肖乾虎+翁紹捷+賀芳+夏澤豪+張文清

摘要:采用RS485串口,設(shè)計了轉(zhuǎn)換電路,實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)由模擬信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU格式的數(shù)字信號;采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上傳;對ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的通信距離進(jìn)行了理論估算和生產(chǎn)基地測試,估算值為1 691.99 m。晴天的通信距離是1 680 m,誤差為7.09%;由于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)受雨天的影響,通信距離是1 520 m,誤差為10.16%。

關(guān)鍵詞:RS485串口;ZigBee無線網(wǎng)絡(luò);監(jiān)測;作物生長;環(huán)境因子

中圖分類號:TP277;TN92文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0439-8114(2014)10-2421-03

Designing Wireless Network for Monitoring Environmental Factor of Crop

Growth Based on RS485

XIAO Qian-hu,WENG Shao-jie,HE Fang,XIA Ze-hao,ZHANG Wen-qing

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hainan University,Haikou 570228,China)

Abstract:A circuit was designed to convent analog signal to Modbus RTU format digital signals with with RS485 serial port.Wireless network used ZigBee to transmit data. The communication distance of the ZigBee wireless network was studied theoretically and tested in production base. The estimated distance was 1 691.99 m. The tested distance was 1 680 m with 7.09% error in sunny day.Because of the influence of rain,the tested communication distance was 1 520 m with 10.16% error.

Key words: RS485 serial port;ZigBee wireless network;monitor;crop growth;environment factor

基金項目:國家星火計劃項目(S2011E200025);2013年海南省研究生創(chuàng)新課題項目(s22)

作物生長環(huán)境因子如土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度等,對作物生長有著重要的影響。近年來,國內(nèi)外對作物生長環(huán)境因子的采集方式、數(shù)據(jù)傳輸方式及上位機(jī)監(jiān)測有許多研究報道,采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采集和傳輸方式得到了快速的發(fā)展[1-3]。根據(jù)檢測參數(shù)的不同,分為地上參數(shù)檢測傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線地下參數(shù)檢測傳感器網(wǎng)絡(luò)。李莉等[4]開發(fā)出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)采用GRPS與遠(yuǎn)程管理中心通信,實現(xiàn)了溫室的溫度、濕度和光照度等6個參數(shù)的監(jiān)測。Akyildiz等[5]開發(fā)了一種檢測高爾夫球場的近地表土壤水分的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),設(shè)計了采集節(jié)點、匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點。目前,采集方式多以電流或電壓輸出的傳感器為主,導(dǎo)致連接模塊過多,系統(tǒng)的擴(kuò)展性和靈活性不足。針對此不足,采用RS485串口通信、標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU數(shù)據(jù)格式以及ZigBee無線網(wǎng)絡(luò),設(shè)計了監(jiān)測作物生長環(huán)境因子的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),以供參考。

1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成原理

網(wǎng)絡(luò)主要由采集節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器芯片和轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成了采集模塊,完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。傳感器芯片采集的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的4~20 mA電流或者0~5 V電壓輸出到轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路中的A/D模塊,將電流或電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成Modbus RTU數(shù)字信號,然后經(jīng)RS485串口輸出到ZigBee路由。ZigBee路由端口也是RS485串口,每個ZigBee路由節(jié)點攜帶多個采集模塊,實現(xiàn)對作物生長環(huán)境因子監(jiān)測,所有的ZigBee路由通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igBee匯聚節(jié)點,然后通過GPRS/Internet傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

1.2轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

采集模塊中的轉(zhuǎn)換電路,將傳感器芯片輸出的模擬電流或者電壓信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU的數(shù)字信號,轉(zhuǎn)換電路圖如圖2所示。在轉(zhuǎn)換電路中,采用12位的A/D轉(zhuǎn)換精度,并對信號和電源進(jìn)行了隔離。每個RS485串口可攜帶255個采集傳感器。所有的相關(guān)參數(shù)保存在非易失的存儲器EEPROM中。數(shù)據(jù)采用Modbus RTU協(xié)議進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

