基于物聯(lián)網(wǎng)的中藥材生長(zhǎng)環(huán)境信息采集系統(tǒng)研究①

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(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院a.信息工程系;b.智能工程系,安徽 亳州 236800)

0 引 言

良好的生長(zhǎng)環(huán)境是保證中藥材質(zhì)量的必要條件，目前對(duì)中藥材的生長(zhǎng)環(huán)境信息的采集一是靠人為經(jīng)驗(yàn)判斷，存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、數(shù)據(jù)不精確等缺點(diǎn)；二是采用有線的采集設(shè)施，存在布線安裝困難、擴(kuò)展性差、維護(hù)成本高等問題[1]，不利于廣泛推廣。作為新一代信息技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)為中藥材生長(zhǎng)環(huán)境信息采集的獲取提供了一個(gè)嶄新的思路。很多學(xué)者已開展物聯(lián)網(wǎng)在中藥材領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究工作，文獻(xiàn)[2]研究了基于北斗和物聯(lián)網(wǎng)的中藥材種植監(jiān)測(cè)平臺(tái)；文獻(xiàn)[3]利用RFID與WSN技術(shù)對(duì)中藥材溯源開展研究；文獻(xiàn)[4]利用物聯(lián)網(wǎng)防碰撞技術(shù)對(duì)中藥溯源進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[5]運(yùn)用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)道地中藥材質(zhì)量監(jiān)控和溯源；文獻(xiàn)[6]利用物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建了甘肅平?jīng)鲋兴幉男畔⒒ㄔO(shè)模型；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的貴州苗藥交易云平臺(tái)。上述研究主要體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在中藥材溯源和信息化方面的研究, 有關(guān)中藥材生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)采集方面的研究還比較少。為了實(shí)時(shí)掌握中藥材生長(zhǎng)環(huán)境信息，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的中藥材生長(zhǎng)環(huán)境信息采集系統(tǒng),其不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)藥田空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤的PH值等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，還可以提高中藥材種植的精確控制和科學(xué)管理水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理三個(gè)模塊組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)接空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤酸堿度等傳感器，負(fù)責(zé)對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境信息的采集及傳輸；路由節(jié)點(diǎn)除了本身采集和發(fā)送藥田信息外,還要存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)一些終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行；協(xié)調(diào)器作一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn), 接收所有傳感器節(jié)點(diǎn)的采集信息，并將全部的信息都聚集到一起, 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理后，通過RS232總線與 PC機(jī)相連，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至 PC機(jī)，PC 機(jī)接收數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的存儲(chǔ)與處理。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的需求和中藥材生長(zhǎng)環(huán)境信息采集的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，ZigBee節(jié)點(diǎn)包括終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路的設(shè)計(jì)。傳感路由節(jié)點(diǎn)采用CC2530作為主控芯片。CC2530是TI公司的公司針對(duì)2.4-GHzISM頻帶推出的第二代支持IEE802.15.4和ZigBee 應(yīng)用協(xié)議的一款片上系統(tǒng)(SOC)集成芯片，其內(nèi)部集成了高性能的 8051 內(nèi)核。路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的電路由傳感器終端節(jié)點(diǎn)電路在功能上進(jìn)行弱化得到。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、能量供應(yīng)模塊4個(gè)部分組成[8]，如圖 2 所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)中藥材生長(zhǎng)環(huán)境信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理傳感單元采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。能量供應(yīng)模塊負(fù)責(zé)為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需要的能量。

2.2 傳感器的選取

傳感器是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重要來源，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性直接關(guān)系到終端數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[9]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮精度、靈敏度、擴(kuò)展性、可靠性、響應(yīng)速度等因素，系統(tǒng)使用的傳感器相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器相關(guān)參數(shù)

2.3 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立、啟動(dòng)及維護(hù)。其結(jié)構(gòu)與終端節(jié)點(diǎn)基本相同，不同之處是刪除傳感器模塊，增加了串口模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器的能量供應(yīng)模塊有USB直接供電。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 路由節(jié)點(diǎn)算法設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)常用的路由算法Cluster-Tree算法、AODVjr算法和Cluster-Tree&AODVjr算法。與其它算法相比，Cluster-Tree路由算法查找目的節(jié)點(diǎn)的速度快，且在縮短時(shí)延和數(shù)據(jù)聚合方面有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時(shí)，采用分布式尋址方式分配網(wǎng)絡(luò)地址[10]。對(duì)請(qǐng)求加入Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地址分配時(shí)涉及三個(gè)參數(shù)：最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)Cm，每個(gè)父節(jié)點(diǎn)最多擁有的子節(jié)點(diǎn)數(shù)量；最大路由器數(shù)Rm，子節(jié)點(diǎn)最多可作為路由器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；網(wǎng)絡(luò)最大深度Lm。在Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)中，父節(jié)點(diǎn)根據(jù)子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)終深度d以及子節(jié)點(diǎn)接入父節(jié)點(diǎn)的順序來進(jìn)行地址分配，分配的規(guī)則[11]如下:

