摘 要： 根據(jù)農(nóng)田環(huán)境的水、空氣、土壤環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)。具體分析了系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)了總體結(jié)構(gòu)。探討了基于.Net的智能灌溉系統(tǒng)上位機(jī)的功能需求、系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方案及關(guān)鍵技術(shù)等。

關(guān)鍵詞： ZigBee； 無(wú)線(xiàn)傳感器； .Net； 智能灌溉系統(tǒng)； 上位機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2012）12-61-04

Design and implementation of PC software for intelligent irrigation system

Zhao Zhenqi

（Wuxi Machinery and Electron Higher Professional and Technical School， Wuxi， Jiangsu 214028， China）

Abstract： According to the requirements of water， air and soil in farmland environment， an intelligent irrigation system is designed， based on wireless sensor network ZigBee. The system function is analyzed and overall structure is designed. The function demand， system architecture， concrete implementation scheme and key technology of intelligent irrigation system principal machine based on .Net are discussed.

Key words： ZigBee； wireless sensor； .Net； intelligent irrigation system； PC

0 引言

在水資源緊缺的條件下，要實(shí)現(xiàn)灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，就需要灌溉更加精確智能。在不影響農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的前提下，按照農(nóng)作物需水要求準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)報(bào)，并實(shí)現(xiàn)水量的自動(dòng)控制，精確施予。目前，主要采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的辦法，通過(guò)研發(fā)先進(jìn)的傳感器、灌溉控制設(shè)備、功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)灌溉管理軟件等來(lái)實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉，提高農(nóng)業(yè)效益[1]。

由于全球氣候的惡化和水污染等原因，水資源短缺已經(jīng)成為全球性的問(wèn)題。在各大園林、農(nóng)業(yè)及高爾夫灌溉項(xiàng)目中，越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到了節(jié)水灌溉的重要性。為了保證人工植被和農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)，節(jié)水灌溉系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用。

1 系統(tǒng)主要功能

我們?cè)O(shè)計(jì)并制作出具有監(jiān)視、控制、環(huán)境數(shù)據(jù)的不間斷采集、整理、統(tǒng)計(jì)、繪圖功能的智能灌溉系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化科學(xué)灌溉。該系統(tǒng)適用于庭院、園林、農(nóng)田等灌溉場(chǎng)所。主要包括以下功能：

⑴ 根據(jù)CO2濃度自動(dòng)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，與CO2發(fā)生器配套使用；

⑵ 根據(jù)土壤的干濕度自動(dòng)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，與噴灌、微灌、滴灌等管道系統(tǒng)配套使用；

⑶ 根據(jù)空氣的干濕度自動(dòng)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，與加/降溫、加/除濕等設(shè)備配套使用。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZigBee、GPRS、以太網(wǎng)、串口的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，集成了符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的JN5121系列通訊模塊，GPRS模塊，以太網(wǎng)接口，RS232接口。并具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的串口設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸，也可以根據(jù)用戶(hù)的需要定制軟件；可按照星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)以及樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。兼容FCC Part 15， ETSI ETS 300-328和日本的ARIB STD-T16標(biāo)準(zhǔn)。主要應(yīng)用領(lǐng)域：煤礦/油田設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、電力/水利設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程智能抄表/線(xiàn)纜取代、工業(yè)、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制、樓宇、路燈智能控制[2]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)由三個(gè)部分組成：監(jiān)控中心、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)、無(wú)線(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)。其中，監(jiān)控中心主體是服務(wù)器和上位機(jī)；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)集成了符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的JN5121系列通訊模塊，GPRS模塊，以太網(wǎng)接口，RS232接口，負(fù)責(zé)將各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)處理，或接收上位機(jī)發(fā)送的指令并傳送給各節(jié)點(diǎn)；無(wú)線(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)，集成了CO2濃度傳感模塊、土壤的干濕度傳感模塊、空氣的干濕度傳感模塊和ARM模塊。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

3 硬件原理

本系統(tǒng)的傳感節(jié)點(diǎn)硬件采用CC2530，如圖2所示。CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它特別適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗[3]。

4 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

4.1 功能需求

以太網(wǎng)通信方式是物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)最主要的通信方式，采用UDP通信協(xié)議層，多線(xiàn)程方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

上位機(jī)需要單獨(dú)具備以太網(wǎng)通信界面，除了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)以太網(wǎng)通信命令中列出的各項(xiàng)命令之外，還需要以下幾個(gè)重要功能。

