李天華 仲崇哲 魏珉 李清明 侯加林

摘要：為了實現(xiàn)溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)的高效采集與實時傳輸，解決傳統(tǒng)溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的繁瑣布線問題，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的傳感器終端以CC2530 射頻單片機為控制核心，并結(jié)合空氣溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器、大氣壓強傳感器、光照強度傳感器、水滴流速傳感器；協(xié)調(diào)器網(wǎng)關采用CC2530作為控制核心，并利用GPRS技術將現(xiàn)場檢測到的數(shù)據(jù)實時傳送給上位機或移動設備，實現(xiàn)對溫室蔬菜生長環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集及遠程傳輸，這不僅可以使消費者及時了解蔬菜的生長狀況，還可以為研究人員提供準確的研究數(shù)據(jù)。

關鍵詞：溯源數(shù)據(jù)；CC2530；GPRS；無線傳輸；溫室蔬菜

中圖分類號：S126文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）07-0142-04

蔬菜是重要的食用農(nóng)產(chǎn)品之一，隨著人們經(jīng)濟收入的增加和生活水平的提高，對蔬菜的需求已逐步從數(shù)量型轉(zhuǎn)向質(zhì)量型[1]，不僅要求其數(shù)量充足和周年供應，而且更關心蔬菜的內(nèi)在質(zhì)量[2]，因此，蔬菜的質(zhì)量安全問題在當前顯得十分重要和緊迫。建立蔬菜質(zhì)量溯源系統(tǒng)是完善蔬菜食品安全保障制度的一種新型模式[3]，溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在蔬菜質(zhì)量溯源系統(tǒng)中起著基礎性作用。筆者結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術設計了溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：以TI公司的CC2530無線射頻單片機和傳感器組構(gòu)成傳感器終端，以CC2530無線射頻單片機和GPRS模塊構(gòu)成協(xié)調(diào)器網(wǎng)關，以ZigBee技術組建無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，采用B/S 3層架構(gòu)建立溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機。

1溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案

溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整個網(wǎng)絡由若干個傳感器終端、協(xié)調(diào)器網(wǎng)關、上位機組成。其中傳感器終端分布在溫室大棚內(nèi)并搭載土壤溫度傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強度傳感器、大氣壓強傳感器和水滴流速傳感器，實現(xiàn)溯源數(shù)據(jù)的采集；協(xié)調(diào)器網(wǎng)關負責匯總傳感器終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊發(fā)送到溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機，上位機完成數(shù)據(jù)的處理和顯示功能。溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件部分主要由傳感器終端和協(xié)調(diào)器網(wǎng)關節(jié)點組成。傳感器終端由傳感器組和CC2530無線射頻單片機組成，并基于ZigBee平臺實現(xiàn)參數(shù)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。協(xié)調(diào)器網(wǎng)關節(jié)點由CC2530無線射頻單片機和GPRS無線通信模塊組成。傳感器終端檢測到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器網(wǎng)關的CC2530無線射頻單片機，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS無線通信模塊，GPRS無線通信模塊再通過Internet網(wǎng)關將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機或移動終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)絡在上位機、移動終端之間的通信。

2.1傳感器終端設計

空氣溫濕度采用DHT11溫濕度傳感器檢測。DHT11采用單總線接口傳輸數(shù)據(jù)，因此只需將DHT11的DATA引腳與CC2530的I/O口相連接即可[4]。

土壤溫度采用單總線的DS18B20溫度傳感器檢測，其DATA 引腳與 CC2530的I/O接口相連就可以完成溫度的檢測。土壤濕度采用FC-28土壤濕度傳感器進行檢測，為了獲得更加準確的土壤濕度數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用模擬量輸出，由于CC2530自帶可配置的12位ADC，只需將FC-28的A0引腳與CC2530的ADC引腳相連即可。

水滴流速采用YL-83水滴流速傳感器測量，其連接方式與FC-28土壤濕度傳感器相同。

大氣壓強采用BMP180大氣壓強傳感器進行測量。BMP180是一款高精度、小體積、超低能耗的壓力傳感器，可以應用在移動設備中[5]，并可以通過I2C總線直接與各種微處理器相連[6]。

采用 16位串行輸出數(shù)字式照度傳感器 BH1750FVI對溫室蔬菜生長環(huán)境的光照度進行檢測。BH1750FVI 具有與人類視覺靈敏度相似的優(yōu)良光譜靈敏度特性，測量范圍1～6 553 lx，可以測量從黑暗到日光直射環(huán)境的寬范圍的光照度[7]；內(nèi)部集成 ADC采用I2C總線接口，直接與 CC2530 I/O 接口相連即可。

溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器終端結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2協(xié)調(diào)器網(wǎng)關設計

協(xié)調(diào)器網(wǎng)關接收到來自傳感器終端的數(shù)據(jù)后，通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到遠程上位機或手持設備，實現(xiàn)溫室蔬菜生長環(huán)境與上位機和移動終端之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)系統(tǒng)所需，協(xié)調(diào)器網(wǎng)關以美國TI公司生產(chǎn)的 CC2530射頻芯片作為控制核心[8]，采用SIMCOM公司生產(chǎn)的工業(yè)級雙頻段GPRS模塊作為通訊模塊，內(nèi)置TCP/UDP協(xié)議以及增強AT命令集，通過串口即可以完成無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計

溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件由上位機軟件和下位機軟件程序組成。上位機軟件采用C#編寫，主要完成信息的查詢、存儲及數(shù)據(jù)的實時顯示等。下位機程序采用模塊化編程思想進行，包括主程序、傳感器終端采集子程序、無線通信子程序、GPRS 通訊子程序等，采用標準C 語言來編寫。

