硬件設計

2.1 6LoWPAN網關節點硬件設計

6LoWPAN網關是IPv6有線網絡與6LoWPAN無線網絡間數據通信的接口，具有IEEE802.15.4無線IPv6數據同IEEE802.3以太網數據轉換功能，實現IPv6用戶終端訪問該網關下的6LoWPAN傳感器網絡。6LoWPAN網關節點硬件結構如圖2所示。其中，主控芯片使用TI公司開發的片上系統CC2538，該芯片采用ARM Cortex-3架構，功能完善，具備97dBm的接收靈敏度，可編程輸出功率高至7dBm，擁有32K RAM和512K存儲器，能夠滿足植物工廠監測系統數據處理要求[5]。ENC28J60以太網芯片以SPI總線方式與CC2538芯片連接，實現數據傳輸快速處理。射頻收發機模塊實現網關節點與網絡內傳感器節點間數據發送和接收功能。

2.2 傳感器節點硬件設計

傳感器節點作為植物工廠智能監測系統關鍵模塊，對植物工廠內各種環境參數進行采集并傳輸至6LoWPAN網關節點。圖3為傳感器節點硬件框圖。傳感器節點主控芯片選用TI公司CC2530產品。該芯片集成射頻收發技術，搭載增強型80C51內核，配置8KB RAM和256KB存儲器[6]，具有多種低功耗工作模式，能夠以較低成本實現植物工廠環境數據采集、處理和傳輸。

傳感器節點硬件設計中，傳感監測電路根據監測環境參數不同選配不同類型傳感器。本設計分別選用：（1）DHT11型溫濕度傳感器：該傳感器檢測溫度、濕度參數，數字量輸出，單總線通訊，接口簡單，響應快、抗干擾，適用范圍廣;（2）TGS4160型CO2傳感器：該傳感器檢測CO2濃度，屬于電化學型傳感器，電壓模擬量輸出，測量范圍廣，功耗低，持久耐用;（3）BH1750FVI型光照傳感器：該傳感器檢測光照強度，光譜靈敏度高、測量范圍廣、可靠性高、功耗低、支持I2C接口。

3 植物工廠智能監測系統軟件設計

Contiki是專為LLN （Low power and Lossy networks）網絡開發的操作系統，并提供uIPv6協議棧支持，具有處理無線傳感器網絡數據幀和IPv6網絡數據報文的功能[7]。本文設計的監測系統軟件基于Contiki操作系統開發，具體分為網關節點軟件設計和傳感器節點軟件設計。

6LoWPAN網關節點通電后，監聽UDP端口狀態，等待接收遠程PC端數據并進行解析處理。依據接收到的內容生成不同指令，在完成數據壓縮、報文分片后，網關節點向6LoWPAN網絡內的傳感器節點發送數據幀。6LoWPAN網關節點等待傳感器節點回傳采集數據，最后對接收到的數據幀進行重組和解壓縮等處理，并封裝成IPv6報文傳送至PC端，實現植物工廠環境參數實時監測、網絡傳輸，具體流程如圖4（a）。

傳感器節點通電后，系統進行初始化，完成系統參數配置，等待6LoWPAN網關節點發送指令信息。傳感器節點接收到網關節點發送的數據幀后，進行報文重組、解壓縮等處理。若收到的指令信息為環境監測，則跳轉至環境監測子程序進行環境信息采集;若收到的指令信息為控制指令，則修改傳感器參數配置。傳感器節點完成環境信息采集和參數配置后，將采集結果和配置參數封裝成數據報文，然后進行數據壓縮和報文分片，最后將數據幀傳送至網關節點。具體流程如圖4（b）。

4 結語

本文基于6LoWPAN技術設計了植物工廠智能監測系統，能夠實現植物工廠內無線傳感器監測網絡與IPv6網絡的互聯互通，實現植物工廠環境參數實時監測，為植物工廠內作物保持最佳生長狀態提供保證。

【參考文獻】

[1]王冠.基于嵌入式的植物工廠智能監控系統的研究[D].天津理工大學，2015.

[2]高菊玲，孔德志.微型植物工廠的設計[J].科技信息，2012（32）：227.

[3]李晨東.基于6LoWPAN技術的溫室大棚監控系統的研究與設計[D].東華大學，2016.

[4]王琰琳.基于6LoWPAN的物聯網醫療監護系統設計[J].黑龍江科技信息，2017（14）：191-192.

[5]景強.基于CC2538無線傳感器網絡節點設計研究[D].中北大學，2018.

[6]陳克濤，張海輝，張永猛，等.基于CC2530的無線傳感器網絡網關節點的設計[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2014，42（05）：183-188.

[7]田廣東，葉鑫.基于Contiki的6LoWPAN邊界路由器的設計[J].電子技術應用，2016，42（03）：61-63+70.