基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)研究

李旭花 元濤 劉韜

摘要? ? 影響果樹生長的因素有多種，其中至關(guān)重要的因素有光照、土壤濕度、溫度等，對果園環(huán)境信息進(jìn)行實時監(jiān)測是實現(xiàn)果園管理現(xiàn)代化的重要手段?；跓o線傳感網(wǎng)絡(luò)的果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)是由不同的傳感器收集不同的數(shù)據(jù)信息，并通過終端發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到終端的環(huán)境數(shù)據(jù)后再通過串口連接至電腦;經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理后，通過上位機(jī)控制軟件實時顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，并且通過顯示控制軟件遠(yuǎn)程控制繼電器。應(yīng)用基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)不僅能夠保證果園環(huán)境數(shù)據(jù)的實時性和有效性，也能幫助果農(nóng)及時對環(huán)境變化做出正確的應(yīng)對決策。

關(guān)鍵詞? ? 果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng);ZigBee;傳感器;收集終端;數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號? ? TP274? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）14-0254-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Abstract? ? There are many factors that affect the growth of fruit trees.Among them are vital factors such as light，soil moisture and temperature，etc.Real-time monitoring of orchard environment information is an important way to realize orchard management modernization.The orchard environmental information monitoring system based on wireless sensor network collects different data information from different sensors and sends it to the coordinator through the terminal.The coordinator receives the environmental data from the terminal and connects it to the computer through serial port.After processing by the data processing module，the environment data is displayed in real time by the upper computer control software，and the relay is controlled remotely by the display control software.In this way，it can not only ensure the real-time and effective of orchard environment data，but also help farmers to make the right decisions on the changes of orchard environment in time.

Key words? ? orchard environment information monitoring system;ZigBee;sensor;collection terminal;data transmission

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，具有較好的遠(yuǎn)程監(jiān)測性、擴(kuò)展性和移植性的特點，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線傳感監(jiān)測功能，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的電子設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和典型的有間歇性數(shù)據(jù)、周期性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)的傳輸[1]。

我國是農(nóng)業(yè)大國，同時在果樹的種植方面具有地域分布遼闊、果園環(huán)境因子不確定等特點。傳統(tǒng)的果樹種植產(chǎn)業(yè)，一般情況下是依靠果農(nóng)多年以來的經(jīng)驗，定性地估計各種環(huán)境因子，無法在果樹種植過程中實時、精準(zhǔn)地監(jiān)測和收集果園環(huán)境信息，很難進(jìn)行統(tǒng)一的集中管理，達(dá)到最優(yōu)化生產(chǎn)的目的。引入ZigBee技術(shù)并運用到果園環(huán)境信息的監(jiān)測和管理中，描述影響果樹生長環(huán)境的時間和空間方面的因素，提高果園的信息化和智慧化程度，實現(xiàn)果園環(huán)境信息的及時準(zhǔn)確收集，將為“精細(xì)農(nóng)業(yè)”打下堅實的基礎(chǔ)[2]，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在信息化應(yīng)用上的一個重大突破[3]。

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)以CC2530芯片為核心，設(shè)計收集終端與無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)對空氣溫度、土壤濕度、煙霧濃度、紅外和光照強(qiáng)度等多種環(huán)境信息的實時收集、傳輸和上位機(jī)信息處理控制的自動化，具有功耗低、自動化程度高、性能穩(wěn)定、及時、高效、準(zhǔn)確、運行成本低等特點[4-5]。研制基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)果園環(huán)境信息的自動化監(jiān)測，對盡快推進(jìn)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，走農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路有著重要的意義[6]。