⑴ 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，顯示物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)所有已經(jīng)注冊(cè)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)物理區(qū)域視圖，主要用于直觀(guān)地反映設(shè)備節(jié)點(diǎn)的分布概況，用于設(shè)備故障定位。在視圖上，雙擊設(shè)備節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)能夠自動(dòng)顯示該節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；如果設(shè)備有故障或告警，節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)應(yīng)該改變自身顏色警示操作人員。

⑵ 數(shù)據(jù)查詢(xún)，實(shí)時(shí)記錄物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)的當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)，提供用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)按日期和設(shè)備標(biāo)識(shí)查詢(xún)的功能。根據(jù)數(shù)據(jù)容量和數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)并發(fā)性的要求，建議數(shù)據(jù)庫(kù)采用專(zhuān)用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，例如SQL Server 2005。

⑶ 數(shù)據(jù)分析，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)查詢(xún)的數(shù)據(jù)繪制圖表（折線(xiàn)圖或餅圖等），顯示數(shù)據(jù)的分布和趨勢(shì)，提供用戶(hù)環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)和做出灌溉決策的參考信息。

⑷ 分布式軟件，可以在多個(gè)計(jì)算機(jī)上同時(shí)打開(kāi)上位機(jī)軟件，軟件之間相互協(xié)調(diào)，每個(gè)上位機(jī)作出的參數(shù)修改都能在其他上位機(jī)軟件上顯示出操作記錄，參數(shù)設(shè)置具有并發(fā)性，多個(gè)上位機(jī)軟件進(jìn)行同一參數(shù)的設(shè)置不會(huì)沖突，參數(shù)設(shè)置完成后，其他上位機(jī)界面會(huì)同步更新。

4.2 上位機(jī)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用.Net三層架構(gòu)。三層架構(gòu)（3-tier application） 通常意義上的三層架構(gòu)就是將整個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用邏輯上劃分為：表示層（USL）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層（DAL）。三層架構(gòu)是一個(gè)支持可抽取、可替換的“抽屜”式架構(gòu)，符合“高內(nèi)聚，低耦合”的思想，所以這些層可以單獨(dú)開(kāi)發(fā)，單獨(dú)測(cè)試[4]。具體的三層架構(gòu)的分層結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

4.3 開(kāi)發(fā)工具的選擇

.NET是一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它定義了一種公用語(yǔ)言子集（Common Language Subset， CLS）。.NET統(tǒng)一了編程類(lèi)庫(kù)，提供了對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML）的完全支持，使軟件的開(kāi)發(fā)變得容易。.NET與Windows平臺(tái)緊密集成，是一種面向網(wǎng)絡(luò)、支持各種用戶(hù)終端的開(kāi)發(fā)平臺(tái)環(huán)境。

SQL SERVER 2005對(duì)SQL Server 2000中已經(jīng)存在的特性進(jìn)行了加強(qiáng)。加強(qiáng)了T-SQL（事務(wù)處理SQL），整合了符合.NET規(guī)范的語(yǔ)言（可以在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中執(zhí)行.NET代碼以充分利用.NET功能），使自身帶有支持對(duì)用戶(hù)自定義數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的功能，生成多活動(dòng)結(jié)果集（允許從單個(gè)的客戶(hù)端到數(shù)據(jù)庫(kù)保持一條持久的連接，以便在每個(gè)連接上擁有超過(guò)一個(gè)的活動(dòng)請(qǐng)求）等。

基于上述原因，我們選擇.NET架構(gòu)C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工具。開(kāi)發(fā)人員必須掌握的預(yù)備知識(shí)和工具有：①UDP通訊編程（UDP包測(cè)試工具的使用）；②多線(xiàn)程；③Chart控件的使用；④調(diào)試工具的使用。

5 數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫(kù)名稱(chēng)：ZigDB。主要包括設(shè)備狀態(tài)信息表（如表1所示）、設(shè)備信息表（如表2所示）、設(shè)備類(lèi)別表（如表3所示）、系統(tǒng)設(shè)置表、權(quán)限表、用戶(hù)表等。

6 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)上位機(jī)模塊包括四個(gè)主要功能模塊：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)查詢(xún)分析模塊、權(quán)限管理模塊和系統(tǒng)管理模塊。每一個(gè)模塊中設(shè)計(jì)了若干子模塊。系統(tǒng)上位機(jī)功能模塊圖，如圖4所示。

