基于WSN的互聯(lián)型農(nóng)業(yè)大棚智能測(cè)控系統(tǒng)

何諧++井新宇

摘要：針對(duì)當(dāng)前農(nóng)業(yè)大棚的智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化需求，構(gòu)建了一種互聯(lián)型的農(nóng)業(yè)大棚智能測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)前端由WSN負(fù)責(zé)大棚環(huán)境參數(shù)的采集和控制，利用Zigbee技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)產(chǎn)生本地控制策略以及與管理平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行信息交互，重點(diǎn)闡述了傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)地應(yīng)用測(cè)得，該系統(tǒng)的WSN網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定，傳感各節(jié)點(diǎn)參數(shù)采集精確，滿足工程設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：WSN；Zigbee；網(wǎng)關(guān)；互聯(lián)型；CC2530

中圖分類號(hào)： TP393；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0364-04

收稿日期：2015-11-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61503161）；江蘇省信息融合軟件工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心開(kāi)放基金（編號(hào)：SR201302）；江蘇省高等職業(yè)學(xué)校提升專業(yè)服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力項(xiàng)目（編號(hào)：JYZY2012010413）。

作者簡(jiǎn)介：何諧（1982—），女，江蘇江陰人，碩士，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制。E-mail：hexie1126@163.com。

隨著農(nóng)業(yè)設(shè)施規(guī)模的逐漸擴(kuò)大、自動(dòng)化程度不斷提高，國(guó)內(nèi)外興起了對(duì)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境自動(dòng)控制和智能化方面的研究。目前，我國(guó)大部分智能大棚仍采用有線方式進(jìn)行測(cè)控，這種方式不利于擴(kuò)展，且大棚空間有限，難以布局。因此，可利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）對(duì)農(nóng)業(yè)大棚采用無(wú)線方式進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)與控制[1]。目前，已建的一些智能大棚僅關(guān)注本地大棚的系統(tǒng)構(gòu)建。2015年政府工作報(bào)告提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，要求更多的農(nóng)田信息進(jìn)行融合，為擺脫這種單體模式，必須設(shè)計(jì)一種互聯(lián)型農(nóng)業(yè)大棚智能測(cè)控系統(tǒng)。

農(nóng)業(yè)大棚植物生長(zhǎng)環(huán)境的主要影響參數(shù)為空氣溫度、空氣濕度、土壤水分、土壤溫度、光照等自然因素，可利用WSN中的傳感節(jié)點(diǎn)，對(duì)大棚環(huán)境中的上述環(huán)境變量進(jìn)行多區(qū)域采集，利用WSN中的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，對(duì)當(dāng)前環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有排風(fēng)扇、灌溉泵、補(bǔ)光燈、卷簾電機(jī)等。由于大棚環(huán)境復(fù)雜，這些自然因素和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間相互存在著非線性的影響關(guān)系，很難進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。因此，互聯(lián)型農(nóng)業(yè)大棚智能測(cè)控系統(tǒng)還需將各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集與對(duì)比、歷史數(shù)據(jù)分析、在線建立模型；另外，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制效果也必須進(jìn)行分析，建立專家決策庫(kù)，根據(jù)效果對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1系統(tǒng)工作原理與整體架構(gòu)

互聯(lián)型農(nóng)業(yè)大棚智能測(cè)控系統(tǒng)前端是WSN，其組建采用近幾年逐步新興的Zigbee傳輸協(xié)議技術(shù)，它基于“IEEE 802.15.4”無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研究開(kāi)發(fā)，是一種低功耗、低傳輸速率、高可靠性的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]。該技術(shù)組網(wǎng)靈活、成本低，非常適合農(nóng)業(yè)種植環(huán)境下的參數(shù)采集，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間采集，無(wú)需人工干預(yù)且采集點(diǎn)可任意分散部署。WSN主要由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組成，連接嵌入式網(wǎng)關(guān)和管理平臺(tái)服務(wù)器，接入互聯(lián)網(wǎng)，其系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

[FK（W24][TPHX11.tif；S+3mm]

終端節(jié)點(diǎn)分為采集和執(zhí)行2種功能，采集節(jié)點(diǎn)配置傳感器電路部署在各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，采集環(huán)境參數(shù)信息，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。協(xié)調(diào)器是整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，它負(fù)責(zé)傳感網(wǎng)絡(luò)的建立、連接、退出以及節(jié)點(diǎn)地址的分配，路由節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn)具有網(wǎng)絡(luò)接力、擴(kuò)大信號(hào)傳輸范圍的作用。協(xié)調(diào)器將節(jié)點(diǎn)信息傳輸至嵌入式網(wǎng)關(guān)。嵌入式網(wǎng)關(guān)是WSN與 Internet 相連的一個(gè)信息交換中心，而管理平臺(tái)服務(wù)器完成歷史數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化專家決策庫(kù)，同時(shí)以Web服務(wù)的方式為 Internet 上的其他用戶提供農(nóng)業(yè)大棚信息的瀏覽和監(jiān)控并連接遠(yuǎn)程信息網(wǎng)絡(luò)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1核心芯片CC2530

