基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食用菌生長監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

袁劍鋒 鄭淏

摘 ?要： 首先，本文在分析對比其他監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食用菌生長監(jiān)控系統(tǒng)。其次，介紹了此監(jiān)控系統(tǒng)工作的基本設(shè)計(jì)原理，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)器模塊設(shè)計(jì)、ZigBee協(xié)議體系架構(gòu)等，并對網(wǎng)絡(luò)模塊的程序設(shè)計(jì)從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)和終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)等兩方面進(jìn)行分析。最后，從Zigbee組網(wǎng)通信和圖像傳輸兩方面進(jìn)行了測試驗(yàn)證。通過試驗(yàn)，此監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)成功，且速度快捷，數(shù)據(jù)圖像也能穩(wěn)定實(shí)時(shí)傳輸，與預(yù)期目標(biāo)一致。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);Zigbee技術(shù);監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號： TP274 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.009

本文著錄格式：袁劍鋒，鄭淏. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食用菌生長監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 軟件，2020，41（08）：31-33

【Abstract】： Firstly， this paper proposes an overall design scheme of an edible fungus growth monitoring system based on the Internet of Things technology and the analysis and comparison of other monitoring systems. Secondly， this paper introduces the basic design principle of this monitoring system. The wireless network topology、the coordinator module and ZigBee protocol architecture are mainly designed on the basis of ZigBee technology，and the programming of the network module is analyzed from two aspects： the coordinator node programming and the end node programming. Finally， it is tested and verified from ZigBee network communication and image transmission. Through the test and verification， the edible fungus growth monitoring system based on the Internet of Things technology successfully networked and data image can be transmitted stably in real time， consistent with the expected goal.

【Key words】： Internet of Things technology; Zigbee technology; Monitoring system

0 ?引言

近些年來，食用菌產(chǎn)業(yè)在我們國家取得了較快發(fā)展，甚至在全球來講，已成為食用菌生產(chǎn)消費(fèi)及出口大國，但根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，我國大多數(shù)食用菌生產(chǎn)基地還是依靠大量人工栽培來實(shí)現(xiàn)的。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟的今天，如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對傳統(tǒng)食用菌生產(chǎn)環(huán)境和過程進(jìn)行全程監(jiān)控、人為調(diào)節(jié)，進(jìn)行綠色栽培，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效，成為大家爭相研究的熱點(diǎn)[1-2]。國內(nèi)張宇、李建軍等均曾針對食用菌生產(chǎn)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究[3]，都具有一定的借鑒意義。

1 ?本監(jiān)控系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施栽培大棚食用菌智能生長監(jiān)控系統(tǒng)，考慮到了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工作環(huán)境復(fù)雜，設(shè)施大棚封閉環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)信號的影響、采集節(jié)點(diǎn)電源供給等因素，綜合前人研究成果，本系統(tǒng)決定在各采集節(jié)點(diǎn)與總采集節(jié)點(diǎn)之間采用Zigbee無線傳輸模塊進(jìn)行通信。首先，在感應(yīng)層，通過溫濕度、二氧化碳、煙霧、光照等工業(yè)級檢測傳感器及外圍網(wǎng)絡(luò)，獲取食用菌設(shè)施大棚內(nèi)的相關(guān)信息[4]。第二，在網(wǎng)絡(luò)層，利用基于IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)的zigbee技術(shù)將設(shè)施大棚內(nèi)采集到的各類信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)秸麄€(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)調(diào)器，同時(shí)，為了方便各個(gè)串行設(shè)別的通信協(xié)議的靈活轉(zhuǎn)換，此系統(tǒng)使用SAMSUNG公司基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位處理器S3C4510B搭建了嵌入式可組態(tài)串口網(wǎng)關(guān)[5]，采集大量的采用了不同串行通信協(xié)議的設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)繼續(xù)向上轉(zhuǎn)發(fā)到主控節(jié)點(diǎn)。最后，在應(yīng)用層，接受來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)在web端和Android端顯示并與應(yīng)用，從而提高食用菌的產(chǎn)能和品質(zhì)。系統(tǒng)具有功耗低、實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[6]。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ZigBee技術(shù)具體引用

