雙協(xié)議融合的WSNs溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

邵鵬飛，曹江濤（遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

雙協(xié)議融合的WSNs溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

邵鵬飛，曹江濤
（遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

針對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)無線采集、視頻監(jiān)控及遠(yuǎn)程管理的需求，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZigBee和WiFi融合通信技術(shù)組成智能網(wǎng)關(guān)，其中，ZigBee無線通信設(shè)備用于采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，WiFi通信設(shè)備用于無線視頻傳輸和遠(yuǎn)程通信。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)既避免了傳統(tǒng)溫室環(huán)境有線監(jiān)控安裝和維護(hù)的繁瑣，同時(shí)解決了ZigBee WSNs傳輸速率較低、無線傳輸距離較近的缺點(diǎn)，溫室環(huán)境監(jiān)控功能得到拓展。經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，正常情況下網(wǎng)絡(luò)丟包率小于1%，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的各項(xiàng)性能，具有良好的應(yīng)用性和可擴(kuò)展性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；WiFi；溫室環(huán)境

0　引言

傳統(tǒng)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于有線通信方式［1］。有線數(shù)據(jù)采集方式具有明顯的局限性，其受地理位置、物理因素和環(huán)境因素影響。存在設(shè)備安裝和維護(hù)工作量大、成本高的缺點(diǎn)［2］，不適于遠(yuǎn)距離傳輸，難以保證高效率、自動(dòng)化溫室監(jiān)控管理。而且傳感器節(jié)點(diǎn)不方便隨作物變更而靈活部署［3］，不利于對(duì)大面積溫室和溫室集群環(huán)境的集中遠(yuǎn)程監(jiān)控與溫室環(huán)境數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境智能化調(diào)控管理技術(shù)要求會(huì)越來越高［4］。智能溫室監(jiān)控目前處于發(fā)展階段，還有很大的發(fā)展空間［5］。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段溫室環(huán)境的無線監(jiān)控方式主要采用ZigBee技術(shù)［6］。ZigBee技術(shù)是一種低成本、短傳輸距離、低傳輸速率、低能耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［7］，但在大規(guī)模的溫室管理中，其存在無線傳輸數(shù)據(jù)速率低，傳輸距離短的缺點(diǎn)。WiFi的突出優(yōu)勢(shì)是傳輸帶寬、技術(shù)成熟度、開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及基礎(chǔ)接入產(chǎn)品、設(shè)施的完備，傳輸距離遠(yuǎn)和廣泛覆蓋［8］。ZigBee和WiFi各具特點(diǎn)，并且有互補(bǔ)性，二者協(xié)議融合運(yùn)用到溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將IEEE 802.15.4 ZigBee協(xié)議與IEEE 802.11 WiFi協(xié)議相融合，應(yīng)用到溫室環(huán)境參數(shù)的采集與控制，性能穩(wěn)定，彌補(bǔ)了基于ZigBee的WSNs傳輸速率較低、無線傳輸距離較近的缺點(diǎn)，提高了整個(gè)WSNs的性能，同時(shí)滿足溫室環(huán)境無線遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。首先由無線網(wǎng)關(guān)內(nèi)的CC2530模塊作為ZigBee協(xié)調(diào)器，創(chuàng)建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器總是保持監(jiān)聽狀態(tài)，系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自組織方式組網(wǎng)，可隨時(shí)建立無線通信鏈路［9］。在本設(shè)計(jì)中，溫度傳感器采用DS18B20，光照強(qiáng)度傳感器采用5506光敏電阻模塊，土壤濕度傳感器采用YL—69土壤濕度傳感器模塊。無線傳輸采用的CC2530模塊芯片內(nèi)集成了A/D轉(zhuǎn)換器。無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是數(shù)字量，5506光敏電阻模塊和土壤濕度傳感器模塊輸出的都是模擬量，通過終端CC2530模塊的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并發(fā)送給協(xié)調(diào)器模塊。每個(gè)路由模塊每隔一段時(shí)間都向協(xié)調(diào)器發(fā)送一組數(shù)據(jù)，該組數(shù)據(jù)分別是溫度，光照強(qiáng)度和土壤濕度。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收各個(gè)路由模塊的數(shù)據(jù)，并將其編碼，通過ZigBee—WiFi網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采集到的環(huán)境參數(shù)在WiFi網(wǎng)絡(luò)中傳輸至上位機(jī)，供管理人員實(shí)時(shí)查詢管理。管理人員可發(fā)送控制命令控制溫室終端設(shè)備的啟停，調(diào)節(jié)溫室達(dá)到利于作物生長(zhǎng)的最適宜環(huán)境。ZigBee—WiFi無線網(wǎng)關(guān)不但起到ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作用，而且起到無線WiFi節(jié)點(diǎn)作用。