WSN各節(jié)點(diǎn)的核心處理器采用TI公司的新一代SoC芯片CC2530，CC2530內(nèi)部集成RF收發(fā)器和8051微處理器，具有2個(gè)串口和8路12位的ADC[3]，支持Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 Z-StackTM。

2.2終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一的底板，設(shè)計(jì)有電源、按鍵和顯示電路，傳感器電路或繼電器電路、無(wú)線通信電路這2個(gè)部分采用接插的方式安裝在底板上。采集節(jié)點(diǎn)接插傳感器電路，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)則接插繼電器電路。無(wú)線通信電路僅包含CC2530芯片，CC2530的RF_N和RF_P引腳和發(fā)射天線相連發(fā)射和接收Z(yǔ)igbee無(wú)線信號(hào)。

2.2.1空氣溫濕度傳感器

空氣溫濕度測(cè)量采用瑞士 Sensirio 公司的SHT11高精度傳感芯片，如圖2所示，該傳感器可同時(shí)測(cè)量溫度和濕度，采用二線制與CC2530通訊，直接輸出數(shù)字量。SHT11的SCK口和DATA口與CC2530的GPIO口相連，由CC2530控制定時(shí)獲取空氣溫濕度數(shù)據(jù)。

[FK（W12][TPHX22.tif]

2.2.2光照度傳感器

光照度的國(guó)際單位是勒克斯（lx），一般晴天正午的自然光照度在50 000 lx，而陰天的自然光照度只有500～1 000 lx，為適應(yīng)特定作物的生長(zhǎng)，可通過(guò)控制補(bǔ)光燈和卷簾保持農(nóng)業(yè)大棚光照度在合適的范圍內(nèi)變化以達(dá)到最佳的作物生長(zhǎng)效果。光照度的測(cè)量采用數(shù)字化的光照傳感器BH1750芯片構(gòu)成如圖3所示的光照傳感電路[4]?？蓽y(cè)量光照度范圍為0～65 535 lx，圖中數(shù)據(jù)接口為SCL和SDA，測(cè)得的光照度由CC2530控制器按I2C總線協(xié)議從BH1750芯片存儲(chǔ)器中取得。

2.2.3土壤水分傳感器

土壤水分的測(cè)量是指土壤的相對(duì)含[CM（25]水率，也就是單位土壤總?cè)莘e中水分所占百分?jǐn)?shù)[5]。FDR[CM）]

[TPHX33.tif]

型土壤水分傳感器的原理是利用電磁波傳播頻率測(cè)定土壤的介電常數(shù)，從而反映出土壤的水分含量，該傳感器在使用時(shí)只需將探針插入土壤，輸出電壓信號(hào)0～2 V，對(duì)應(yīng)土壤含水率在0～100%之間變化。

土壤水分傳感器電路的電壓信號(hào)與CC2530的AD輸入口相連，得到數(shù)字量AD_value_1，可利用公式（1）計(jì)算出土壤含水率P，式中3.3為基準(zhǔn)電壓值，52.1%為多次測(cè)量后的標(biāo)定參數(shù)。

[JZ（]P=[SX（]AD_value_165 535[SX）]×3.3×52.1%。[JZ）][JY]（1）

2.2.4土壤溫度傳感器

土壤溫度的測(cè)定所采用的傳感器探頭是傳統(tǒng)的鉑電阻，鉑電阻探頭的阻值變化與溫度有關(guān)。系統(tǒng)采用三線制的鉑電阻探頭，利用圖4所示的運(yùn)放電路來(lái)消除線阻值的影響。

[FK（W12][TPHX44.tif]

圖4中URW1、URW2、URW3為鉑電阻探頭的3個(gè)線阻電壓，由于探頭等長(zhǎng)，電壓值相等，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得：UO=10×UR，將UO進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換為AD_value_2，由公式（2）可計(jì)算出當(dāng)前鉑電阻阻值，單位Ω。

[JZ（]R=[SX（]AD_value_265 535[SX）]×3.3×100。[JZ）][JY]（2）

鉑電阻阻值R（Ω）與溫度T（℃）存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，查詢對(duì)照表可精確計(jì)算出當(dāng)前土壤溫度。

2.3協(xié)調(diào)器和嵌入式網(wǎng)關(guān)

協(xié)調(diào)器電路由無(wú)線通信、電源、按鍵以及SP3232芯片組成的串口電平轉(zhuǎn)換電路組成，通過(guò)DB9串口線與網(wǎng)關(guān)相連。嵌入式網(wǎng)關(guān)的核心是基于Cortex-A8內(nèi)核的CPU OMAP3530，集成2個(gè)串行接口，1個(gè)以太網(wǎng)接口，7寸觸摸屏。嵌入式網(wǎng)關(guān)的串行口連接協(xié)調(diào)器，網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)接口則用于TCP/IP的實(shí)時(shí)通信。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1Zigbee組網(wǎng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，WSN所有節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)都基于TI提供的協(xié)議棧Z-stack2.3.1-1.4.0，編程工具是IAR Embedded Workbench。組網(wǎng)采用樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，可容納更多的終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)CC2530芯片具有全球唯一的8字節(jié)MAC地址。

