馮友宏，麻金繼，楊凌云，謝小娟

(1.安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖241000;2.安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院，安徽蕪湖241000)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息化革新浪潮，它提供更透徹的度量和感知、更全面的互通互聯(lián)、更智能的信息化處理，能夠有效地促進(jìn)服務(wù)管理與物質(zhì)生產(chǎn)相結(jié)合、數(shù)字世界與物理世界相聯(lián)通，應(yīng)用范圍將遍及環(huán)境保護(hù)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)療管理、智能交通和智能物流等各個(gè)領(lǐng)域［1～4］。作為種植具有較高經(jīng)濟(jì)效益的花卉、蔬菜的重要場(chǎng)所，溫室能夠顯著增強(qiáng)農(nóng)業(yè)的抗災(zāi)、減災(zāi)與反季節(jié)生產(chǎn)能力［5］。本文提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于溫室生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)，即實(shí)時(shí)精確獲得溫室環(huán)境的各種參數(shù)，對(duì)于系統(tǒng)掌握植物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律及其與環(huán)境條件的關(guān)系，維持溫室作物的均衡供應(yīng)、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和科學(xué)研究都具有重要意義。

1 硬件方案設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)、主控單元(網(wǎng)關(guān))、監(jiān)控和信息發(fā)布單元組成，環(huán)境采集模塊置于溫室大棚現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)將信息發(fā)送至主控制模塊(網(wǎng)關(guān))，網(wǎng)關(guān)中的GPRS模塊通過(guò)GPRS/GSM將信息發(fā)送至上位機(jī)和管理人員的手機(jī)。監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of environment monitoring device

1.1 環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)由環(huán)境采集傳感器、MCU處理單元、WSNs模塊以及電源模塊構(gòu)成。其中，WSNs模塊采用Chipcon公司生產(chǎn)的符合Zig Bee技術(shù)的2.4GHz射頻芯片CC2530［7，8］。該芯片整合了 Zig Bee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，具有低功耗、實(shí)時(shí)、高精度定位的特點(diǎn)。MCU采用美國(guó)MicroChip公司生產(chǎn)的PIC16F883單片機(jī)，片內(nèi)帶有8 kbyte的程序存儲(chǔ)器，256 byte的數(shù)據(jù) EEPROM，11路10位A/D轉(zhuǎn)換器以及2個(gè)8位和1個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、該單片機(jī)的突出的特點(diǎn)是體積小、功耗低、精簡(jiǎn)指令集、抗干擾性好、可靠性高、有較強(qiáng)的模擬接口，在信息監(jiān)測(cè)中被廣泛運(yùn)用。

1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

為了充分利用電池能量，提高電源的轉(zhuǎn)換效率，本方案中的WSNs的電池模塊中的電壓轉(zhuǎn)換芯片使用的是MAXIM公司的DC/DC高效率電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX756。要求DC/DC電路的輸入電壓≥2.2 V(本系統(tǒng)使用2節(jié)1.5 V的電池輸入)，經(jīng)過(guò)MAX756后提供給采集電路中的MCU芯片PIC16F883和DRF1605H穩(wěn)定的3.3 V電源電壓。電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信息采集和傳輸模塊的電源供給模塊電路圖Fig 2 Circuit of power supply module in information collection and transmission module

1.3 主控制模塊(網(wǎng)關(guān))設(shè)計(jì)

