基于物聯(lián)網(wǎng)的觀賞園藝植物生理檢測(cè)系統(tǒng)

張健+阮海清

摘 要：為了準(zhǔn)確檢測(cè)園藝植物的環(huán)境和生理數(shù)據(jù)，使對(duì)園藝植物的管理變得簡(jiǎn)單和智能化，文中設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器和3G網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)系統(tǒng)，以將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC端提供決策支持。該系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、WSN、嵌入式網(wǎng)關(guān)、PC端界面，并初步實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的合理性與可靠性。

關(guān)鍵詞：園藝植物；物聯(lián)網(wǎng)；3G；PC端

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于花卉生長(zhǎng)中，能及時(shí)獲取植物的生長(zhǎng)環(huán)境和各種生理指標(biāo)[1]。通過(guò)集成各種傳感器，可以探測(cè)包括溫濕度、光照度、二氧化碳濃度、土壤pH值等農(nóng)田信息[2]。而用植株莖干直徑變化法來(lái)衡量作物的生理情況，具有簡(jiǎn)單易行、對(duì)植株不具有破壞性、可持續(xù)檢測(cè)和自動(dòng)積累的特點(diǎn)[3]。

本文實(shí)現(xiàn)了一種集溫濕度、二氧化碳濃度、植物莖干直徑檢測(cè)于一體的植物生理檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的PC機(jī)，給管理者提供決策支持。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器節(jié)點(diǎn)）采集環(huán)境和植物生理信息，通過(guò)ZigBee協(xié)議構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)送給嵌入式平臺(tái)，再由3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谶h(yuǎn)端的PC平臺(tái)供管理者決策使用。本系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 各模塊簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)采集模塊由莖干直徑探測(cè)器、溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器等采集作物生長(zhǎng)信息。莖干直徑探測(cè)器由可變差動(dòng)放大器（LVDT）和控制電路構(gòu)成。LVDT是把被測(cè)位移量變換為電信號(hào)的傳感器[4]。將其固定在被測(cè)植株莖干部位，通過(guò)與CC2530連接自動(dòng)記錄植株莖干直徑微變化[3]。安裝后能在不影響作物生長(zhǎng)的情況下持續(xù)測(cè)量作物莖干直徑變化。CO2濃度傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理測(cè)量空氣中的CO2濃度，有很好的選擇性，無(wú)氧氣依賴(lài)性。

圖2所示為傳感器與CC2530的接口電路原理圖。溫濕度傳感器SHT10通過(guò)I2C接口連接到CC2530的P1_2、P1_3引腳，CO2傳感器和LVDT連接到CC2530的串行口P0_2、P0_3引腳。

無(wú)線傳感器由傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，本文采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和ZigBee2007協(xié)議棧。傳感器把采集到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)融合后，再通過(guò)串口傳輸?shù)角度胧狡脚_(tái)。

嵌入式平臺(tái)主要用于通過(guò)串口接收傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)，能夠顯示植物生長(zhǎng)環(huán)境和生理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的檢測(cè)。接受遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程的PC端發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)。

PC端是一個(gè)位于遠(yuǎn)端的主機(jī)，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)向嵌入式平臺(tái)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，獲取植物的生理參數(shù)及環(huán)境信息，對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理，提交給控制中心進(jìn)行后續(xù)的控制動(dòng)作。PC端包括了PC機(jī)、3G模塊以及人機(jī)交互界面。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)植物生理檢測(cè)系統(tǒng)軟件時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)解決三點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序、嵌入式平臺(tái)軟件、PC端軟件。

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序

本系統(tǒng)采用基于ZigBee協(xié)議組建無(wú)線傳感網(wǎng)，在實(shí)現(xiàn)上除了硬件環(huán)境外，還需要合理的軟件設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)長(zhǎng)久穩(wěn)定可靠的運(yùn)行[5]。協(xié)調(diào)器初始化并建立起網(wǎng)絡(luò)后，等待其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，隨后傳感器節(jié)點(diǎn)初始化，并申請(qǐng)加入到先前建立的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器完成綁定成功組網(wǎng)后，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)，傳感器節(jié)點(diǎn)每隔3秒采集和發(fā)送數(shù)據(jù)信息。協(xié)調(diào)器執(zhí)行輪詢(xún)循環(huán)程序，并通過(guò)終端處理來(lái)接受其他設(shè)備發(fā)來(lái)的信息。圖3所示是協(xié)調(diào)器與傳感器的工作流程圖。

系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)和協(xié)調(diào)器程序。傳感器節(jié)點(diǎn)中傳感器采集到數(shù)據(jù)后通過(guò)UART或者I2C總線發(fā)送給CC2530單片機(jī)。單片機(jī)復(fù)位后完成節(jié)點(diǎn)初始化及數(shù)據(jù)端口驅(qū)動(dòng)后，立即搜尋、發(fā)現(xiàn)并加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)協(xié)調(diào)器允許其加入后，即建立綁定關(guān)系，然后進(jìn)入“睡眠-喚醒采集數(shù)據(jù)-睡眠”的低功耗模式。

協(xié)調(diào)器復(fù)位完成初始化工作后，建立具有唯一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)入監(jiān)控模式，當(dāng)有傳感器節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入時(shí)，允許綁定并對(duì)該節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)并分配16位短地址；當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，接收處理數(shù)據(jù)并發(fā)送給嵌入式平臺(tái)。

圖3 協(xié)調(diào)器與傳感器工作流程

2.2 嵌入式平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式平臺(tái)可起到網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)處理的作用。它通過(guò)串口接收協(xié)調(diào)器傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，在對(duì)信息進(jìn)行加工處理后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)端的PC機(jī)。本部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集端口驅(qū)動(dòng)、3G模塊數(shù)據(jù)端口的驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)庫(kù)。串口讀寫(xiě)操作使用Linux底層串口操作，使用非阻塞方式讀寫(xiě)串口，所有程序采用Qt在Linux環(huán)境下編寫(xiě)。