Z-Stack的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)由4層，從上到下依次為應(yīng)用層（APP）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、介質(zhì)接入控制層（MAC）和物理層（PHY）。處于最上層的應(yīng)用層為所有傳感器對(duì)象提供服務(wù)，也是對(duì)開(kāi)發(fā)者透明的一層，本系統(tǒng)應(yīng)用層規(guī)定各節(jié)點(diǎn)傳感器和執(zhí)行命令數(shù)據(jù)按表1所示的協(xié)議格式進(jìn)行封裝。

協(xié)議格式中，類型用以區(qū)分終端節(jié)點(diǎn)的具體功能，數(shù)值部分為具體的采集值，而MAC地址用以定位到具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器獲取的數(shù)據(jù)及命令按上述格式由串口輸出輸入。

3.2基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序

嵌入式網(wǎng)關(guān)的功能不僅能實(shí)時(shí)管理WSN中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，還具有本地決策和接收遠(yuǎn)程決策信息的雙重能力。嵌入式網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序是在Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用QT工具進(jìn)行編寫。網(wǎng)關(guān)工作流程如圖5所示。

上電初始化后，網(wǎng)關(guān)就開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)串口或TCP/IP的Socket事件，如果收到的是協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的信息，則采集數(shù)據(jù)、顯示并作相應(yīng)的處理，如果收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)則處理管理平臺(tái)服務(wù)器發(fā)送的指令，同時(shí)還判斷觸摸屏有無(wú)發(fā)送本地控制指令。

網(wǎng)關(guān)內(nèi)帶決策系統(tǒng)，當(dāng)判斷到采集的傳感器數(shù)據(jù)超出合理的范圍，立刻查詢本機(jī)決策系統(tǒng)，控制灌溉泵、電磁閥、排風(fēng)扇、卷簾電機(jī)、補(bǔ)光燈等相關(guān)執(zhí)行器工作，執(zhí)行器工作參數(shù)可以在網(wǎng)關(guān)界面上進(jìn)行設(shè)置，也可由管理平臺(tái)服務(wù)器遠(yuǎn)程設(shè)置。

3.3管理平臺(tái)服務(wù)器設(shè)計(jì)

管理平臺(tái)服務(wù)器功能結(jié)構(gòu)與網(wǎng)關(guān)基本相同，采用微軟VS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件編寫，一方面以C/S體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)，集成了數(shù)據(jù)采集、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)管理、歷史報(bào)表、曲線顯示、閾值報(bào)警、決策優(yōu)化管理等功能；另一方面采[CM（25]用B/S結(jié)構(gòu)，以Web服務(wù)的方式為Internet上的其他客戶提供網(wǎng)頁(yè)瀏覽和管理控制[6]。

4系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)在江蘇江陰陽(yáng)光生態(tài)園玻璃大棚實(shí)地測(cè)試，測(cè)試大棚面積為200 m2，按每5 m2分布1個(gè)土壤水分測(cè)試點(diǎn)和1個(gè)土壤溫度測(cè)試點(diǎn)，每10 m2分布1個(gè)空氣溫濕度測(cè)試點(diǎn)，10個(gè)光照度測(cè)試點(diǎn)分散掛載在大棚頂端，按區(qū)域分布4個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，安裝時(shí)各節(jié)點(diǎn)滿足天線與地面垂直[2]。Zigbee發(fā)射信道統(tǒng)一選擇信道11，PANID為0xa1b2。

隨機(jī)抽取不同距離的節(jié)點(diǎn)對(duì)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)丟包率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為1 h，設(shè)置節(jié)點(diǎn)為定時(shí)5 s發(fā)送，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在10 m以內(nèi)的較近傳輸距離下，傳輸丟包率為0，較遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)的丟包率基本在4%以內(nèi)?？刂苼G包率的主要措施是增加各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率以及增加節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集誤差的測(cè)試，每種傳感器隨機(jī)測(cè)試20次， 間隔1 h。傳感節(jié)點(diǎn)采集結(jié)果與高精度測(cè)試儀器同時(shí)同地測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如表3所示：采集結(jié)果的平均誤差都在允許的范圍之內(nèi)，系統(tǒng)所使用的傳感器節(jié)點(diǎn)的采集精度滿足設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種互聯(lián)型農(nóng)業(yè)大棚智能測(cè)控系統(tǒng)，能對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)溫濕度、土壤溫度、土壤含水率、光照度進(jìn)行采集與控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚作物生長(zhǎng)環(huán)境，在線決策與優(yōu)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行效果表明，數(shù)據(jù)采集精確度高，WSN工作傳輸性可靠。管理平臺(tái)服務(wù)器為遠(yuǎn)程監(jiān)控和用戶瀏覽提供了便捷。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，系統(tǒng)必須進(jìn)一步加強(qiáng)與農(nóng)田信息網(wǎng)絡(luò)的深度融合。

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