1? ? 總體結(jié)構(gòu)分析

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸、上位機(jī)信息處理控制3個模塊。通過ZigBee技術(shù)結(jié)合CC2530芯片對果園空氣溫度、土壤濕度、煙霧濃度、紅外和光照強(qiáng)度等各種果樹生長環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，全面收集果園環(huán)境信息和傳輸信息，并通過上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程操控繼電器，開發(fā)相應(yīng)的顯示控制系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)收集模塊主要由傳感器對果園環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、煙霧數(shù)據(jù)、紅外數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)等進(jìn)行實時收集;數(shù)據(jù)傳輸模塊是由ZigBee協(xié)調(diào)器接收從終端收集到的5個傳感器的數(shù)據(jù)，再通過串口傳輸至電腦，由上位機(jī)軟件顯示及控制，并通過電腦發(fā)送數(shù)據(jù)到移動端;上位機(jī)信息處理控制模塊是遠(yuǎn)程控制遠(yuǎn)端繼電器，通過上位機(jī)發(fā)送遠(yuǎn)程控制繼電器的命令，由ZigBee協(xié)調(diào)器通過協(xié)議發(fā)送給終端，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2? ? 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1? ? 數(shù)據(jù)收集終端硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集終端通過ZigBee協(xié)調(diào)器與外部傳感器相連，完成數(shù)字量和模擬量的輸入與輸出;有溫度、濕度、煙霧、紅外、光照等傳感器，將這些傳感器分別安裝在氣象架合適的位置，從而準(zhǔn)確、科學(xué)地收集果園中不同環(huán)境因子參數(shù)。其中，溫度傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)DS18B20傳感器，體積小、耗電低、價格低廉;土壤濕度傳感器采用由不銹鋼探針構(gòu)成的FC-28土壤濕度傳感器，能夠長期埋在土壤和壩內(nèi)使用，可與數(shù)據(jù)收集器結(jié)合使用;煙霧傳感器采用導(dǎo)電率較低的二氧化錫半導(dǎo)體MQ-2煙霧傳感器;紅外傳感器采用由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成、對溫度敏感的HC-SR501紅外傳感器;光照傳感器采用硫化隔或硒化隔等半導(dǎo)體制成的光敏電阻，對光線變化十分敏感;繼電器采用有2個線圈引腳、1個常開端、1個常閉端、一個公共端的SRD-05VDC-SL-C繼電器。

2.2? ? 數(shù)據(jù)收集終端軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)收集終端的軟件部分對傳感器收集的數(shù)據(jù)通過MSP430的A/D通道進(jìn)行接收，經(jīng)過一系列處理之后，通信端口進(jìn)行打包，再通過CC 2530芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。CC 2530芯片的內(nèi)部存儲空間相對較大，有40個引腳，采用QFN 40進(jìn)行封裝，同時兼容ZigBee應(yīng)用和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，并且?guī)в性鰪?qiáng)型8051處理器內(nèi)核。該芯片工作在2.4 GHzISM頻段，在不同的供電方式下都可以保留數(shù)據(jù)，并且還擁有5個強(qiáng)大的通道DMA、1個8位定時器、1個16位定時器和1個32 kHz“睡眠”情況下的保護(hù)功能。數(shù)據(jù)收集終端CC2530芯片的引腳圖如圖2所示。

2.3? ? 數(shù)據(jù)傳輸模塊

2.3.1? ? 節(jié)點架構(gòu)設(shè)計。果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由1個協(xié)調(diào)器節(jié)點和1個終端節(jié)點組成。環(huán)境數(shù)據(jù)信息由不同的傳感器進(jìn)行收集，通過數(shù)據(jù)收集標(biāo)準(zhǔn)化接口發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，經(jīng)存儲器和控制器處理后，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口將數(shù)據(jù)上傳至電腦，最后由上位機(jī)顯示控制軟件處理并顯示出果園環(huán)境信息。果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點架構(gòu)圖如圖3所示。

整個系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、傳輸和處理等，核心板主要負(fù)責(zé)無線收發(fā)，底板主要引出引腳、支持傳感器的接入以及芯片程序的燒寫，并且為整個模塊供電。

2.3.2? ? 具體傳輸過程。讀取串口數(shù)據(jù)前，先進(jìn)行串口的初始化工作，打開串口并設(shè)置波特率。數(shù)據(jù)發(fā)送時主要使用socket函數(shù)。數(shù)據(jù)顯示時先判斷協(xié)調(diào)器發(fā)送多少字節(jié)，將其放入緩沖變量中記錄下來，避免幾次操作之間相隔時間過長而導(dǎo)致緩存不一致，再將數(shù)據(jù)放入數(shù)組中。由于要訪問UI資源，還需要使用invoke方式同步UI，并按ASCII規(guī)則轉(zhuǎn)換成字符串，最后將轉(zhuǎn)換好的字符放入文本框中。

數(shù)據(jù)存儲時，用戶單擊“文件”按鈕會自動跳轉(zhuǎn)到先前設(shè)置好的存儲位置，獲取數(shù)據(jù)和當(dāng)前時間一起存儲。繼電器按鈕響應(yīng)時，先聲明發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)組，寫好數(shù)組要發(fā)送的信息，再調(diào)用發(fā)送。服務(wù)器建立時，先創(chuàng)建一個終端節(jié)點，再創(chuàng)建并啟動一個監(jiān)聽。

