基于GPRS與ZigBee的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

岳學軍，王葉夫，劉永鑫，徐 興，陳樹榮，陳奕希，侯勉聰，燕英偉，全東平，陳柱良

（華南農業(yè)大學工程學院，廣東廣州 510642）

基于GPRS與ZigBee的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

岳學軍，王葉夫，劉永鑫，徐 興，陳樹榮，陳奕希，侯勉聰，燕英偉，全東平，陳柱良

（華南農業(yè)大學工程學院，廣東廣州 510642）

【目的】設計果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).【方法】該系統(tǒng)由遠程ZigBee-GPRS網關與無線傳感器網絡（WSN）節(jié)點組合，果園參數在WSN、GPRS與Internet間進行采集與傳輸，實現(xiàn)遠距離果園環(huán)境實時監(jiān)測.節(jié)點采用CC2530作無線數據收發(fā)芯片，GPRS采用ComWay模塊，由ZigBee進行組網采集環(huán)境信息，通過GPRS網絡回傳給上位機實現(xiàn)實時監(jiān)測，再由決策支持系統(tǒng)進行分析發(fā)送指令控制節(jié)點電磁閥通斷從而營造一個適合果樹生長的環(huán)境.【結果和結論】試驗表明：系統(tǒng)可完成傳感網與移動通信網絡之間的數據傳送，實現(xiàn)不同類型感知網絡之間的協(xié)議轉換以及對傳感器網絡的部分管理控制功能.系統(tǒng)在果園中運行穩(wěn)定并且丟包率低于10%，具有實踐應用價值.

果園環(huán)境；GPRS；ZigBee；遠程監(jiān)控；決策支持

1 總體設計方案

果園環(huán)境信息采集系統(tǒng)的基本功能是通過各類傳感器和采集設備實時采集果園現(xiàn)場環(huán)境的基本信息，包括土壤含水量、降雨量、氣溫、光照度信息等；這些信息將被實時傳輸到上級系統(tǒng)，系統(tǒng)根據情況作出是否灌溉的決策.信息采集的及時性、可靠性和完整性，是信息采集系統(tǒng)的基本性能要求［9-10］.分布于監(jiān)控區(qū)的ZigBee節(jié)點間自主組網形成監(jiān)控網絡，每節(jié)點收集自身周圍溫度、濕度、光照強度等信息，然后將數據無線傳輸，ZigBee網絡中的協(xié)調器收集處理后進行轉發(fā)，ZigBee-GPRS網關節(jié)點收集后采用GPRS網絡進行轉發(fā)，監(jiān)控中心采集后以界面形式供監(jiān)控人員實時進行決策和處理.系統(tǒng)框圖設計如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 系統(tǒng)硬件設計方案

2.1 硬件方案設計

本文采用ZigBee協(xié)議，WSN網絡試驗平臺由節(jié)點、協(xié)調器、路由器和移動終端等組成，溫度、濕度、光照等數據經WSN進行傳輸、收集和共享等.采用串口（UART）連接ZigBee協(xié)調器與GPRS模塊，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的硬件設計方案.利用本文設計的GPRS網關，用戶可以實現(xiàn)無線傳感器網絡與互聯(lián)網之間的互通，無線網關可轉發(fā)無線傳感器網節(jié)點采集到的數據至互聯(lián)網中的PC主機.系統(tǒng)硬件效果示意圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件示意圖Fig.2 Schematic diagram of the system hardware

2.2 GPRS與ZigBee網關設計

網關采用基于GSM的通用無線分組業(yè)務（General packet radio service，GPRS）融合ZigBee協(xié)議的方法，可面向農戶或農業(yè)公司提供移動分組的IP連接.采用ComWay公司的DTU模塊，GPRS無線模塊與單片機連接如圖3所示.

2.3 電磁閥-水泵閥控制電路設計

選用TLP521做可控制光電藕合器件，通過三極管8050來驅動DC 5V的繼電器，通過繼電器的開合來控制電磁閥或水泵的開關.完成的電磁閥控制電路圖如圖4所示.

圖3 GPRS與ZigBee通訊電路Fig.3 GPRSand ZigBee communication circuit

圖4 電磁閥控制電路圖Fig.4 Control circuit of solenoid valve

3 系統(tǒng)的軟件開發(fā)

3.1 ZigBee節(jié)點軟件流程

程序正常啟動時，打開串口，設置好ZigBee協(xié)調器的信道和PAN ID號，初始化協(xié)調器，連接GPRS服務器.當串口接收到來自ZigBee協(xié)調器數據包，進行解析并且處理相關數據，再通過互聯(lián)網轉發(fā)至服務器主機；主機同樣也可以通過指令控制ZigBee協(xié)調器或者節(jié)點.ZigBee節(jié)點總流程如圖5所示.

