基于WIFI的溫室群多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳鳴鳩，林欣銘，俞 龍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642）

基于WIFI的溫室群多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳鳴鳩，林欣銘，俞 龍※

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642）

溫室群是目前我國南方地區(qū)普遍采用的產(chǎn)業(yè)化種植模式，其電氣化、信息化、智能化的要求越來越高。為了滿足大數(shù)據(jù)傳輸和溫室群信息數(shù)據(jù)匯聚和入網(wǎng)的需求，本文設(shè)計(jì)了基于WIFI的溫室群多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用中繼傳輸技術(shù)和自組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，有效擴(kuò)大WIFI網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。WIFI節(jié)點(diǎn)通信測試結(jié)果表明：中繼數(shù)傳過程約需16 s，可滿足溫室群多節(jié)點(diǎn)傳輸應(yīng)用。

溫室群 WIFI節(jié)點(diǎn) 中繼傳輸

0 引言

溫室群是目前我國南方地區(qū)普遍采用的蔬菜、瓜果類作物產(chǎn)業(yè)化種植模式。隨著微機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，溫室群自動化、信息化技術(shù)發(fā)展迅速?，F(xiàn)有多種類型的溫室集群環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，如基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[1]、基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[2]、基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚無線監(jiān)測系統(tǒng)[3]，基于WiFi的溫室群環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]等。

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，溫室群規(guī)模越來越大，同時(shí)溫室群的監(jiān)測需求也逐步上升，除了溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測外，圖像傳輸和視頻監(jiān)測領(lǐng)域需求也逐步增大。本文提出了基于WIFI的溫室群多節(jié)點(diǎn)無線級聯(lián)傳感網(wǎng)絡(luò)方案，采用中繼傳輸技術(shù)和自組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，有效擴(kuò)大WIFI網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室群多節(jié)點(diǎn)無線級聯(lián)傳感網(wǎng)絡(luò)主要由分布在溫室單間內(nèi)的WIFI傳感節(jié)點(diǎn)及溫室群的匯聚節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。標(biāo)號為1，2的均為溫室單間，每個(gè)溫室單間有一個(gè)WIFI傳感節(jié)點(diǎn)。WIFI傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)定期采集溫室單間內(nèi)的環(huán)境參數(shù)（如溫濕度，光照度，圖像等）形成數(shù)據(jù)包，匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚并將數(shù)據(jù)共享至internet。標(biāo)號為1的溫室單間傳感節(jié)點(diǎn)處于與匯聚節(jié)點(diǎn)通信范圍之內(nèi)；而標(biāo)號為2的溫室單間傳感節(jié)點(diǎn)處于與匯聚節(jié)點(diǎn)通信范圍之外，需要尋找附近節(jié)點(diǎn)作為中繼將數(shù)據(jù)數(shù)傳到匯聚節(jié)點(diǎn)。

2 WIFI節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

WIFI傳感節(jié)點(diǎn)硬件由處理器模塊，WIFI透明傳輸通信模塊，電源模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。如圖2所示。除了沒有數(shù)據(jù)采集模塊外，溫室群的匯聚節(jié)點(diǎn)與WIFI傳感節(jié)點(diǎn)硬件一致。

圖1 溫室群WIFI傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件框圖

圖3 多節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)絡(luò)路由

MCU采用低功耗的32位單片機(jī)STM32F103RBT6，該芯片有集成度高、外圍模塊豐富，處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。WIFI透明傳輸模塊采用的是HLK-RM04轉(zhuǎn)串口模塊[6]。該模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WIFI）3個(gè)接口之間的任意透明轉(zhuǎn)換。通過HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可經(jīng)過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。為用戶的串口設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)提供完整快速的解決方案。

