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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的綠色蔬菜生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2016-12-22 21:57施連敏蓋之華蔣春華
軟件導(dǎo)刊 2016年11期
關(guān)鍵詞:實(shí)時(shí)監(jiān)控綠色蔬菜無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

施連敏蓋之華蔣春華

摘 要:通過分布在大棚內(nèi)的各個(gè)KW01傳感器終端節(jié)點(diǎn),實(shí)時(shí)采集綠色蔬菜生長環(huán)境的各種數(shù)據(jù)信息,借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)信息匯聚到ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān),由網(wǎng)關(guān)初步處理后,上傳至后臺(tái)服務(wù)器監(jiān)控程序,由后臺(tái)服務(wù)器監(jiān)控程序進(jìn)行匯總和分析,實(shí)現(xiàn)綠色蔬菜生長環(huán)境數(shù)據(jù)信息的顯示和存儲(chǔ),為后續(xù)智能決策和自動(dòng)控制提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);綠色蔬菜;生長環(huán)境;實(shí)時(shí)監(jiān)控

DOIDOI:10.11907/rjdk.162206

中圖分類號(hào):TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào)文章編號(hào):16727800(2016)011016703

0 引言

綠色蔬菜生產(chǎn)過程中會(huì)受到溫濕度、CO2濃度、土壤PH值、光照強(qiáng)度等環(huán)境因素的影響,將信息技術(shù)應(yīng)用到綠色蔬菜的生產(chǎn)過程中,可以準(zhǔn)確、高效地采集和調(diào)控各類環(huán)境數(shù)據(jù),對提高綠色蔬菜的產(chǎn)量和質(zhì)量有著重要作用[1]。傳統(tǒng)基于有線方式的綠色蔬菜生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布線難度大、傳輸距離短、成本高,難以實(shí)現(xiàn)有效的推廣應(yīng)用[2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其自主性組網(wǎng)、低功耗分布式監(jiān)控、無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)忍攸c(diǎn),可以很好地解決有線網(wǎng)絡(luò)的諸多不便,因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用[3]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的綠色蔬菜實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)利用近距離的ZigBee無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)和遠(yuǎn)距離的GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸手段,以及基于B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件,實(shí)現(xiàn)了綠色蔬菜生產(chǎn)過程中溫濕度、CO2濃度、土壤PH值、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了含有感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的綠色蔬菜生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),整個(gè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)、ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控軟件,如圖1所示。

(1)數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn):采集并上傳綠色蔬菜生長環(huán)境中的環(huán)境數(shù)據(jù),如:溫濕度、CO2濃度、土壤PH值、光照強(qiáng)度;接收并執(zhí)行遠(yuǎn)程后臺(tái)發(fā)送的控制指令[4]。節(jié)點(diǎn)之間通過Zigbee協(xié)議組網(wǎng),并根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行動(dòng)態(tài)拓?fù)?,從而維持整個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定通信。

(2)ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn):以Zigbee協(xié)議方式接收數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)所上傳的數(shù)據(jù),進(jìn)行匯聚后,以GPRS方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控軟件進(jìn)行處理和分析;以GPRS方式接收遠(yuǎn)程后臺(tái)發(fā)送的控制指令,進(jìn)行解析處理后,以Zigbee協(xié)議方式發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)。同時(shí),ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)還定時(shí)發(fā)送心跳包數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息,并反饋給后臺(tái)監(jiān)控軟件[5]。

(3)遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn):處理并分析由ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)傳輸過來的數(shù)據(jù)信息,并將處理結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示;對數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)所采集的現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,根據(jù)不同綠色蔬菜生長所需的環(huán)境數(shù)據(jù),發(fā)送相應(yīng)的控制指令,控制現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài),從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)時(shí)要充分考慮低功耗和無線傳輸?shù)母呖煽啃裕虼诉x擇恩智浦的32位ARM+RF一體化低功耗芯片KW01作為數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的主控MCU,該芯片內(nèi)部集成了ARM CortexM0+內(nèi)核的KL26微控制器和SX1231RF無線收發(fā)器,運(yùn)行速率高達(dá)48 MHz,擁有128KB Flash和16KB SRAM,內(nèi)置了10路16位ADC采集模塊,以及符合IEEE 802.15.4規(guī)約的Zigbee協(xié)議棧,可以充分滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗、近距離、雙向傳輸?shù)男枨骩6]?;贙W01的數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括KW01 MCU最小系統(tǒng)、2.4GHz功率放大模塊、電源管理模塊、接口電路、各類傳感器等。