圖5 ZigBee節(jié)點運行流程Fig.5 General program flowchart of ZigBee node

3.2 上位機管理平臺設計

3.2.1 實時顯示模塊 上位機實時顯示節(jié)點土壤溫濕度和光照等傳感數據，本上位機軟件可設置自動采集的時間間隔，掉線靈敏度單位為s，若網絡中某個節(jié)點意外停止工作，上位機會在所設置掉線靈敏度時間內重新自組網絡，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與可靠性.自動采集時間間隔默認為5 s，具體數值可任意設置.實時顯示模塊工作如圖6所示.

圖6 活動節(jié)點實時顯示圖Fig.6 Real-time display of active nodes

3.2.2 拓撲結構顯示功能 系統(tǒng)的傳感網絡在設計中，還設計了網關跟終端節(jié)點的網絡拓撲圖顯示功能，在顯示拓樸圖時也可查詢節(jié)點的鏈接質量，并顯示出來，從而使系統(tǒng)對自身網絡結構也進行實時運行監(jiān)測，進一步保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性，實時顯示的網拓樸結構如圖7所示.

3.2.3 報表功能及系統(tǒng)設置模塊 采用CMS1控件，使系統(tǒng)可顯示實時或歷史趨勢圖，將果園環(huán)境中的溫濕度及光敏感度的變化以曲線形式直觀的顯示在屏幕上，便于分析與決策；用戶可根據個人需求通過勾選溫度、濕度、光敏感度復選框查看3個環(huán)境參數的實時變化曲線圖.

圖7 網絡拓撲圖Fig.7 Diagram of network topology

監(jiān)控軟件可以設置自動采集時間間隔，實時觀看數據更新；可以設置掉線靈敏度，方便ZigBee自組網；可以靈活設置果園中灌溉設施啟動與停止的時刻；可設置服務器IP地址及端口號，啟動網絡連接便可以連接ZigBee網絡.

3.2.4 控制決策 系統(tǒng)采集各傳感器參數，根據各傳感器數據，進行分析給出決策建議.本系統(tǒng)對土壤含水量進行閾值判決，力圖將土壤含水量保持在18%～20%的范圍內［11-12］.試驗表明，在本系統(tǒng)監(jiān)測范圍內，土壤含水量在該范圍內合理波動.由于土壤含水量變化有延時，因此該系統(tǒng)的調控實時性有待提高.

4 系統(tǒng)測試與結果分析

試驗平臺包括無線網關2個（GPRS網關和以太網網關），終端采集節(jié)點7個，土壤水分含量傳感器和土壤溫度濕度傳感器若干（可擴展），電磁閥若干（可擴展）.在華南農業(yè)大學工程學院的國家現(xiàn)代農業(yè)技術體系柑橘綜合示范園中進行功能測試，試驗表明，系統(tǒng)可完成傳感網與電信網絡之間的數據傳送、不同類型感知網絡之間的協(xié)議轉換，以及對傳感器網絡的部分管理控制功能.

經實驗室系統(tǒng)測試，并針對出現(xiàn)的問題進行改進后，在華南農業(yè)大學南亞熱帶果樹資源圃中的柑橘種植區(qū)域，組建并安裝系統(tǒng)再進行試驗.試驗表明，系統(tǒng)運行情況穩(wěn)定，系統(tǒng)可進行溫室環(huán)境參數采集，并能根據采集的參數進行分析，給出決策建議.

華南農業(yè)大學南亞熱帶果樹資源圃中的柑橘種植區(qū)域，地形為山坡丘陵，柑橘樹按梯田式分布栽種，平均坡度20°，橘樹高度2.8 m，灌層直徑3 m，植株平均間距2.8 m.用無線龍IOT1000物聯(lián)網協(xié)議分析儀，TISmartRF Studio 7軟件，運行于IOT100協(xié)議分析儀中，用于通過調試器對TI無線SOC進行芯片級測試或通信試驗，測試果園中無線節(jié)點接收信號強度RSSI與丟包率隨著距離變化關系如下表1所示，在50 m的組網范圍內，丟包率低于10%，滿足應用需求.

表1 無線節(jié)點不同距離下的信號衰減與丟包率Tab.1 Signal attenuation and packet loss rates of w ireless nodes under different distance

節(jié)點接收信號強度與距離的測試結果如圖8所示，試驗數據經擬合得到公式RSSI＝-9.855 5 Lnd-46.739.式中RSSI表示接收信號強度（dBm），d表示通信距離（m），R2＝0.943 6.試驗數據表明，R2接近于1，系統(tǒng)可應用于果園環(huán)境中，具有一定的實踐價值.