主控制模塊(網(wǎng)關(guān))由WSNs模塊、主MCU單元、存儲(chǔ)單元、顯示報(bào)警單元、時(shí)鐘單元、電源單元，以及將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控和信息發(fā)布模塊的GPRS模塊構(gòu)成。主控制模塊主MCU單元為STM32，GPRS模塊和CC2430均設(shè)置有通信接口 RS—232，通信接口 RS—232之間通過(guò) RS—232串口線(xiàn)連接。STM32基于高性能Cortex-M3內(nèi)核，有豐富的外設(shè)且功能強(qiáng)大、性?xún)r(jià)比高，如1 M采樣率的12 bitADC 4 M bit的多路串口等，32 bit的控制器有著接近于16 bit甚至高端8 bit控制器的價(jià)格。存儲(chǔ)單元使用了基于SD卡讀寫(xiě)大容量存儲(chǔ)模塊，當(dāng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞或者供電出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，它能夠保存外部采集數(shù)據(jù)和用戶(hù)的設(shè)置信息。時(shí)鐘單元提供的精準(zhǔn)時(shí)鐘同時(shí)結(jié)合外界氣候?qū)嶋H變化的特點(diǎn)對(duì)信息采集節(jié)點(diǎn)授權(quán)在不同的時(shí)間段(如早晨和傍晚)自動(dòng)切換不同的采集頻率。主控模塊(網(wǎng)關(guān))的電路如圖3所示。

圖3 主控模塊(網(wǎng)關(guān))電路Fig 3 Circuit of main control module(gateway)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案中對(duì)傳統(tǒng)的LEACH(low-energy adaptive clustering hierarchy)路由協(xié)議進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，提出了一種基站廣播分配簇頭的LEACH-B(LEACH-broadcast)路由協(xié)議，利用改進(jìn)的LEACH-B和新的數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制，將監(jiān)測(cè)信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)GPRS轉(zhuǎn)發(fā)到控制管理中心為決策提供依據(jù)。

2.1 改進(jìn)的路由協(xié)議

由于此監(jiān)控網(wǎng)路中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的供電是市電，通過(guò)電源電路供給，但信息采集節(jié)點(diǎn)的能量通常無(wú)法得到補(bǔ)充，傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議中簇頭的選擇方法是:每個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇0～1之間的一個(gè)值，如果選定的值小于某一個(gè)閾值T(n)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)，繼而通過(guò)廣播告知整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信息的信號(hào)強(qiáng)度決定從屬的簇［8，9］。為了進(jìn)一步減少信息采集節(jié)點(diǎn)的能耗，在LEACH-B路由協(xié)議中，對(duì)于簇頭的選擇是通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播信息和信息采集節(jié)點(diǎn)的查表查詢(xún)來(lái)完成的:網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播產(chǎn)生隨機(jī)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，采集節(jié)點(diǎn)收到編號(hào)后根據(jù)自身的網(wǎng)絡(luò)信息表格進(jìn)行查詢(xún)距離最近且靠近網(wǎng)關(guān)方向的簇首加入網(wǎng)絡(luò)。改進(jìn)后的協(xié)議能有效減少和均衡信息采集節(jié)點(diǎn)的能耗，有效地延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期，其路由協(xié)議如圖4所示。

2.2 信息采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

圖4 改進(jìn)的路由協(xié)議(LEACH-B)Fig 4 Improved routing protocol(LEACH-B)