3 WIFI自組網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

溫室群面積較大，受到WIFI通信距離的限制，WIFI傳感節(jié)點(diǎn)采用直接或中繼傳輸?shù)姆绞脚c匯聚節(jié)點(diǎn)通信，如圖3所示。在WIFI自組網(wǎng)絡(luò)過程中，每個(gè)WIFI傳感節(jié)點(diǎn)檢測匯聚節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度。如果傳感節(jié)點(diǎn)處于匯聚節(jié)點(diǎn)通信范圍之內(nèi)，則設(shè)立可直接通信標(biāo)志，如自我標(biāo)號為1，并記錄一級通信鏈路；如果處于匯聚節(jié)點(diǎn)通信范圍之外，則查尋附件自我標(biāo)號為1的傳感器節(jié)點(diǎn)，如有則將設(shè)立二級通信標(biāo)志，如自我標(biāo)號為2，并記錄二級通信鏈路；如此類推，構(gòu)建整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。

4 WIFI中繼算法

WIFI中繼算法可將網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，達(dá)到擴(kuò)大WIFI網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍的效果。WIFI網(wǎng)絡(luò)按照主從（即服務(wù)器端和客戶端）的方式進(jìn)行通信，中繼算法的設(shè)計(jì)主要是兩種模式之間的轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)，如圖4所示。STM32單片機(jī)先將WIFI傳感節(jié)點(diǎn)初始化為服務(wù)器模式，使節(jié)點(diǎn)處于數(shù)據(jù)包監(jiān)聽狀態(tài)，如果節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包，將進(jìn)入數(shù)據(jù)登記處理過程，包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、標(biāo)志相應(yīng)的啟動客戶端模式的數(shù)據(jù)位等。單片機(jī)將WIFI模塊配置為客戶端模式，與匯聚節(jié)點(diǎn)建立通信鏈路，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，然后返回為服務(wù)器模式，等待下一周期。如果節(jié)點(diǎn)沒有收到數(shù)據(jù)包，則等待數(shù)據(jù)采集時(shí)間中端是否到，到則采集數(shù)據(jù)并完成發(fā)送，否則返回?cái)?shù)據(jù)監(jiān)聽狀態(tài)。

圖4 節(jié)點(diǎn)中繼算法流程

5 試驗(yàn)與結(jié)果分析

5.1 節(jié)點(diǎn)有效通信距離測試

本測試分兩種環(huán)境進(jìn)行測試[7]：一個(gè)是空曠地帶（地點(diǎn)：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)華山運(yùn)動場）；另一個(gè)障礙地帶，以宿舍群（地點(diǎn)：華農(nóng)華山宿舍區(qū)）模擬測試。設(shè)置最大發(fā)射功率，逐步增加測試距離，有效通信距離以節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定接收到數(shù)據(jù)包為準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 節(jié)點(diǎn)的有效通信距離測試

5.2.1 組網(wǎng)延時(shí)性能

節(jié)點(diǎn)服務(wù)器模式和客戶端模式之間的轉(zhuǎn)化過程所需的時(shí)間是影響網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)性主要因素，實(shí)測情況如表2所示。

表2 耗時(shí)測試

服務(wù)器模式和客戶端模式之間的轉(zhuǎn)化大約需要16 s，此過程時(shí)間的較長是由于每一種模式下單片機(jī)都需要重新配置WIFI模塊，WIFI模塊被配置好后需要一個(gè)上電初始的過程。實(shí)際應(yīng)用溫室群的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測周期一般設(shè)定為5 min以上，此過程耗時(shí)16 s可以滿足實(shí)際應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)影響較小。

5.2.2 中繼組網(wǎng)丟包率

中繼組網(wǎng)丟包率測試見表3。

表3 丟包率測試

根據(jù)表3實(shí)測的情況，得知：本設(shè)計(jì)的使用WIFI模塊在90 m的距離內(nèi)很穩(wěn)定，不會出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象。到了90 m信號開始變?nèi)趺黠@，衰減較大，所以測試的過程中，測試距離只增加5 m，即達(dá)到95 m，此時(shí)信號開始不穩(wěn)定，但會出現(xiàn)WIFI斷開重連的現(xiàn)象。通信距離達(dá)到100 m時(shí)，信號極不穩(wěn)定，斷開重連現(xiàn)象出現(xiàn)頻繁，但信號連上時(shí)數(shù)據(jù)包發(fā)送出現(xiàn)延時(shí)約1 s，丟包率還是為零。通信距離達(dá)到105 m時(shí)，監(jiān)測得到WIFI信號，但是無法建立連接。