綠色蔬菜生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集中,空氣溫濕度傳感器選用數(shù)字化溫濕度傳感器SHT10,該傳感器數(shù)據(jù)采集精度高,含有已校準(zhǔn)的、支持I2C總線的數(shù)字信號(hào)輸出,且接口電路簡單;土壤溫濕度傳感器選用TDC220D,該傳感器內(nèi)嵌微控制器,支持I2C總線的數(shù)字信號(hào)輸出,可以同時(shí)測量土壤溫度和濕度;CO2濃度傳感器選用CGS3100,該傳感器采用NDIR技術(shù)測量空氣中的CO2濃度,可以同時(shí)支持UART、I2C總線;土壤PH值傳感器選用NHPH49,該傳感器集成度高、體積小、功耗低,可以同時(shí)支持UART、RS232、RS485、I2C總線;光照傳感器選用光強(qiáng)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561,該芯片功耗低、量程寬、可編程配置、抗干擾能力強(qiáng),支持I2C總線的數(shù)字信號(hào)輸出。

2.2 ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)時(shí)考慮:①能夠通過Zigbee協(xié)議與數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信與信息交互;②能夠通過GPRS方式與遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控軟件進(jìn)行穩(wěn)定通信并交互信息;③能夠在數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控軟件之間起到穩(wěn)定的實(shí)時(shí)上傳下達(dá)數(shù)據(jù)的功能,并且也保證了低功耗節(jié)能要求。

基于以上基本要求,ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的主控MCU選用恩智浦的基于ARM CortexM4內(nèi)核的K64芯片,該芯片運(yùn)行速率高達(dá)120MHz,擁有1M Flash和256KB RAM,采用無晶振USB設(shè)計(jì),可以充分滿足低功耗處理、高存儲(chǔ)器密度的應(yīng)用;ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的Zigbee通信模塊選用與數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)一致的KW01芯片;ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的GPRS模塊選用華為的CM320模塊,該模塊基于CDMA2000 1X空中接口,采用MSM6025系列套片,可以完成全部無線接收、發(fā)射、基帶信號(hào)處理和音頻信號(hào)處理[7]。

ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要包括K64主控MCU、KW01無線收發(fā)模塊、華為CM320 GPRS模塊和電源管理模塊,K64主控MCU與KW01無線收發(fā)模塊之間通過SPI方式進(jìn)行通信,K64主控MCU與華為CM320 GPRS模塊之間通過RS232方式進(jìn)行通信。

ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)需要通過Zigbee方式從數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)獲取環(huán)境數(shù)據(jù),同時(shí)還要通過GPRS方式將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控軟件,所以在ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)中創(chuàng)建3個(gè)線程,分別為主控線程、Zigbee無線通信線程和GPRS無線通信線程。其中主控線程主要負(fù)責(zé)ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的穩(wěn)定運(yùn)行并協(xié)調(diào)另外兩個(gè)線程;Zigbee無線通信線程負(fù)責(zé)接收KW01無線收發(fā)模塊所接收的數(shù)據(jù)并給KW01無線收發(fā)模塊發(fā)送控制指令;GPRS無線通信線程負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控軟件以及接收遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控軟件發(fā)送來的控制指令。ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)的軟件控制流程如圖4所示。

2.3 遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控軟件主要由服務(wù)器軟件、數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器接口組件組成。其中服務(wù)器軟件選擇在Visual Studio 2013集成開發(fā)環(huán)境下利用C#語言編寫,其主要接收并處理ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)所上傳的現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù),將處理結(jié)果顯示在頁面上,以及向ZigbeeGPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制指令,同時(shí)將數(shù)據(jù)和控制指令存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中;數(shù)據(jù)庫選擇SQL Server 2008,用來存儲(chǔ)現(xiàn)場環(huán)境的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),以及相關(guān)配置信息和控制指令;Web服務(wù)器接口組件選擇Microsoft的Internet Information Server 7.0(IIS7.0),使用ASP.NET語言進(jìn)行開發(fā)。

3 結(jié)語

針對當(dāng)前綠色蔬菜生長環(huán)境監(jiān)測的需求,設(shè)計(jì)了將Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS相結(jié)合的綠色蔬菜生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸和匯聚,以及分析處理,可以使人們精確地獲取綠色蔬菜生長環(huán)境信息,包括溫濕度、CO2濃度、土壤PH值、光照強(qiáng)度等,從而在實(shí)際生產(chǎn)過程中減少人工測量誤差,降低綠色蔬菜成本,同時(shí)也保障了綠色蔬菜的產(chǎn)量和質(zhì)量。后續(xù)將在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引入大數(shù)據(jù)分析方法,為綠色蔬菜生產(chǎn)提供智能決策和自動(dòng)控制。

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(責(zé)任編輯:孫 娟)

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