[系統(tǒng)上位機(jī)模塊][實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊][數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊][權(quán)限管理模塊][系統(tǒng)管理模塊][設(shè)備分布概況][節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)信息][讀寫(xiě)上下閾值][實(shí)時(shí)圖形顯示][歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)][圖表報(bào)表分析][角色管理][權(quán)限管理][用戶(hù)管理][備份還原數(shù)據(jù)][設(shè)備注冊(cè)維護(hù)][設(shè)備采樣維護(hù)]

圖4 系統(tǒng)上位機(jī)功能模塊圖

7 上下位機(jī)通信的方式

本系統(tǒng)主要采用兩種與上位機(jī)通信的方式。

⑴ 本地調(diào)試端口，采用RS232串口通信方式，用于和計(jì)算機(jī)直連后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)，對(duì)智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備注冊(cè)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置也使用該通信方式。

⑵ 遠(yuǎn)程通信端口，采用以太網(wǎng)通信方式，用于和遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主要功能是上報(bào)智能灌溉系統(tǒng)各傳感器的數(shù)據(jù)，以及獲取修改相關(guān)參數(shù)的上下限閾值。

8 主要窗口與關(guān)鍵技術(shù)

8.1 主要窗口

上位機(jī)軟件主要包括以下幾個(gè)窗口。

⑴ 主窗口（FormMain）：主要包括監(jiān)聽(tīng)線(xiàn)程Run（）方法，用于實(shí)現(xiàn)輪詢(xún)，先采樣放入緩沖區(qū)然后入庫(kù)。

⑵ 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯翱冢‵ormNetworkTop）：顯示AP結(jié)點(diǎn)拓?fù)湮恢茫饕ˋP結(jié)點(diǎn)圖標(biāo)的類(lèi)型和位置，鼠標(biāo)MouseDown（）、MouseUp（）、MouseMove（）事件處理等。

⑶ 設(shè)備狀態(tài)窗口（FormOneEq）：主要包括發(fā)送信息給傳感器sendThreshold（）、跨線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)控件UpdateUI（）、設(shè)置最大閾值和最小閾值。

⑷ 設(shè)備序列號(hào)的設(shè)置窗口（FormEqpSN）：主要包括一些按鈕事件處理btnSave_Click（）、btnDel_Click（）、btnUpdate_Click（），實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備序列號(hào)的增刪改查的操作。

⑸ 數(shù)據(jù)查詢(xún)窗口（FormBrowseHisData）：主要包括根據(jù)查詢(xún)條件顯示查詢(xún)結(jié)果和CHART圖表。涉及btnBrow_Click（）、dgvBrowResult_DataBindingComplete（）等事件處理。

8.2 關(guān)鍵技術(shù)

8.2.1 輪詢(xún)監(jiān)聽(tīng)

主程序（FormMain）中監(jiān)聽(tīng)線(xiàn)程Run（）方法代碼，主要根據(jù)通訊協(xié)議的要求，通過(guò)輪詢(xún)方式，主要采用基于System.Net，System.Net.Sockets空間的UdpClient類(lèi)實(shí)現(xiàn)UDP通信，向設(shè)備發(fā)送命令，從而獲取傳感器數(shù)據(jù)信息，然后解析數(shù)據(jù)（包括進(jìn)制轉(zhuǎn)換），并記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)表中。

部分代碼如下：

private void Run（）

{ byte [] buffer=new byte[9]；

while （true）

{ Try

{ strEqSn=StaticCommon.EqSn[ii]；

buffer[0]=buffer[1]=0xef； //發(fā)送標(biāo)識(shí)符

buffer[2]=0x06； //發(fā)送長(zhǎng)度

//序列號(hào)組的規(guī)則為拆封設(shè)備序列號(hào)為3個(gè)字節(jié)

buffer[3]=Convert.ToByte（strEqSn.Substring（0，2））；

buffer[4]=Convert.ToByte（strEqSn.Substring（2，2））；

buffer[5]=Convert.ToByte（strEqSn.Substring（4，2））；

buffer[6]=0x10； //命令字為單字節(jié)表示

//命令選項(xiàng)為命令字的輔助標(biāo)記部分，區(qū)分同一類(lèi)型命令的不同功能

//命令參數(shù)的長(zhǎng)度不定，在設(shè)置類(lèi)命令中為需要設(shè)置的具體參數(shù)數(shù)值

buffer[7]=0x00；

//校驗(yàn)和為從應(yīng)答標(biāo)識(shí)符到應(yīng)答參數(shù)包含的字節(jié)內(nèi)數(shù)值累加和

byte x=0；

for （int i=0； i<8； i++） x+=buffer[i]；

buffer[8]=x；

StaticCommon.lstbuffer[ii]=buffer； //送到臨時(shí)緩沖區(qū)

udp.Send（buffer， buffer.Length， ipp）； //UDP方式發(fā)送

Thread.Sleep（200）；

StaticCommon.lstrev[ii]=udp.Receive（ref ipp）； //間隔0.2秒接受數(shù)據(jù)