(1)當(dāng)新加入的節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行路由時(shí)，則父節(jié)點(diǎn)為其分配如下的地址：

An=Ap+Cskip(d).(n-1)+1,n∈[1,Rm]

(1)

(2)當(dāng)新加入的節(jié)點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)路由時(shí)，則父節(jié)點(diǎn)為其分配如下的地址：

An=Ap+Cskip(d).Rm+n,n∈[1,Cm-Rm]

(2)

圖4 協(xié)調(diào)器端程序流程圖

其中：

Cskip(d)=

(3)

Ap為父節(jié)點(diǎn)的地址，An為子節(jié)點(diǎn)n的地址。

Cluster-tree路由算法依靠父子關(guān)系進(jìn)行。假設(shè)一個(gè)路由器向網(wǎng)絡(luò)地址為D的目標(biāo)地址發(fā)送數(shù)據(jù)包，路由器將首先通過式 (4) 判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是不是該節(jié)點(diǎn)的子孫節(jié)點(diǎn)。

A

(4)

其中：網(wǎng)絡(luò)深度為d，路由器的網(wǎng)絡(luò)地址為A，

若是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是自己的子孫節(jié)點(diǎn)，則通過式(5)計(jì)算下一跳的地址 N，否則，數(shù)據(jù)包順著樹結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)發(fā)至父節(jié)點(diǎn)。

(5)

3.2 終端和協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

終端和協(xié)調(diào)器開發(fā)環(huán)境為IAR MCS-517.51A，在基于半開源的 TI Z-Stack 2.3.1協(xié)議棧進(jìn)行程序開發(fā)，采用C語(yǔ)言。終端節(jié)點(diǎn)程序流程設(shè)計(jì)如圖4所示。路由器除了采集數(shù)據(jù)以外還負(fù)責(zé)建立數(shù)據(jù)路由，路由器和終端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序代碼一樣，其應(yīng)用程序?qū)⒉辉龠M(jìn)行設(shè)計(jì)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)建立，維持和治理網(wǎng)絡(luò)，從路由節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)間的通信。協(xié)調(diào)器端程序流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖6 卡爾曼濾波算法流程圖

3.3 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)

在進(jìn)行信息采集數(shù)據(jù)傳送的過程，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力有限，會(huì)影響信息采集的及時(shí)性，降低信息的收集效率。為了減少數(shù)據(jù)的冗余度,提高數(shù)據(jù)采集的效率和數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確度，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。針對(duì)中藥材生長(zhǎng)環(huán)境信息的特點(diǎn)，采用卡爾曼濾波算法[12]對(duì)多個(gè)傳感器采集到的相同類別的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，提高數(shù)據(jù)采集效率和準(zhǔn)確度，算法流程圖如圖6所示。

3.4 數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序軟件主要是用來接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)按采集時(shí)間、數(shù)據(jù)類型分類好后儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。上位機(jī)程序采用 Java語(yǔ)言編程語(yǔ)言，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用SQL Server2014，完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、查詢、分類和統(tǒng)計(jì)等功能，并利用較為人性化的界面將數(shù)據(jù)反饋給管理人員。

4 結(jié) 語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)中藥材生長(zhǎng)環(huán)境的在線采集，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的中藥材生長(zhǎng)環(huán)境信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥田的空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤酸堿度環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，提高農(nóng)業(yè)管理的網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平，降低農(nóng)田管理工作量，能夠?yàn)橹兴幉姆N植工作者提供清晰的中藥材生長(zhǎng)環(huán)境信息，為中藥材的種植管理決策和知識(shí)管理提供有效支持，進(jìn)而提高中藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)提供了思路和解決方案。后繼還將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探索相關(guān)工作，如根據(jù)實(shí)際需求擴(kuò)展二氧化碳濃度、土壤電導(dǎo)率傳感器其他傳感器，及時(shí)掌握藥田環(huán)境多元信息；優(yōu)化Zig Bee路由協(xié)議，以更好地滿足藥田信息采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)。