于鵬澎　潘杰

【摘 要】針對植物工廠對溫濕度、CO2濃度、光照等環(huán)境參數(shù)的智能監(jiān)測要求，基于6LoWPAN技術(shù)設計了植物工廠智能監(jiān)測系統(tǒng)。通過搭建監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)，設計6LoWPAN網(wǎng)關節(jié)點和傳感器節(jié)點硬件電路、軟件程序，實現(xiàn)對植物工廠內(nèi)環(huán)境信息的綜合、實時、智能監(jiān)測，提升植物工廠生產(chǎn)信息化水平。

【關鍵詞】植物工廠;6LoWPAN;監(jiān)測系統(tǒng)

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(yè)發(fā)展和城市規(guī)模擴張，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式受到嚴重挑戰(zhàn)，已不能滿足人們對高品質(zhì)作物的需求[1]。以設施園藝、環(huán)境科學和電子信息等技術(shù)為基礎的植物工廠作為最新現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，成為破解這一難題的關鍵。植物工廠內(nèi)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(jiān)測控制是保障作物高效生產(chǎn)的基礎[2]。目前，我國植物工廠監(jiān)測系統(tǒng)多采用獨立控制，設備間不互聯(lián)，缺乏整體性，擴展能力差不滿足現(xiàn)代植物工廠綜合、實時、智能監(jiān)測要求[3]。6LoWPAN（IPv6 over Low-power wireless Personal Area Networks）技術(shù)實現(xiàn)了IEEE802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡與IPv6網(wǎng)絡的無縫連接[4]，具有低功耗、地址資源豐富、自主組網(wǎng)、實時性強等優(yōu)點，可應用于植物工廠智能監(jiān)測系統(tǒng)中。

1 植物工廠智能監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

植物工廠內(nèi)作物要保持最佳生長狀態(tài)，離不開適宜的溫濕度、CO2濃度、光照等環(huán)境因素?；?LoWPAN的植物工廠智能監(jiān)測系統(tǒng)通過實時準確監(jiān)測環(huán)境因素，為內(nèi)部環(huán)境調(diào)節(jié)提供依據(jù)。本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)由PC終端，路由器，6LoWPAN網(wǎng)關和傳感器節(jié)點組成，具體如圖1所示。

其中，傳感器節(jié)點搭載溫濕度、CO2濃度、光照等各類型傳感器完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并將其傳輸至6LoWPAN網(wǎng)關。網(wǎng)關完成IEEE802.15.4無線IPv6數(shù)據(jù)與IEEE802.3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)IPv6用戶終端與6LoWPAN網(wǎng)絡之間的連接與通信，實現(xiàn)植物工廠環(huán)境數(shù)據(jù)的互聯(lián)、實時、智能監(jiān)測。

2 植物工廠智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

2.1 6LoWPAN網(wǎng)關節(jié)點硬件設計

6LoWPAN網(wǎng)關是IPv6有線網(wǎng)絡與6LoWPAN無線網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)通信的接口，具有IEEE802.15.4無線IPv6數(shù)據(jù)同IEEE802.3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)IPv6用戶終端訪問該網(wǎng)關下的6LoWPAN傳感器網(wǎng)絡。6LoWPAN網(wǎng)關節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，主控芯片使用TI公司開發(fā)的片上系統(tǒng)CC2538，該芯片采用ARM Cortex-3架構(gòu)，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(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理要求[5]。ENC28J60以太網(wǎng)芯片以SPI總線方式與CC2538芯片連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸快速處理。射頻收發(fā)機模塊實現(xiàn)網(wǎng)關節(jié)點與網(wǎng)絡內(nèi)傳感器節(jié)點間數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。

2.2 傳感器節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點作為植物工廠智能監(jiān)測系統(tǒng)關鍵模塊，對植物工廠內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)進行采集并傳輸至6LoWPAN網(wǎng)關節(jié)點。圖3為傳感器節(jié)點硬件框圖。傳感器節(jié)點主控芯片選用TI公司CC2530產(chǎn)品。該芯片集成射頻收發(fā)技術(shù)，搭載增強型80C51內(nèi)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(xiàn)植物工廠環(huán)境數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。

傳感器節(jié)點硬件設計中，傳感監(jiān)測電路根據(jù)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)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(shù)，數(shù)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(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

Contiki是專為LLN （Low power and Lossy networks）網(wǎng)絡開發(fā)的操作系統(tǒng)，并提供uIPv6協(xié)議棧支持，具有處理無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀和IPv6網(wǎng)絡數(shù)據(jù)報文的功能[7]。本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)軟件基于Contiki操作系統(tǒng)開發(fā)，具體分為網(wǎng)關節(jié)點軟件設計和傳感器節(jié)點軟件設計。

6LoWPAN網(wǎng)關節(jié)點通電后，監(jiān)聽UDP端口狀態(tài)，等待接收遠程PC端數(shù)據(jù)并進行解析處理。依據(jù)接收到的內(nèi)容生成不同指令，在完成數(shù)據(jù)壓縮、報文分片后，網(wǎng)關節(jié)點向6LoWPAN網(wǎng)絡內(nèi)的傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀。6LoWPAN網(wǎng)關節(jié)點等待傳感器節(jié)點回傳采集數(shù)據(jù)，最后對接收到的數(shù)據(jù)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(xiàn)植物工廠環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測、網(wǎng)絡傳輸，具體流程如圖4（a）。

傳感器節(jié)點通電后，系統(tǒng)進行初始化，完成系統(tǒng)參數(shù)配置，等待6LoWPAN網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送指令信息。傳感器節(jié)點接收到網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后，進行報文重組、解壓縮等處理。若收到的指令信息為環(huán)境監(jiān)測，則跳轉(zhuǎn)至環(huán)境監(jiān)測子程序進行環(huán)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(shù)配置。傳感器節(jié)點完成環(huán)境信息采集和參數(shù)配置后，將采集結(jié)果和配置參數(shù)封裝成數(shù)據(jù)報文，然后進行數(shù)據(jù)壓縮和報文分片，最后將數(shù)據(jù)幀傳送至網(wǎng)關節(jié)點。具體流程如圖4（b）。

4 結(jié)語

本文基于6LoWPAN技術(shù)設計了植物工廠智能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)植物工廠內(nèi)無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡與IPv6網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，實現(xiàn)植物工廠環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測，為植物工廠內(nèi)作物保持最佳生長狀態(tài)提供保證。

【參考文獻】

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