果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)在軟件方面使用VS 2012進(jìn)行編寫，有數(shù)據(jù)實時顯示和遠(yuǎn)程操控終端的繼電器2個功能，主要依靠C#的庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，通過串口將協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端進(jìn)行顯示。

3? ? 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1? ? 軟件界面設(shè)計

串口通訊是一種很簡單又很實用的通訊方式。本系統(tǒng)使用的上位機(jī)使用的就是串口通訊，可通過上位機(jī)和單片機(jī)直接發(fā)送數(shù)據(jù)，能顯示協(xié)調(diào)器發(fā)送的信息，使果農(nóng)實時了解果園的環(huán)境信息，并且可以遠(yuǎn)程控制繼電器。上位機(jī)軟件界面如圖4所示。

3.2? ? 軟件使用分析

軟件使用時窗口生成器會自動生成一個可實現(xiàn)串口操作的對話框，并自動選擇一個正在使用的串口，點擊后即可打開串口，此時數(shù)據(jù)框中就會顯示中斷發(fā)送的數(shù)據(jù)。最下方有3個操作按鈕，當(dāng)單擊開啟或關(guān)閉時，即可打開或關(guān)閉遠(yuǎn)端繼電器。

3.3? ? 軟件APP設(shè)計

電腦軟件成功創(chuàng)建服務(wù)器后，建立并啟動一個監(jiān)聽程序，把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊中做后續(xù)處理。建立監(jiān)聽程序時，先將IP讀出，再創(chuàng)建套接字設(shè)置狀態(tài)，并啟動線程。數(shù)據(jù)處理程序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是字符型的，所以選擇用正則表達(dá)式將其分開。

4? ? 測試分析

利用塔里木大學(xué)果園的環(huán)境數(shù)據(jù)對本系統(tǒng)進(jìn)行通訊距離、無線組網(wǎng)、軟件穩(wěn)定性和APP軟件的測試。

4.1? ? 通訊距離測試

本系統(tǒng)采用packet sniffer軟件來檢測丟包率，并將CC 2530的發(fā)射功率設(shè)置為4.5 dm，經(jīng)過多次測試后，獲得了最穩(wěn)定、最大的通訊距離，并繪制了丟包率與傳輸距離關(guān)系的曲線圖。具體的曲線圖如圖5所示。

通過測試可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳輸距離>65 m時，丟包率明顯上升，所以最好將傳輸距離控制在60 m以內(nèi)。

4.2? ? 無線組網(wǎng)及軟件穩(wěn)定性測試

當(dāng)協(xié)調(diào)器接通電源時，會自動建立網(wǎng)絡(luò)，led1會不斷閃爍，表示正在建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立完成時，led1會長亮并等待終端的加入。當(dāng)終端接通電源時，led1也會不斷閃爍，表示終端正在搜索網(wǎng)絡(luò);當(dāng)led1常亮?xí)r，表示終端加入了協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。

4.3? ? APP軟件測試

連接好硬件設(shè)備，將協(xié)調(diào)器連接至電腦，開啟設(shè)備。打開串口后，可以看到數(shù)據(jù)在框內(nèi)顯示。打開服務(wù)器后，可以看見提示“服務(wù)器已開啟”。打開安卓模擬器后，輸入服務(wù)器提示的IP，單擊連接可看見軟件發(fā)出一個提示窗口“有客戶端連接”，代表APP連接服務(wù)器成功，此時就可以實時監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)。測試界面如圖6所示。

5? ? 結(jié)語

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對多種環(huán)境信息數(shù)據(jù)的實時收集、傳輸和上位機(jī)信息處理控制的自動化，具有及時、高效、準(zhǔn)確、運行成本低等特點。該系統(tǒng)可用于分析果樹的長勢以及環(huán)境變化對果樹的影響，從而進(jìn)行綜合環(huán)境監(jiān)控和調(diào)節(jié)，為研究果樹生長及時提供精準(zhǔn)的環(huán)境信息;果農(nóng)可以實時掌握果園的各項環(huán)境指標(biāo)，采取正確的措施，如合理安排灌溉時間、計劃灌溉次數(shù)，節(jié)省農(nóng)業(yè)資源，極大地降低人力和物力投入，減輕勞動強(qiáng)度，增加經(jīng)濟(jì)收入，為區(qū)域性管理提供科學(xué)的決策依據(jù)和可靠的信息，達(dá)到發(fā)展農(nóng)業(yè)自動化、信息結(jié)構(gòu)化的目的，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

6? ? 參考文獻(xiàn)

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