數(shù)據(jù)采集端口驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并采用輪詢(xún)的方式讀取串口數(shù)據(jù)，在傳感器數(shù)據(jù)正常情況下，每隔3 s上報(bào)一次，環(huán)境參數(shù)變化過(guò)快時(shí)，每隔1 s上報(bào)一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中采用多線程循環(huán)讀取并解析傳感器數(shù)據(jù)。

3G模塊數(shù)據(jù)端口驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)3G模塊之間的短信通信，采用多線程循環(huán)讀取短信數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行解析處理。短信讀取時(shí)，通過(guò)串口使用AT指令給3G模塊數(shù)據(jù)串口（ttyUSB0）發(fā)送讀寫(xiě)短信的指令。關(guān)鍵代碼如下：

void com_msg（int fd，char *number， char *text）

{

char ctl[]={26，0}；

com_writecmd（fd，"AT"， strlen（"AT"））；

com_writecmd（fd， "ATE1"， strlen（"ATE1"））；

com_writecmd（fd， "AT+CMGF=1"， strlen（"AT+CMGF=1"））；

com_write（fd， "AT+CMGS="， strlen（"AT+CMGS="））；

com_write（fd， "＼""， strlen（"＼""））；

com_write（fd， number， strlen（number））；

com_write（fd， "＼""， strlen（"＼""））；

com_write（fd ，"＼r"， strlen（"＼r"））；

usleep（10000）；

com_write（fd， text， strlen（text））；

com_write（fd， ctl， 1）； //“CTRL+Z”的ASCII碼

usleep（300000）；

}

本系統(tǒng)使用進(jìn)程內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite，該數(shù)據(jù)庫(kù)小巧靈活，無(wú)須額外安裝配置且支持大部分ANSISQL92標(biāo)準(zhǔn)，而且編程簡(jiǎn)單。SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)支持大部分基本SQL操作，如SELECT、INSERT、DELETE等。下面為插入的操作代碼：

if（dbData.open（））//插入數(shù)據(jù)

{

QSqlQuery query（dbData）；

query.prepare（"INSERT INTO tableData "

"VALUES （？，？，？，？，？）"）；

query.bindValue（0，QDate：：currentDate（）.toString（"yyyy-MM-dd"） + " " +QTime：：currentTime（）.toString（"hh：mm：ss"））；

query.bindValue（1，QString：：number（sendData->ppm））； query.bindValue（2，QString：：number（（sendData->temp1+sendData->temp2）/2））； query.bindValue（3，QString：：number（（sendData->humi1+sendData->humi2）/2））；

query.bindValue（4，QString：：number（sendData->shift））；

query.exec（）；

}

2.3 PC端軟件設(shè)計(jì)

PC端是位于遠(yuǎn)端的主機(jī)，可通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)對(duì)嵌入式平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求和操作，以獲取熱帶花卉作物生理參數(shù)及環(huán)境信息，實(shí)時(shí)操控?cái)?shù)據(jù)接收頻率，對(duì)于接收到信息的處理，完成對(duì)于花卉作物的生理監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行于Linux系統(tǒng)下，采用Qt編程。

PC端程序主要包括3G模塊數(shù)據(jù)端驅(qū)動(dòng)、短信讀寫(xiě)、數(shù)據(jù)庫(kù)操作等。串口讀寫(xiě)操作封裝為串口操作類(lèi)Win_QextSerialPort，并能完成串口打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)等操作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在IAR Embeded Workbench IDE下，打開(kāi)f8wConfig.cfg文件，配置好CHANNEL和網(wǎng)絡(luò)PANID，編譯生成傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的Hex文件，分別燒入對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的CC2530。

在嵌入式平臺(tái)移植Linux操作系統(tǒng)，搭建Qt運(yùn)行環(huán)境，下載嵌入式平臺(tái)軟件并設(shè)置好運(yùn)行環(huán)境。重啟系統(tǒng)后，WSN自動(dòng)組網(wǎng)，主動(dòng)上報(bào)傳感器數(shù)據(jù)。PC端在windows XP環(huán)境下安裝PC端軟件。

測(cè)試時(shí)，在被測(cè)植物附近安裝檢測(cè)平臺(tái)，在作物莖干部位安裝LVDT，嵌入式平臺(tái)距PC端約1.5千米。圖4是PC端的測(cè)試結(jié)果。

上述測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能正確地檢測(cè)出植物的生長(zhǎng)環(huán)境及生理數(shù)據(jù)，并通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)可靠的傳送到遠(yuǎn)端的PC機(jī)，給觀賞園藝植物的栽培管理決策提供數(shù)據(jù)支持。

圖4 PC端讀出數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

將物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用到園藝植物養(yǎng)護(hù)上，可解決很多植物愛(ài)護(hù)者的困境。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)了解植物當(dāng)前的生長(zhǎng)環(huán)境和生理指標(biāo)，從而為正確決策提供數(shù)據(jù)支持。本系統(tǒng)采用3G無(wú)線通信，便于安裝和控制，在加入控制器后，就能適用于規(guī)模化種植和家庭智能養(yǎng)護(hù)使用。

當(dāng)LVDT測(cè)量莖干直徑時(shí)，會(huì)對(duì)莖干具有一定的壓迫性，尤其是應(yīng)用于比較嬌嫩的花卉植物時(shí)尤其明顯，下一步的研究是用機(jī)器視覺(jué)取代LVDT。

參考文獻(xiàn)

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