由于WSNs節(jié)點(diǎn)能量非常有限，使節(jié)點(diǎn)的通信帶寬處理速度和存儲(chǔ)空間均受限制，現(xiàn)有低功耗處理器技術(shù)使得數(shù)據(jù)處理的功耗比數(shù)據(jù)通信的功耗小得多［9，10］。因此，在傳輸數(shù)據(jù)前進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理是利用有限資源降低節(jié)點(diǎn)能量消耗的有效方式。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)WSNs節(jié)點(diǎn)采集的時(shí)間間隔是15 min，考慮實(shí)際的溫室環(huán)境會(huì)發(fā)生變化甚至可能出現(xiàn)劇烈的變化，在每個(gè)時(shí)刻采樣到的值與前面2次采樣值的代數(shù)平均值進(jìn)行比較，若超出一定的閾值，則改變發(fā)送的頻率，節(jié)點(diǎn)正常的上傳時(shí)間間隔是30 min，如果超出一定的閾值則發(fā)送的間隔為15 min。通過(guò)大量的測(cè)試表明:大棚在晴天或多云天氣，日出前棚內(nèi)出現(xiàn)最低溫度，但持續(xù)時(shí)間比較短，最高氣溫出現(xiàn)在12～13時(shí)，14～15時(shí)溫度開(kāi)始下降，平均每小時(shí)下降3～5℃。夜間，當(dāng)氣溫低于地溫時(shí)，土壤放熱成為主導(dǎo)。由于沒(méi)有外來(lái)熱量補(bǔ)給，棚外溫度又低，大棚處在持續(xù)散熱過(guò)程，從日落到黎明前平均每小時(shí)下降1℃左右。因此，大棚氣溫的顯著特點(diǎn)就是晝夜溫差大?；诖藶榱吮ＷC精確的信息采集，通過(guò)網(wǎng)關(guān)的時(shí)鐘芯片來(lái)切換傳送間隔，在正常情況下要求信息采集節(jié)點(diǎn)是30 min發(fā)送一次，但在中午12～13時(shí)和下午17～19時(shí)網(wǎng)關(guān)要求信息采集節(jié)點(diǎn)為發(fā)送間隔15 min一次。信息采集節(jié)點(diǎn)將采集到的信息傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度命令，當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)的采集發(fā)送和接收時(shí)，轉(zhuǎn)入休眠模式，使節(jié)點(diǎn)功耗降到最低，其工作流程圖如圖5所示。

圖5 信息采集節(jié)點(diǎn)的程序流程圖Fig 5 Program flow chart of information collection node

2.3 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)界面采用基于LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)。上位機(jī)軟件主要包括信息管理和動(dòng)態(tài)跟蹤模塊。信息管理由注冊(cè)、登錄、閾值和參數(shù)設(shè)定、查詢(xún)、報(bào)警、打印報(bào)表等功能組成。動(dòng)態(tài)跟蹤模塊包括監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的切換和各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。注冊(cè)管理可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的添加、刪除和權(quán)限管理;閾值和參數(shù)設(shè)定可以設(shè)置不同的溫室大棚參數(shù)值以適應(yīng)不同植物的環(huán)境生長(zhǎng);數(shù)據(jù)查詢(xún)和打印報(bào)表可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)操作;用戶(hù)可根據(jù)作物的實(shí)際情況設(shè)定溫濕度的上下限值，當(dāng)溫室環(huán)境參數(shù)值超出設(shè)定值，啟動(dòng)故障報(bào)警和短信服務(wù)功能。上位機(jī)軟件的動(dòng)態(tài)界面中將實(shí)際的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合的實(shí)物圖進(jìn)行編輯，圖中將實(shí)際的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)明，管理人員可以通過(guò)通道的切換進(jìn)行實(shí)時(shí)定位信息監(jiān)測(cè)［5，9］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試，在2012年的10月1日凌晨5:30到上午的10:45，以溫度為例可知系統(tǒng)能夠正常工作，且對(duì)于溫度的變化呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)傳送，在上午7:00～9:00，由于溫度變化比較明顯(超出系統(tǒng)設(shè)定閾值)，發(fā)送的數(shù)據(jù)間隔為15 min，使得監(jiān)控中心能及時(shí)準(zhǔn)確了解大棚內(nèi)的環(huán)境信息變化。表1為通道1采集到信息部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 通道1采集到信息部分?jǐn)?shù)據(jù)Tab 1 Partial information data collected by channel 1

4 結(jié)論

本文采用基于WSNs，GPRS，Internet以及 LabVIEW技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，通用性好，可利用不同的傳感器監(jiān)測(cè)所需的信息，可用于工廠(chǎng)車(chē)間、倉(cāng)庫(kù)(房)、國(guó)防工程、人防工程等對(duì)溫濕度要求較高的場(chǎng)所。實(shí)驗(yàn)表明:該組網(wǎng)策略和數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制具有監(jiān)測(cè)精度高、運(yùn)行周期長(zhǎng)、使用方便、界面更加人性化的優(yōu)點(diǎn)，能滿(mǎn)足環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求。

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