6 結(jié)論與討論

本文提出一種基于WIFI的溫室群多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1）結(jié)合中繼傳輸技術(shù)和自組網(wǎng)，擴(kuò)大了通信覆蓋面積，可擴(kuò)展應(yīng)用圖像傳輸和視頻監(jiān)控；

2）中繼數(shù)傳過程約需16 s，可滿足溫室群多節(jié)點(diǎn)傳輸應(yīng)用；

3）丟包率與WIFI信號的穩(wěn)定性有很大的關(guān)系，通過測試發(fā)現(xiàn)只要在WIFI能夠建立通信距離內(nèi)，丟包率為0，這是WIFI通信的一大優(yōu)勢。

今后進(jìn)一步研究的工作是對本設(shè)計(jì)進(jìn)行多級的聯(lián)網(wǎng)測試，獲取更準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。

[1]潘韻，孫蘭娟.基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2014，31（7）：807-811.

[2]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（1）：171-176.

[3]李立揚(yáng)，王華斌，白鳳山.基于 ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20（12）：3148-3150.

[4]吳卓葵，張文峰，曾濤，等.基于 WiFi的溫室群環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，24（3）：204-207.

[5]劉小軍.基于WIFI無線視頻傳輸技術(shù)的研究[J].通信電子技術(shù)，2012，10（26）：82-85

[6]深圳市海陵特電子有限公司 HLK-RM04應(yīng)用手冊

[7]王衛(wèi)星，羅錫文，孫道宗，等.茶園信息采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(5)：169－173.

圖6 苗箱移動傳動件結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

四軸移箱機(jī)構(gòu)的各軸強(qiáng)度高、動作準(zhǔn)確，工作可靠，而且加工和安裝的要求較低，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。GL-CPS4型移箱機(jī)構(gòu)不但具有一般四軸移箱機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)闄M向送秧量可變，適應(yīng)性好，能更好滿足高速插秧機(jī)對移箱機(jī)構(gòu)的性能要求。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇守禮，姜富，李國興.插秧機(jī)的移箱機(jī)構(gòu)[J].農(nóng)牧與食品機(jī)械，1993(6)：6-8.

[2]楊文珍，楊友東，張毅，等.高速水稻插秧機(jī)四軸移箱機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)機(jī)化，2005（5）：68-69.

[3]徐飛軍，李革，趙勻.水稻插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)的發(fā)展研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（5）：1-4.

Design of Multi-node Data Acquisition System of Greenhouse Group Based on WIFI

Chen Mingjiu，Lin Xinming，Yu Long※
(College of Engineering of South China Agricultural University,guangzhou guangdong,510642,CHINA)

Greenhouse group is generally used in southern China industrialization planting patterns,the electrification,informationization,intellectualized demand is higher and higher.To achieve greenhouse group concentration of information data gathering,at the same time meet the needs of greenhouse group extended the large data transfer.This paper designed multi-point data acquisition system of greenhouse group based on WIFI.The relay transmission technology and the Ad-hoc network technology,build 3 level network effectively expand the WIFI network coverage.This design the WIFI network communication test results show that 3 level network communications relay transmission stability,relay digital process needs 16 s longest,applied in monitoring cycle longer,less affected.

relay transmission,greenhouse group,WIFI nodes

2013年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室智能檢測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳鳴鳩(1993-)，男，本科，主要從事單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)，通信電源設(shè)計(jì)。

※通信作者：俞龍(1975-)，男，博士，主要從事嵌入式技術(shù)及通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。