3.1主程序設計

溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)啟動后，首先進行初始化，包括傳感器初始化、CC2530單片機初始化、GPRS無線通訊模塊初始化和建立網(wǎng)絡鏈路[9]。為了減少功耗，設置溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)默認進入低功耗模式，每隔一段時間對溫室蔬菜生長的環(huán)境信息進行采集，利用單片機內(nèi)的定時器，定時喚醒單片機和GPRS無線通訊模塊，檢查是否收到數(shù)據(jù)。如果沒有收到數(shù)據(jù)，則再次進入休眠模式，等待再一次被喚醒。采集到數(shù)據(jù)后通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器網(wǎng)關，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機并進行顯示和保存。系統(tǒng)主流程如圖 3所示。

3.2協(xié)調(diào)器程序設計

系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器的作用是組建網(wǎng)絡，當設備通電后，初始化并建立網(wǎng)絡，為整個系統(tǒng)建立合法的傳感器采集節(jié)點并接收和發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)；組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器又起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的作用。為了減少功耗，ZigBee 無線通信程序在空閑時處于休眠狀態(tài)，工作時通過中斷的方式被喚醒。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖4所示。

3.3上位機程序設計

溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機應用B/S 3層架構(gòu)，即表現(xiàn)層、應用層、數(shù)據(jù)層，模塊化的系統(tǒng)設計，各層相互分離，最大程度地降低了功能模塊的耦合性，如有模塊需要改變，只需要修改相應的部分即可，無需對整個系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。

WEB瀏覽器為表現(xiàn)層，是用戶與系統(tǒng)交互信息的窗口，用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的消息，為用戶提供可操作的、友好的、可視化的界面[10]。

WEB服務器為應用層，負責根據(jù)業(yè)務規(guī)則處理前端客戶層的應用請求，與數(shù)據(jù)庫進行交互，并將結(jié)果反饋到表現(xiàn)層。

溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)層，負責處理和管理各種數(shù)據(jù)，通過訪問接口接收與反饋應用層的請求，并最終顯示到表現(xiàn)層中。

上位機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

3.4移動設備終端程序設計

溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安卓軟件采用中文安卓編程軟件易安卓進行設計與開發(fā)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺安卓軟件由顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊組成。顯示模塊顯示接收到的最新數(shù)據(jù)，同時也可根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的歷史數(shù)據(jù)生成報表和趨勢圖。數(shù)據(jù)儲存模塊采用SQL數(shù)據(jù)庫，將接收到的數(shù)據(jù)存儲到此數(shù)據(jù)庫中，方便以后讀取和查詢[11]。圖6為移動設備端顯示界面。

4系統(tǒng)測試與應用

為了驗證整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，利用該系統(tǒng)對山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院溫室番茄進行溯源數(shù)據(jù)采集。溫室蔬菜溯源信息采集系統(tǒng)傳感器終端每隔一段時間采集一次土壤溫濕度、空氣溫濕度、大氣壓強、光照強度和水滴流速數(shù)據(jù)發(fā)給上位機。圖7顯示的是2015年10月30日8∶00～18∶00的空氣溫濕度、土壤溫濕度、大氣壓強、光照強度和水滴流速的查詢數(shù)據(jù)。圖8顯示的是2015年10月30日8∶00～18∶00的空氣溫濕度、土壤溫濕度、大氣壓強、光照強度和水滴流速的查詢數(shù)據(jù)曲線。

5結(jié)論

本研究設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室蔬菜溯源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)嚴格按照物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)設計，借助ZigBee無線通信技術實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)在各模塊間的無線傳輸，通過GPRS 網(wǎng)絡實現(xiàn)溯源數(shù)據(jù)的遠程傳輸。該設計取代了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡布局，具有組網(wǎng)靈活、結(jié)構(gòu)簡單、傳輸準確性好、功耗低等特點，實現(xiàn)了溫室蔬菜生長環(huán)境參數(shù)的遠程實時采集、傳輸和存儲，不僅可以使消費者及時了解蔬菜生長狀況，還可以為研究人員提供準確的研究數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的正常運行提供數(shù)據(jù)支持。

參考文獻：

[1]李淑芬， 吳志紅， 王莉麗，等. 蔬菜生產(chǎn)質(zhì)量安全存在的問題及其監(jiān)管體系建設對策[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2011（15）：372-374.

[2]張秀芳. 中國優(yōu)質(zhì)蔬菜產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟分析與對策研究[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學， 2007.

[3]溫雅君， 歐陽喜輝. 蔬菜質(zhì)量安全風險研究[J]. 蔬菜， 2015（1）：1-4.

[4]張慧穎. 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學， 2014， 53（14）：3402-3406.

[5]梅翔. 基于ZigBee的爆破環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡感知節(jié)點的設計實現(xiàn)[D]. 合肥：安徽大學， 2012.

[6]佘新平， 王宏遠. I2C總線控制器及其在機頂盒中的應用[J]. 半導體技術， 1999， 24（3）：58-62.

[7]齊鳳河， 劉楚明. 基于BH1710的照度計設計[J]. 大慶師范學院學報， 2011， 31（6）：14-17.

[8]黃華晉. 基于ZigBee技術的智能家居網(wǎng)關設計[J]. 大眾科技， 2014（12）：34-36.

[9]唐艷榮. 基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)汽車控制關鍵技術研究[D]. 合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學， 2012.

[10]毛靜. 基于Oracle Spatial的GIS數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)的研究[D]. 西安：長安大學， 2012.

[11]黃偉. 基于無線傳感器網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)獲取平臺設計及相關問題研究[D]. 合肥：中國科學技術大學， 2009.