圖8 節(jié)點信號衰減曲線Fig.8 Attenuation curve diagram of node signal

5 結論

系統(tǒng)測試結果表明，本文所設計果園監(jiān)測系統(tǒng)中各節(jié)點結構簡單，可滿足采集數據功能，節(jié)能且功耗低，節(jié)點可根據果園實際情況靈活安裝；節(jié)點采集信息基于ZigBee協(xié)議星形組網完成網絡中數據傳輸；搭建ZigBee-GPRS網關，完成異構網絡ZigBee網絡與GPRS網絡、Internet網絡間的信息交互，數據得到無線傳輸與采集.系統(tǒng)試驗表明，該系統(tǒng)可以在嶺南地區(qū)果園中應用，果園中傳感器參數可遠程傳輸到PC機中，實現(xiàn)遠程監(jiān)測.系統(tǒng)由ZigBee進行組網采集環(huán)境信息，通過GPRS網絡回傳給上位機實現(xiàn)實時監(jiān)測，再由決策支持系統(tǒng)進行分析發(fā)送指令控制節(jié)點電磁閥通斷從而營造一個適合果樹生長的環(huán)境.系統(tǒng)可完成傳感網與移動通信網絡之間的數據傳送，實現(xiàn)不同類型感知網絡之間的協(xié)議轉換以及對傳感器網絡的部分管理控制功能；在果園中運行穩(wěn)定并且丟包率低于10%，具有實踐應用價值.

WSN在農業(yè)上的運用越來越廣泛，研究也越來越深入［13-14］，本果園監(jiān)測系統(tǒng)中采集的果園環(huán)境參數僅包含了溫度、光照和電壓，今后科研工作應引入更多種類的傳感器，進行更多種類數據的采集與傳輸研究；本系統(tǒng)僅對簡單星型網組網方式進行研究，進一步深入研究工作應針對網狀網、樹型網等復雜組網方式進行，復雜組網方式功能、應用范圍與深度可進一步擴展.

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【責任編輯霍 歡】

Orchard environmentalmonitoring system based on GPRS and ZigBee

YUE Xuejun，WANG Yefu，LIU Yongxin，XU Xing，CHEN Shurong，CHEN Yixi，HOU Miancong，YAN Yingwei，QUAN Dongping，CHEN Zhuliang
（College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

【Objective】To design an environmentalmonitoring and decision support system based on wireless sensor network（WSN）.【Method】The system was assembled by ZigBee-GPRSgateway and wireless sensor nodes，which could monitor remote dynamic of orchard environment.CC2530 was used aswireless data transceiver chip for ZigBee sensor nodes，and ComWay GPRSmodem was selected.Ecological information was collected and transmitted for cooperation in a remote PC through ZigBee and GPRS networks accordingly.Irrigation processes were arranged by a decision software.【Result and conclusion】Data could be transferred between system sensor networks and mobile communication network according to the system.Meanwhile，protocol conversion between different types of sensor networks and integrant sensor network managements could be completed.Further observations showed that the average packet loss rate was lower than 10%.This system could be suitable for orchard applications.

orchard environment；GPRS；ZigBee；remotemonitoring；decision support

S121；S667.2；S609

A

1001-411X（2014）04-0109-05

水果是中國種植業(yè)中排在糧食、蔬菜之后的第3大產業(yè)，在國民經濟中占有非常重要的地位［1-2］.傳統(tǒng)的果園多處于偏遠地區(qū)，存在人煙稀少、交通不便、地形復雜、維護不便、工作環(huán)境惡劣等問題.果園的管理也大多依靠人工完成，效率低下、工作量大、管理粗放［3］.中小型果園設施落后配套設施不齊，可靠性差，果樹灌溉只信賴果農經驗進行漫灌或渠灌.稍大規(guī)模果園的管理多是對環(huán)境單因素進行監(jiān)測、控制，不能做到環(huán)境的綜合監(jiān)測和調節(jié)［4-5］.果樹正常的生長需要一定的環(huán)境條件.環(huán)境條件不僅直接關系到果樹本身的生長狀況，而且影響到果實的產量和品質.果園環(huán)境重要參數主要有溫濕度（土壤、環(huán)境）、光照、土壤pH、營養(yǎng)液成分含量等［6］，對環(huán)境各重要參數的實時檢測和綜合調控成為當前果園信息化的重要瓶頸.為了能使果樹達到高產高質，必須要對這些環(huán)境參數進行精確的檢測和綜合的調控.果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的設計對實現(xiàn)果樹管理的現(xiàn)代化、精細化有著非常重要的意義［7-8］.

2013-07-20優(yōu)先出版時間：2014-06-03

優(yōu)先出版網址：http:∥www.cnki.net／kcms／doi／10.7671／j.issn.1001-411X.2014.04.020.html

岳學軍（1971—），女，副教授，博士，E-mail:yuexuejun＠scau.edu.cn；

國家星火計劃項目（2012GA780043）；廣東省自然科學基金（S2012010009856）；廣東省農業(yè)標準化研究項目（粵財農［2012］528號）；廣東省農業(yè)標準制定項目（粵財農［2012］528號）；廣州市科技計劃項目（7414558112697）

岳學軍，王葉夫，劉永鑫，等.基于GPRS與ZigBee的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)［J］.華南農業(yè)大學學報，2014，35（4）：109-113.