張青春，鄒士航，王燕

（淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇淮安223003）

基于WSN和COMWAY協(xié)議溫室大棚參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張青春，鄒士航，王燕

（淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇淮安223003）

針對(duì)傳統(tǒng)溫室大棚參數(shù)監(jiān)控的現(xiàn)狀，將WSN、GPRS技術(shù)和COMWAY通信協(xié)議應(yīng)用于玻璃溫室大棚參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)專(zhuān)用WSN節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)溫室土壤溫濕度、空氣溫濕度和光強(qiáng)監(jiān)測(cè)與控制功能?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)WSN節(jié)點(diǎn)、ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)和Internet網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和處理。采用COMWAY虛擬串口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線對(duì)接。經(jīng)組網(wǎng)調(diào)試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有較高的性?xún)r(jià)比和推廣應(yīng)用價(jià)值。

WSN；GPRS DTU；COMWAY協(xié)議；溫室大棚；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

玻璃溫室大棚克服了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)自然環(huán)境的依賴(lài)性，改變了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。本系統(tǒng)利用WSN和GPRS技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)玻璃溫室大棚農(nóng)作物生長(zhǎng)參數(shù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)、Internet網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、安裝便捷、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以有效克服傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的各種缺陷，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿(mǎn)足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，具有一定的實(shí)用性和推廣應(yīng)用價(jià)值[1-2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)關(guān)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到近程上位機(jī)。在ZigBee網(wǎng)關(guān)上增加GPRS DTU設(shè)備構(gòu)成ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)中國(guó)移動(dòng)基站、Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程上位機(jī)。上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面顯示各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)超出閾值范圍，就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲并顯示相應(yīng)報(bào)警的傳感器節(jié)點(diǎn)，提醒監(jiān)測(cè)人員?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)變化和設(shè)定不同參數(shù)的上下限，開(kāi)啟或者關(guān)閉相應(yīng)的控制裝置，從而實(shí)現(xiàn)玻璃溫室大棚植物生長(zhǎng)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)有效控制。

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)主要由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（負(fù)責(zé)采集溫室內(nèi)節(jié)點(diǎn)附近的溫度、濕度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超出閾值可啟動(dòng)相應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備）、ZigBee網(wǎng)關(guān)（實(shí)現(xiàn)近程數(shù)據(jù)傳輸）、ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)（實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸）和遠(yuǎn)、近程計(jì)算機(jī)（對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理并顯示）等組成[3-4]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 玻璃溫室大棚系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)包括電源模塊、傳感器模塊、CC2530模塊和控制模塊4部分[5-6]。

采用9V太陽(yáng)能電池供電，使用鋰電池儲(chǔ)存電能，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路輸出5V和3.3V電壓，為各模塊提供所需電源，維持整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行。

CC2530模塊具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，集定時(shí)、數(shù)據(jù)采集于一體，適應(yīng)2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器。其主要功能有：通過(guò)8路12位A/D口控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；控制無(wú)線RF模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；通過(guò)I/O口響應(yīng)主機(jī)控制。

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)以CC2530模塊為核心，將采集數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，同時(shí)將采集數(shù)據(jù)與設(shè)定植物生長(zhǎng)參數(shù)閾值進(jìn)行比較，通過(guò)控制模塊開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備[3]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

1.3 網(wǎng)關(guān)

1.3.1 ZigBee網(wǎng)關(guān)

ZigBee網(wǎng)關(guān)由RS232轉(zhuǎn)UART底板、3.3V供電的按鍵電路和CC2530模塊構(gòu)成。ZigBee網(wǎng)關(guān)處理器CC2530主要負(fù)責(zé)燒寫(xiě)程序、數(shù)據(jù)信息匯聚、數(shù)據(jù)收發(fā)以及程序測(cè)試。RS232轉(zhuǎn)UART底板上RS232轉(zhuǎn)USB接口，方便與具有不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行RS232通信，USB接口可直接與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行近程數(shù)據(jù)通信，狀態(tài)燈用來(lái)指示是否組網(wǎng)成功和接收數(shù)據(jù)。

1.3.2 ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)