1.3網(wǎng)絡(luò)的通信

整個網(wǎng)絡(luò)的建立由ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)起,其余節(jié)點主動尋找網(wǎng)絡(luò)號,并根據(jù)預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)號加入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò),每個終端設(shè)備都有全網(wǎng)惟一的設(shè)備地址。設(shè)備地址和網(wǎng)絡(luò)地址是區(qū)分采集設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)的ID。整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包括查詢指令和上傳采集數(shù)據(jù)方向相反。上位機(jī)是局域網(wǎng)的IP地址,在交換機(jī)上采用端口映射的方式,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中,采用數(shù)據(jù)透傳方式,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位下達(dá)的查詢指令以及下位機(jī)上傳的采集數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)是Modbus RTU格式,由設(shè)備地址、功能碼、采集原始值和校驗碼構(gòu)成。數(shù)據(jù)流通的環(huán)節(jié)依次為采集模塊、RS485串口、ZigBee、GPRS、Internet、DriverForGprs、KVCom和KingView。

2網(wǎng)絡(luò)測試與分析

2.1 通訊距離的理論估算

根據(jù)802.15.4a信道的特點,IEEE組織在環(huán)境中進(jìn)行了實際測量,構(gòu)建了基于802.15.4a信道,且適用于2~10 GHz(UWB),100~1 000 MHz的信道傳輸路徑損耗模型,表達(dá)式如公式1。

Pr=PtAantGtGrPLo■■(1)

其中,Pr為接收機(jī)功率,單位為dBm;Pt為發(fā)射機(jī)功率,單位為dBm;d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離,單位為m;d0為參考距離等于1 m;Gt為發(fā)送天線增益;Gr為接收天線增益;Aant為天線衰減因子,單位為dB;s為損耗計算的標(biāo)準(zhǔn)方差,單位為dB;PL0為參考距離下的損耗大小,單位為dB;fc為參考中心頻率等于5 GHz;k為頻率影響修正系數(shù)。

對公式(1)進(jìn)行推導(dǎo),可得通信最大距離,如下公式2。

dmax=10■

(2)

結(jié)合郭宏福等[6,7]研究、本系統(tǒng)的ZigBee路由和匯聚節(jié)點的硬件參數(shù)和測試結(jié)果,得出公式的修正參數(shù)(表1)。其中,Gt和Gr都等于1。

在ZigBee模塊中,將信道分為11~26號通道,每個信道帶寬2 MHz,信道間隔5 MHz。WiFi有11個信道,每個信道帶寬22 MHz。其中,4個ZigBee信道,即第15、20、25和26信道處于WiFi信道的頻帶間距上,受到的干擾最少,其余信道落在WiFi信道上。為了減少ZigBee信道被WiFi的干擾,信道可選擇上述4個信道之一,本系統(tǒng)采用第25信道。經(jīng)計算第25信道的中心頻率(f)為2.475 GHz,ZigBee路由與匯聚節(jié)點的通信距離是1 691.99 m。

2.2生產(chǎn)基地的測試

在實際作物生長環(huán)境中,同樣也會受到地表地貌、植株密度與高度以及天氣等的影響[8]。節(jié)點對地面的高度影響信號的強(qiáng)度和丟包率。越貼近地表,損耗越大。郭秀明等[9]在蘋果園中測試表明2.4 GHz的無線信號衰減符合對數(shù)路徑損耗模型,且在高度約為3 m時為最佳布置位置(3 m為蘋果樹的高度),其次是高度大于2.25 m的位置。李偲鈺等[10]在小麥田中測試表明2.4 GHz無線信號衰減符合對數(shù)距離路徑損耗模型,隨著損耗指數(shù)與天線指數(shù)呈對數(shù)衰減,并且衰減指數(shù)隨著小麥的長高而增大,建議安裝高度略高于成熟植株,約1.2 m。根據(jù)研究成果表明,ZigBee發(fā)射和接收信號端,要避免植株的莖,盡量高于或者低于枝葉茂盛部位。本測試在種植甘蔗和其他作物的生產(chǎn)基地進(jìn)行,安裝高度高于普通農(nóng)作物高度,即2 m,分別在晴天和雨天進(jìn)行通信測試。