圖1　系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖Fig 1　Operating diagram of system

2　ZigBee—WiFi雙協(xié)議融合通信

無線網(wǎng)關(guān)以CC2530和RT5350為核心芯片，通過固化在芯片中的代碼實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

網(wǎng)關(guān)中ZigBee模塊采用CC2530芯片，符合IEEE 802. 15.4標(biāo)準(zhǔn)，無線接收靈敏度高，工作穩(wěn)定可靠。ZigBee的外圍設(shè)備由4個(gè)按鍵和RS—232接口等組成。WiFi模塊的核心芯片是RT5350，其具有豐富的接口，便于開發(fā)擴(kuò)展。芯片上集成的802.11n射頻機(jī)制，為WiFi覆蓋提供了可能，集成化的芯片提高了數(shù)據(jù)的處理速度［10］。RT5350提供的串口可用于連接ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，完成與溫室ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息交互工作。

圖2　ZigBee—WiFi網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig 2　Gateway structure diagram of ZigBee—WiFi

本設(shè)計(jì)在無線網(wǎng)關(guān)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層實(shí)現(xiàn)ZigBee和WiFi協(xié)議的相互融合。終端節(jié)點(diǎn)按照IEEE 802.15.4協(xié)議把采集到的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)中ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，ZigBee協(xié)議單元物理層接收到數(shù)據(jù)后，通過逐層拆除數(shù)據(jù)包首部，達(dá)到網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層，解讀到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，逐層封裝上WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)包頭［11］，通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送至本地計(jì)算機(jī)或者遠(yuǎn)程終端；同樣，上位機(jī)發(fā)出的控制命令消息，根據(jù)設(shè)計(jì)中的自定義幀格式，報(bào)文中的有效數(shù)據(jù)被封裝成固定格式，通過UART串口傳送至ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指定終端節(jié)點(diǎn)模塊，控制溫室終端設(shè)備的執(zhí)行。圖3為網(wǎng)關(guān)工作流程圖。

圖3　ZigBee—WiFi網(wǎng)關(guān)工作流程圖Fig 3　Working flow chart of ZigBee—WiFi gateway

3　網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

3.1ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

無線協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)搭建無線網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)自組織協(xié)議，其他的路由模塊可以按照協(xié)議規(guī)定，自主加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，并且設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)的路由深度，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的最大化拓展。ZigBee協(xié)調(diào)器不僅要對(duì)Zig-Bee節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行接收、解析、轉(zhuǎn)發(fā)，還要與RT5350串口的信息交互，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中雙向傳輸數(shù)據(jù)。圖4所示ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程。

圖4　ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程Fig 4　Workflow of ZigBee coordinator

3.2WiFi模塊軟件設(shè)計(jì)

以RT5350為核心芯片的嵌入式設(shè)備，采用Linux的OpenWrt操作系統(tǒng)，運(yùn)用主機(jī)與嵌入式設(shè)備的交叉開發(fā)模式，完成WiFi驅(qū)動(dòng)移植，通過tftp服務(wù)燒寫 U—Boot，root_ uImage，實(shí)現(xiàn)WiFi無線功能。WiFi模塊實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位，復(fù)位后要對(duì)模塊的硬件和軟件進(jìn)行初始化［12］。初始化程序是檢查WiFi模塊的軟件和硬件是否工作在正常狀態(tài)下，以保證WiFi模塊的正常工作，WiFi模塊軟件編寫工作流程圖如圖5所示。

圖5　WiFi模塊流程圖Fig 5　Flow chart of WiFi module

4　系統(tǒng)搭建與測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試無線溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，搭建兩個(gè)溫室模型，對(duì)溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度、光照度和土壤濕度參數(shù)進(jìn)行采集和調(diào)控。運(yùn)用無線視頻采集技術(shù)，可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室情況，達(dá)到安全防范的目的。視頻采集基本流程為打開視頻設(shè)備文件、設(shè)置圖像捕捉格式、開始采集、數(shù)據(jù)處理、停止采集。圖6是視頻采集到的模擬溫室控制效果。