在ZigBee網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)上，加一個(gè)RS232轉(zhuǎn)TTL模塊和一個(gè)GPRS DTU模塊，構(gòu)成ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)。RS232轉(zhuǎn)TTL模塊的通信采用MAX3232芯片，4個(gè)外接引腳中，RXD和TXD分別與RS232轉(zhuǎn)UART底板的P0.2和P0.3引腳相連，VCC供電電壓為3.3V，GND接地。通過(guò)公對(duì)公交叉串口線與WG-8010 GPRS DTU相連，數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

1.4 WG-8010 GPRS DTU

WG-8010 GPRS DTU內(nèi)部自帶的GPRS模塊，完成一次初始化配置后，它可以通過(guò)GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)設(shè)備和服務(wù)器的連接功能，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

1.4.1 主要功能特性

支持GPRS和GSM；傳輸模式有COMWAY協(xié)議、透?jìng)鲄f(xié)議等；支持TCP、UDP；100K超大緩存；可以隨時(shí)在線，支持多種遠(yuǎn)程喚醒方式；通過(guò)短信可實(shí)現(xiàn)參數(shù)遠(yuǎn)程配置和查詢(xún)功能。

1.4.2 GPRS DTU配置

1）安裝配置程序。安裝、運(yùn)行GPRS DTU配置軟件。配置DTU時(shí)，無(wú)需插入SIM卡，以防GPRSDTU進(jìn)入自動(dòng)連接模式。

2）配置本機(jī)串口通信參數(shù)。計(jì)算機(jī)串口號(hào)為COM5，波特率為9600b/s，校驗(yàn)位為0。串口COM5被正確打開(kāi)，即顯示“port：COM5 opened”。

3）GPRS通信參數(shù)的配置。系統(tǒng)選擇COMWAY通信協(xié)議，服務(wù)器地址為ds.fusionunix.com，端口號(hào)為9000。本系統(tǒng)DTU模塊ID號(hào)為306521200057，選擇自動(dòng)連接工作模式；DTU串口通信參數(shù)：波特率為9600b/s，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，校驗(yàn)位為0。這些參數(shù)必須和連接的ZigBee網(wǎng)關(guān)的串口通信參數(shù)完全相同，才能保證ZigBee網(wǎng)關(guān)、GPRS DTU和上位機(jī)的正常通信。

4）設(shè)置DTU進(jìn)入配置模式并讀取配置信息。將DTU連接計(jì)算機(jī)串口，在DTU上電之前，點(diǎn)擊“DTU進(jìn)入配置模式”；然后上電，DTU啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入配置模式；再點(diǎn)擊“讀取DTU模塊配置”，讀取DTU設(shè)定的參數(shù)。

5）通過(guò)短信發(fā)送AT指令配置。GPRS DTU也可以通過(guò)手機(jī)短信配置，一條手機(jī)短信可依次編輯多條AT指令。設(shè)置時(shí)發(fā)送以下指令：+AT^BAUD= 9 600；UTCF=810；SAVE。BAUD表示DTU串口通信速率為9 600 b/s；UTCF表示DTU串口通信格式，此處數(shù)據(jù)位設(shè)為8，停止位為1，校驗(yàn)位為0。

1.5 COMWAY無(wú)線串口設(shè)置

COMWAY無(wú)線串口軟件與GPRS DTU配合使用，只需安裝COMWAY無(wú)線串口軟件，然后建立網(wǎng)關(guān)串口數(shù)據(jù)和上位機(jī)之間的無(wú)線通信信道，就可以接收所有傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。無(wú)需公網(wǎng)固定IP地址，也不必設(shè)置網(wǎng)絡(luò)端口映射和動(dòng)態(tài)域名。通過(guò)設(shè)置虛擬串口，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線對(duì)接。具體步驟如下：

1）啟動(dòng)COMWAY無(wú)線串口軟件登陸到自己設(shè)定的賬戶(hù)，添加本設(shè)計(jì)的DTU設(shè)備。例如：GPRSDTU設(shè)備序列號(hào)為“306521200057”，名稱(chēng)可設(shè)為“玻璃溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)”。