2.1 ?Zigbee技術(shù)介紹

Zigbee技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中用途非常廣泛的一種無線傳輸技術(shù)，其具有耗能低、成本低、組網(wǎng)簡單、安全性強(qiáng)，功能穩(wěn)定的特點(diǎn)。從某種程度上來講，ZigBee技術(shù)促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。因而適用于在食用菌設(shè)施大棚內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸工作。 Zigbee技術(shù)采用IEEE802.15.4通信協(xié)議，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上則有多種方式[7]。本系統(tǒng)搭建了嵌入式可組態(tài)串口網(wǎng)關(guān)，在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛，有利于研究人員進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

2.2 ?ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信過程中通常具有端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)等三種不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它們分別負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)報(bào)信息的采集、創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)和支撐整個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路。其中協(xié)調(diào)器是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)創(chuàng)建并管理一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，且具有唯一性。路由器節(jié)點(diǎn)即我們通常所講的中繼器，支撐整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的鏈路結(jié)構(gòu)。終端節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)邊緣，即網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者。本系統(tǒng)為保證數(shù)據(jù)通信順暢，在整體設(shè)計(jì)中采用了星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來實(shí)際決定各設(shè)施大棚內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)[8]。

2.3 ?ZigBee協(xié)調(diào)器模塊設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊具有三大作用，首先建立星型結(jié)構(gòu)方式的食用菌設(shè)施大棚網(wǎng)絡(luò);其實(shí)是通過S3C4510B串口電路將終端傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的信息以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送到網(wǎng)關(guān);三是利用射頻天線模塊來完成與終端傳感器節(jié)點(diǎn)模塊之間的數(shù)據(jù)通信。結(jié)構(gòu)模塊圖如圖2所示。

2.4 ?ZigBee協(xié)議體系架構(gòu)

該系統(tǒng)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)對協(xié)議模塊進(jìn)行分層管理，感應(yīng)層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間通過接口相互聯(lián)系。程序設(shè)計(jì)者只需在應(yīng)用層完成相應(yīng)的程序開發(fā)及操作，不需關(guān)心感應(yīng)層和網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)服務(wù)與工作。本系統(tǒng)采用Z-Stack協(xié)議棧對任務(wù)進(jìn)行輪詢式訪問，其任務(wù)調(diào)度和資源分配由操作系統(tǒng)抽象層OSAL管理[9]。Z-Stack協(xié)議棧首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后啟動(dòng)OSAL操作系統(tǒng)。在任務(wù)輪詢過程中，系統(tǒng)不斷查詢是否有事件發(fā)生，如是，則運(yùn)行相應(yīng)的event handlers（事件處理函數(shù)），如否，則啟動(dòng)任務(wù)輪詢，詢問下一個(gè)任務(wù)。

2.5 ?ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊軟件設(shè)計(jì)

2.5.1 ?協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器組網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，負(fù)責(zé)創(chuàng)建并管理一個(gè)唯一的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器設(shè)備通電后，第一時(shí)間判斷其是否可以作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，若是，就開始信道掃描，并選擇最合適的信道通過request語句建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建成功后，設(shè)置ID和協(xié)調(diào)器地址，等待子節(jié)點(diǎn)的加入[10]。否則組網(wǎng)失敗。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖如圖3所示。

協(xié)調(diào)器組網(wǎng)部分程序如下：

ZDApp_Init（ uint16 task_id ）

{

ZDAppTaskID = task_id;

ZDAppNwkAddr.addrMode = Addr32Bit;

ZDAppNwkAddr.addr.shortAddr = INVALID_ NODE_Addr;

NLME_GetExtAddr（）;

ZDAppCheckForHoldKey（）;

ZDO_Init（）;