2.2.1 傳輸距離測試ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信距離的測試采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點距離逐漸增大的方法進(jìn)行測試,直到彼此間不能通信。測試結(jié)果表明,晴天網(wǎng)絡(luò)的通信距離較長,相隔較長距離仍能通信,可視距離達(dá)1 680 m,與理論最大估算距離的誤差為7.09%;雨天的通信距離有較大縮短,可視距離為1 520 m,與理論最大估算距離的誤差為10.16%,有較大的誤差,主要受到雨水的影響。

2.2.2丟包率分析采用物聯(lián)網(wǎng)綜合分析儀IOTA-1100對網(wǎng)絡(luò)的丟碼率進(jìn)行測試,測試距離從100 m逐漸增大到1 700 m。數(shù)據(jù)包的發(fā)送采用每秒鐘發(fā)送14個數(shù)據(jù)包,發(fā)送時長為5 min,然后計數(shù)接收到的數(shù)據(jù)包,計算丟包率。分別在晴天和雨天兩種天氣條件下試驗,節(jié)點的信息傳輸情況晴天、雨天見表2。

3小結(jié)

采用傳感器芯片和自主設(shè)計的轉(zhuǎn)換電路及ZigBee無線網(wǎng)絡(luò),設(shè)計了基于RS485串口的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)的傳感器電流或者電壓輸出方式變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的RS485輸出,一個端口可攜帶255個采集傳感器,提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和通用性,ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)透傳的方式。采用信道損耗模型,對網(wǎng)絡(luò)的最大通信距離進(jìn)行了理論估算。在生產(chǎn)基地對通信距離和丟包率進(jìn)行了測試,并得出了相應(yīng)的誤差和丟包率。

參考文獻(xiàn):

[1] 羅錫文,臧英,周志艷.精細(xì)農(nóng)業(yè)中農(nóng)情信息采集技術(shù)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22(1):167-174.

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[8] 沈杰,姚道遠(yuǎn),黃河清,等.野外地表無線傳感網(wǎng)信道傳播模型的測定與分析[J].光學(xué)精密工程,2008,16(1):141-149.

[9] 郭秀明,趙春江,楊信廷,等.蘋果園中2.4GHz無線信道在不同高度的傳播特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(12):195-197.

[10] 李偲鈺,高紅菊,姜建釗.小麥田中天線高度對2.4GHz無線信道傳播特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(13):184-189.

2.2生產(chǎn)基地的測試

在實際作物生長環(huán)境中,同樣也會受到地表地貌、植株密度與高度以及天氣等的影響[8]。節(jié)點對地面的高度影響信號的強(qiáng)度和丟包率。越貼近地表,損耗越大。郭秀明等[9]在蘋果園中測試表明2.4 GHz的無線信號衰減符合對數(shù)路徑損耗模型,且在高度約為3 m時為最佳布置位置(3 m為蘋果樹的高度),其次是高度大于2.25 m的位置。李偲鈺等[10]在小麥田中測試表明2.4 GHz無線信號衰減符合對數(shù)距離路徑損耗模型,隨著損耗指數(shù)與天線指數(shù)呈對數(shù)衰減,并且衰減指數(shù)隨著小麥的長高而增大,建議安裝高度略高于成熟植株,約1.2 m。根據(jù)研究成果表明,ZigBee發(fā)射和接收信號端,要避免植株的莖,盡量高于或者低于枝葉茂盛部位。本測試在種植甘蔗和其他作物的生產(chǎn)基地進(jìn)行,安裝高度高于普通農(nóng)作物高度,即2 m,分別在晴天和雨天進(jìn)行通信測試。

2.2.1 傳輸距離測試ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信距離的測試采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點距離逐漸增大的方法進(jìn)行測試,直到彼此間不能通信。測試結(jié)果表明,晴天網(wǎng)絡(luò)的通信距離較長,相隔較長距離仍能通信,可視距離達(dá)1 680 m,與理論最大估算距離的誤差為7.09%;雨天的通信距離有較大縮短,可視距離為1 520 m,與理論最大估算距離的誤差為10.16%,有較大的誤差,主要受到雨水的影響。