2）添加虛擬串口com10，并添加虛擬串口映射到DTU。

3）查看計(jì)算機(jī)設(shè)備管理器所添加的串口為“com10”，即完成虛擬串口設(shè)置。

2 傳感器與控制模塊設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器LM 35D

表1 控制閾值設(shè)定表

選用LM35D測(cè)量空氣溫度，將測(cè)溫傳感器與放大電路集成在一起，測(cè)溫范圍為0～100℃，工作電壓為4～30V，測(cè)量誤差為±1℃，最大線性誤差為±0.5℃。傳感器輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系，每升高1℃，則輸出電壓增加10mV。實(shí)際使用時(shí)，取工作電壓為5.0V，傳感器輸出接CC2530 P0.2端口[7]。上位機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)x與實(shí)際溫度y有線性關(guān)系，經(jīng)擬合分析得：y=0.140x+5.685。

2.2 濕度傳感器AM 1001

選用AM1001測(cè)量空氣濕度，該傳感器輸出模擬電壓信號(hào)，具有精度高、可靠性高、一致性好、帶有溫度補(bǔ)償、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、成本低等特點(diǎn)。工作電壓為4.75～5.25V，實(shí)際使用時(shí)，取工作電壓為5.0 V。測(cè)濕范圍為0～100%RH，電壓輸出為0～3.0V。傳感器輸出接CC2530 P0.3端口。上位機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)x與實(shí)際濕度y有線性關(guān)系，經(jīng)擬合分析得：y=0.054x-3.879。

2.3 土壤溫濕度傳感器SHT10

溫濕度傳感器SHT10輸出數(shù)字信號(hào)，內(nèi)部集成測(cè)濕元件、測(cè)溫元件、14位A/D轉(zhuǎn)換模塊以及串行接口電路。SHT10有4根連線，DATA引腳與CC2530 P0.1端口相連，確認(rèn)SCK引腳與CC2530 P1.7端口相連。

土壤溫濕度傳感器SHT10為已校準(zhǔn)數(shù)字量輸出的復(fù)合溫濕度傳感器，溫度測(cè)量準(zhǔn)確度為14 bit，濕度測(cè)量準(zhǔn)確度12bit。溫度傳感器輸出x與實(shí)際溫度y有線性關(guān)系：y=0.01x-39.66；濕度傳感器輸出x與相對(duì)濕度y有非線性關(guān)系：y=-2.8×10-6x2+ 0.0405x-0.4。

2.4 光強(qiáng)傳感器

采用硫化鎘光敏電阻φ5mm測(cè)量溫室光強(qiáng)。入射光增強(qiáng)，電阻減小；反之，電阻增大。將光敏電阻與1 kΩ電阻串聯(lián)，外加5.0V工作電壓，經(jīng)分壓后輸出接CC2530 P0.7端口。上位機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)x與實(shí)際光強(qiáng)y有非線性關(guān)系。經(jīng)擬合成分析，其二次函數(shù)為y=0.004x2-0.739x+84.21。

2.5 控制模塊

本系統(tǒng)采用下位機(jī)傳感器節(jié)點(diǎn)控制相應(yīng)調(diào)節(jié)設(shè)備。通過(guò)編寫(xiě)程序，設(shè)置測(cè)量參數(shù)上下限，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大小，改變CC2530的I/O口輸出電平高低，驅(qū)動(dòng)繼電器控制模塊（驅(qū)動(dòng)電路低電平有效）。

假設(shè)某植物適宜生長(zhǎng)參數(shù)范圍：土壤溫度為10～30℃，土壤濕度為17%～44%RH，空氣溫度為15～37℃，空氣濕度為40%～70%RH，光照為500～5000 Lux。表1給出植物生長(zhǎng)參數(shù)超出閾值時(shí)的原始值（即上位機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）和對(duì)應(yīng)CC2530 I/O口引腳狀態(tài)變化，狀態(tài)為“0”表示開(kāi)啟調(diào)節(jié)設(shè)備，狀態(tài)為“1”表示關(guān)閉調(diào)節(jié)設(shè)備。