IfRegister（ （endPointDesc_t *）&ZDApp_epDesc ）;

if defined（ ZDO_USERDESC_RESPONSE ）

ZDApp_InitUserDesc（）;

endif

if （ devState ！= DEV_HOLD ）

{

ZDOInitDevice（ 0 ）;

}

else

{

HalLedBlink （ HAL_LED_4， 0， 40， 600 ）;

}

ZDApp_RegisterCBs（）;

} [11]

協(xié)調(diào)器在設(shè)施食用菌監(jiān)控生長系統(tǒng)中不僅負(fù)責(zé)創(chuàng)建和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，還要維系網(wǎng)關(guān)設(shè)備和感知節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系。協(xié)調(diào)器與各終端感知節(jié)點(diǎn)之間無線通信，而與食用菌設(shè)施大棚內(nèi)各網(wǎng)關(guān)則串口相連。組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器要保持工作狀態(tài)，時(shí)刻進(jìn)行監(jiān)控，并開啟接收模式。如接收到網(wǎng)關(guān)信息，就請求數(shù)據(jù)，并分配地址給新加入的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，協(xié)調(diào)器給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令[12]。

本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信負(fù)責(zé)完成兩項(xiàng)工作：一是負(fù)責(zé)食用菌設(shè)施大棚內(nèi)環(huán)境信息的采集，二是負(fù)責(zé)向各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令。

2.5.2 ?終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層與服務(wù)器建立通信并發(fā)送控制指令，服務(wù)器收到指令后傳遞給到主控節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)處理器通過協(xié)調(diào)器，利用Zigbee無線模塊給控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，控制節(jié)點(diǎn)處理器啟動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)對各設(shè)備的控制。繼而協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送入網(wǎng)請求，網(wǎng)絡(luò)層判斷是否有空閑地址，若有空閑地址，通過協(xié)調(diào)器發(fā)送鏈接響應(yīng)給該終端節(jié)點(diǎn)，同時(shí)為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，終端節(jié)點(diǎn)收到入網(wǎng)成功的信號以后，則入網(wǎng)成功。若地址己滿，則入網(wǎng)失敗。部分程序如下：

SAPI_ProcessZDOMsgs（zdoincomingMsg_t *inMsg）

{

switch（inMsg->clusterID）

{

case NET addr rsp：

{

ZDO_NwkIEEEAddrResp_t *pNETAddrRsp= ZDO_ ParseAddrRsp（inMsg）;

SAPI_FindDeviceConfirm（ZB_IEEE_ SEARCH， ?（uint16*）&pNETAddrRsp->NETAddr，pNETAddrRsp->extAddr）;

}

break;

在設(shè)施大棚食用菌生長控制系統(tǒng)中，各類終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)獲得各種環(huán)境參數(shù)，并將這些環(huán)境參數(shù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)之后判斷發(fā)送相應(yīng)的控制指令改善生產(chǎn)環(huán)境，保證食用菌在最佳的環(huán)境生 ?長[13]。

3 ?系統(tǒng)功能測試與結(jié)論

本系統(tǒng)在徐州市豐縣師寨鎮(zhèn)食用菌黑木耳栽培中心進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，2019年全鎮(zhèn)木耳產(chǎn)能突破4億袋，產(chǎn)值達(dá)5億元，帶動(dòng)全鎮(zhèn)農(nóng)民人均純收入4000元以上。本系統(tǒng)對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建及調(diào)試試驗(yàn)，溫濕度傳感器測試實(shí)驗(yàn)順利成功，完成終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試。進(jìn)而，對終端傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的圖像是否可以正常上傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行測試，結(jié)果證明，數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析快速可靠。并且系統(tǒng)功耗低，穩(wěn)定性好，可以 滿足設(shè)施食用菌生長監(jiān)控的需求。本系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在食用菌生產(chǎn)過程中，還可以推廣到其他對生產(chǎn)過程需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的農(nóng)作物生產(chǎn)中，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色智能化種植具有重要意義。

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