2.2.2丟包率分析采用物聯(lián)網(wǎng)綜合分析儀IOTA-1100對網(wǎng)絡(luò)的丟碼率進(jìn)行測試,測試距離從100 m逐漸增大到1 700 m。數(shù)據(jù)包的發(fā)送采用每秒鐘發(fā)送14個數(shù)據(jù)包,發(fā)送時長為5 min,然后計數(shù)接收到的數(shù)據(jù)包,計算丟包率。分別在晴天和雨天兩種天氣條件下試驗,節(jié)點的信息傳輸情況晴天、雨天見表2。

3小結(jié)

采用傳感器芯片和自主設(shè)計的轉(zhuǎn)換電路及ZigBee無線網(wǎng)絡(luò),設(shè)計了基于RS485串口的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)的傳感器電流或者電壓輸出方式變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的RS485輸出,一個端口可攜帶255個采集傳感器,提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和通用性,ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)透傳的方式。采用信道損耗模型,對網(wǎng)絡(luò)的最大通信距離進(jìn)行了理論估算。在生產(chǎn)基地對通信距離和丟包率進(jìn)行了測試,并得出了相應(yīng)的誤差和丟包率。

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[9] 郭秀明,趙春江,楊信廷,等.蘋果園中2.4GHz無線信道在不同高度的傳播特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(12):195-197.

[10] 李偲鈺,高紅菊,姜建釗.小麥田中天線高度對2.4GHz無線信道傳播特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(13):184-189.

2.2生產(chǎn)基地的測試

在實際作物生長環(huán)境中,同樣也會受到地表地貌、植株密度與高度以及天氣等的影響[8]。節(jié)點對地面的高度影響信號的強(qiáng)度和丟包率。越貼近地表,損耗越大。郭秀明等[9]在蘋果園中測試表明2.4 GHz的無線信號衰減符合對數(shù)路徑損耗模型,且在高度約為3 m時為最佳布置位置(3 m為蘋果樹的高度),其次是高度大于2.25 m的位置。李偲鈺等[10]在小麥田中測試表明2.4 GHz無線信號衰減符合對數(shù)距離路徑損耗模型,隨著損耗指數(shù)與天線指數(shù)呈對數(shù)衰減,并且衰減指數(shù)隨著小麥的長高而增大,建議安裝高度略高于成熟植株,約1.2 m。根據(jù)研究成果表明,ZigBee發(fā)射和接收信號端,要避免植株的莖,盡量高于或者低于枝葉茂盛部位。本測試在種植甘蔗和其他作物的生產(chǎn)基地進(jìn)行,安裝高度高于普通農(nóng)作物高度,即2 m,分別在晴天和雨天進(jìn)行通信測試。

2.2.1 傳輸距離測試ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信距離的測試采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點距離逐漸增大的方法進(jìn)行測試,直到彼此間不能通信。測試結(jié)果表明,晴天網(wǎng)絡(luò)的通信距離較長,相隔較長距離仍能通信,可視距離達(dá)1 680 m,與理論最大估算距離的誤差為7.09%;雨天的通信距離有較大縮短,可視距離為1 520 m,與理論最大估算距離的誤差為10.16%,有較大的誤差,主要受到雨水的影響。

2.2.2丟包率分析采用物聯(lián)網(wǎng)綜合分析儀IOTA-1100對網(wǎng)絡(luò)的丟碼率進(jìn)行測試,測試距離從100 m逐漸增大到1 700 m。數(shù)據(jù)包的發(fā)送采用每秒鐘發(fā)送14個數(shù)據(jù)包,發(fā)送時長為5 min,然后計數(shù)接收到的數(shù)據(jù)包,計算丟包率。分別在晴天和雨天兩種天氣條件下試驗,節(jié)點的信息傳輸情況晴天、雨天見表2。

3小結(jié)

采用傳感器芯片和自主設(shè)計的轉(zhuǎn)換電路及ZigBee無線網(wǎng)絡(luò),設(shè)計了基于RS485串口的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)的傳感器電流或者電壓輸出方式變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的RS485輸出,一個端口可攜帶255個采集傳感器,提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和通用性,ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)透傳的方式。采用信道損耗模型,對網(wǎng)絡(luò)的最大通信距離進(jìn)行了理論估算。在生產(chǎn)基地對通信距離和丟包率進(jìn)行了測試,并得出了相應(yīng)的誤差和丟包率。

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