3 系統(tǒng)調(diào)試

上位機(jī)監(jiān)控軟件使用ZigBemPC平臺(tái)，在Visual Studio 2008（VS2008）開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。在完成傳感器節(jié)點(diǎn)軟件、網(wǎng)關(guān)軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件調(diào)試后，并確認(rèn)已經(jīng)成功設(shè)置GPRS DTU和COMWAY虛擬串口，方可實(shí)施系統(tǒng)調(diào)試。依次將ZigBee網(wǎng)關(guān)、各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和GPRS DTU（SIM卡已插入）上電，組網(wǎng)成功后，遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控界面可顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、活動(dòng)節(jié)點(diǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參數(shù)超限報(bào)警和控制功能。根據(jù)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)置的閾值范圍，一旦有傳感器采集的數(shù)據(jù)超出報(bào)警上、下限，監(jiān)控界面右上角紅色報(bào)警指示燈將閃爍、計(jì)算機(jī)發(fā)出報(bào)警聲。正常時(shí)界面顯示數(shù)據(jù)均為“黑色”，有傳感器節(jié)點(diǎn)超限時(shí)，該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)立即變成“紅色”，顯示報(bào)警傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)和超出閾值的參數(shù)值（土壤溫濕度、空氣溫濕度和光照強(qiáng)度）。報(bào)警時(shí)，報(bào)警傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)的控制設(shè)備，及時(shí)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)附近環(huán)境參數(shù)以達(dá)到適宜植物生長(zhǎng)的正常狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了傳統(tǒng)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒扌裕辉谝粋€(gè)節(jié)點(diǎn)上集成土壤溫濕度、空氣溫濕度及光照強(qiáng)度多種傳感器和繼電器控制電路，充分利用CC2530模塊的資源，節(jié)省了硬件成本；選用GPRS DTU構(gòu)成ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)，采用COMWAY通信協(xié)議，設(shè)置虛擬串口，無(wú)需公網(wǎng)固定IP地址，也不必設(shè)置網(wǎng)絡(luò)端口映射和動(dòng)態(tài)域名，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與有效控制。系統(tǒng)經(jīng)組網(wǎng)測(cè)試，性能穩(wěn)定可靠，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]孫玉文，沈明霞，陸明州，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011（3）：639-644.

[2]陳輝.基于ZigBee與GPRS的溫室番茄遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[3]蔡利婷.基于ZigBee和GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]張青春，王偉庚，孫志勇.ZigBee技術(shù)在塔吊安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014（8）：615-2617.

[5]張青春.基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試，2013（4）：73-75.

[6]張青春.基于WSN和WSVR算法的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)[J].消防科學(xué)技術(shù)，2012（10）：1075-1077.

[7]張青春.基于CC2530農(nóng)作物生長(zhǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013（1）：44-47.

Design of greenhouse parameters remote monitoring system based on WSN and COMWAY protocol

ZHANG Qingchun，ZOU Shihang，WANG Yan
（Electronic and Electrical Engineering Faculty of Huaiyin Institute of Technology，Huaian 223003，China）

In view of the existing circumstances of traditional greenhouse parameters monitoring status，the WSN，GPRS technology and COMWAY communication protocol have been applied in the remote monitoring system of glass greenhouse parameters.The WSN nodes were designed to monitor and control the temperature and humidity of the soil and the air as well as the light intensity.Field monitoring data were uploaded to a remote computer to be displayed and processed in time through the WSN nodes，ZigBee-GPRS gateway and Internet network.The field regulating equipment was wirelessly docked with the remote computer through the COMWAY virtual serial port.The network debugging indicates that this system is reliable and stable with accurate measurement data，high cost performance and applicable value.

WSN；GPRS DTU；COMWAY protocol；greenhouse；remote monitoring

A文章編號(hào)：1674-5124（2015）06-0072-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.017

2014-10-15；

2014-12-09

江蘇省淮安市科技創(chuàng)新載體平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目（HAP201107）

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐計(jì)劃（201311049029）

張青春（1964-），男，教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能儀器設(shè)計(jì)與虛擬儀器技術(shù)等。