圖6　視頻采集效果Fig 6　Effect of video capture

設(shè)計(jì)采用基于TCP/IP協(xié)議的Socket套接字技術(shù)，開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控程序。管理人員在上位機(jī)界面上進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、查看、存儲(chǔ)，同時(shí)可以根據(jù)需要發(fā)送環(huán)境調(diào)節(jié)指令，對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。也可以選擇自動(dòng)管理模式，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境智能監(jiān)控。在OpenWrt系統(tǒng)中配置RT5350 的IP為：192.168.1.110，端口號(hào)設(shè)置為：8080，上位機(jī)IP必須和WiFi處于同一網(wǎng)段。

如圖7所示在上位機(jī)中輸入指定IP和端口號(hào)，連接網(wǎng)絡(luò)，即可接收數(shù)據(jù)。首先測(cè)試自動(dòng)工作模式下控制效果。上位機(jī)準(zhǔn)確顯示溫室中對(duì)應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)置環(huán)境最適值范圍，系統(tǒng)自動(dòng)控制終端設(shè)備的啟停，實(shí)現(xiàn)了溫室無人化管理。

圖7　自動(dòng)模式測(cè)試Fig 7　Automatic mode test

通過表1的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，可以得知系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制溫室終端設(shè)備工作，當(dāng)溫室環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定的最適值范圍，而系統(tǒng)沒有自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)控制命令時(shí)，上位機(jī)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，通知管理人員進(jìn)行手動(dòng)操控或查看設(shè)備是否出現(xiàn)故障。系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的性能是實(shí)時(shí)和穩(wěn)定可靠的，滿足溫室無人化、自動(dòng)化的智能管理要求。

表1　自動(dòng)模式控制溫室結(jié)果Tab 1　Results of automatic mode greenhouse control

圖8是手動(dòng)模式下測(cè)試情況。手動(dòng)模式的設(shè)計(jì)，方便管理人員按需要或經(jīng)驗(yàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制，并且手動(dòng)工作模式下支持定時(shí)灌溉操作，方便實(shí)用。

圖8　手動(dòng)模式測(cè)試Fig 8　Manual mode test

管理人員可以根據(jù)作物品種、季節(jié)等情況在測(cè)試界面上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，修改溫室環(huán)境參數(shù)最適值。可查看與保存歷史數(shù)據(jù)，便于管理與總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9　參數(shù)記錄與保存測(cè)試Fig 9　Parameter record and save test

本設(shè)計(jì)的溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)在1跳內(nèi)的傳輸時(shí)延是10 ms左右。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)丟包與信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)干擾以及節(jié)點(diǎn)能量有關(guān)，正常情況下丟包率小于1%，穩(wěn)定可靠。

5　結(jié)論

本設(shè)計(jì)將ZigBee與WiFi協(xié)議進(jìn)行融合通信，設(shè)計(jì)無線網(wǎng)關(guān)運(yùn)用到溫室環(huán)境的監(jiān)控中，解決了CC2530單獨(dú)組網(wǎng)通信的弊端，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，便于智能移動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。WiFi網(wǎng)絡(luò)的加入增大了傳輸速率，對(duì)溫室進(jìn)行遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控得以實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)信號(hào)穩(wěn)定，在模擬溫室測(cè)試中丟包率小于1%，性能可靠，能滿足溫室環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。

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Design of WSNs monitoring system for greenhouse environment based on fusion of dual-protocol*

SHAO Peng-fei，CAO Jiang-tao
（School of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

Aiming at requirements of greenhouse environment data wireless acquisition，video monitoring and remote management，a kind of intelligent monitoring system for greenhouse environment based on wireless sensor networks（WSNs）is designed.The intelligent gateway is composed of ZigBee and WiFi fusion communication technology，the ZigBee wireless communication device is used for data acquisition of greenhouse environment，and WiFi communication equipment is used for wireless video transmission and remote communication.The system not only avoids cumbersome installation and maintenance of cable monitoring，but also solves shortcomings of low transmission rate and short transmission distance of ZigBee WSNs，greenhouse environment monitoring function is expanded.Validation test results show that，the network packet loss rate is less than 1%under normal circumstances，the proposed system realizes performances of remote monitoring and management，and has good applicability and scalability.

wireless sensor networks（WSNs）；ZigBee；WiFi；greenhouse environment

TP393

A

1000—9787（2016）06—0078—04

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0078—04

2015—09—15

教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（教外司留［2012］940號(hào)）；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀科技人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（LR2015034）

邵鵬飛（1991-），男，安徽淮北人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用研究。