AddData（StaticCommon.lstrev[ii]）； //記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)表

Thread.Sleep（（int）StaticCommon.ssi.SpanTime）；

//間隔用戶(hù)指定時(shí)間

ii++；

if （ii>=StaticCommon.EqSn.Count） ii=0；

//在指定的設(shè)備數(shù)中循環(huán)

}

catch （Exception ex） //異常處理

{……}

}

}

以上各傳感器數(shù)據(jù)信息參數(shù)的計(jì)算公式如下：

二氧化碳濃度：CO2數(shù)據(jù)=CO2數(shù)據(jù)1×256+CO2數(shù)據(jù)2

土壤濕度：SOIL數(shù)據(jù)=SOIL數(shù)據(jù)

日照度：SUN數(shù)據(jù)=SUN數(shù)據(jù)1×256×256×256+SUN數(shù)據(jù)2×256×256+SUN數(shù)據(jù)3×256+SUN數(shù)據(jù)4

空氣溫度：TEMP數(shù)據(jù)=TEMP數(shù)據(jù)-40

空氣濕度：HUMI數(shù)據(jù)=HUMI數(shù)據(jù)

8.2.2 跨線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)控件

在多線(xiàn)程編程中，經(jīng)常要在工作線(xiàn)程中去更新界面顯示，而在多線(xiàn)程中直接調(diào)用界面控件的方法是錯(cuò)誤的做法，一般采用Invoke和BeginInvoke解決這個(gè)問(wèn)題。它們的共同之處是參數(shù)為delegate（委托），委托的方法是在Control的線(xiàn)程上執(zhí)行的，也就是UI線(xiàn)程，這樣確保在多線(xiàn)程中安全地更新界面顯示。Invoke在擁有此控件的基礎(chǔ)窗口句柄的線(xiàn)程上執(zhí)行指定的委托；而B(niǎo)eginInvoke則在創(chuàng)建控件的基礎(chǔ)句柄所在線(xiàn)程上異步執(zhí)行指定委托。本系統(tǒng)主要采用Invoke方法。

實(shí)現(xiàn)輪詢(xún)式訪(fǎng)問(wèn)多節(jié)點(diǎn)設(shè)備，調(diào)用UpdateUI方法多線(xiàn)程實(shí)時(shí)更新采樣數(shù)據(jù)，圖形化各設(shè)備各傳感器的參數(shù)狀態(tài)，如果當(dāng)前某參數(shù)值超出上下限閾值范圍，及時(shí)顯示警告信息，并記錄在庫(kù)表中，供操作者進(jìn)行分析。

while （true）

{ Try

{ this.Invoke（new System.EventHandler（UpdateUI），

StaticCommon.lstrev[StaticCommon.num]）；

Thread.Sleep（（int）StaticCommon.ssi.SpanTime）；

}

catch （Exception ex） //異常處理

{…… } }

9 調(diào)試效果

在歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面操作中，用戶(hù)根據(jù)條件查詢(xún)，圖形化顯示不同時(shí)間段及不同設(shè)備的CO2濃度、空氣溫濕度、土壤濕度和日照強(qiáng)度等歷史信息。數(shù)據(jù)查詢(xún)顯示結(jié)果圖，如圖5所示。

10 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)學(xué)校、企業(yè)、農(nóng)業(yè)部門(mén)的共同努力，智能灌溉系統(tǒng)順利通過(guò)了驗(yàn)收，在省農(nóng)業(yè)廳進(jìn)行了應(yīng)用推廣，效果良好。在系統(tǒng)地、不間斷地采集環(huán)境數(shù)據(jù)后，上體機(jī)軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)、繪圖。使用者不但能實(shí)時(shí)掌握田間農(nóng)作物的信息，而且能根據(jù)設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)控制設(shè)備，達(dá)到了農(nóng)業(yè)的智能化和高效化。隨著我國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我們將進(jìn)一步研發(fā)本系統(tǒng)的智能移動(dòng)客戶(hù)端應(yīng)用軟件，使用戶(hù)更方便地掌控作物環(huán)境，更好地為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化服務(wù)。

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