張健+阮海清

摘 要：為了準確檢測園藝植物的環(huán)境和生理數據，使對園藝植物的管理變得簡單和智能化，文中設計了基于無線傳感器和3G網絡的檢測系統，以將采集的數據傳輸到遠程PC端提供決策支持。該系統包括傳感器節(jié)點、WSN、嵌入式網關、PC端界面，并初步實驗證明了該系統的合理性與可靠性。

關鍵詞：園藝植物；物聯網；3G；PC端

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

將農業(yè)物聯網應用于花卉生長中，能及時獲取植物的生長環(huán)境和各種生理指標[1]。通過集成各種傳感器，可以探測包括溫濕度、光照度、二氧化碳濃度、土壤pH值等農田信息[2]。而用植株莖干直徑變化法來衡量作物的生理情況，具有簡單易行、對植株不具有破壞性、可持續(xù)檢測和自動積累的特點[3]。

本文實現了一種集溫濕度、二氧化碳濃度、植物莖干直徑檢測于一體的植物生理檢測系統。該系統能將檢測到的數據信息通過無線傳感器網絡和3G網絡傳輸到遠端的PC機，給管理者提供決策支持。

1 系統硬件設計

1.1 系統結構

本系統由數據采集模塊（傳感器節(jié)點）采集環(huán)境和植物生理信息，通過ZigBee協議構建無線傳感器網絡將數據送到協調器節(jié)點，協調器節(jié)點通過串口將數據送給嵌入式平臺，再由3G網絡傳輸到位于遠端的PC平臺供管理者決策使用。本系統的系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 各模塊簡介

數據采集模塊由莖干直徑探測器、溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器等采集作物生長信息。莖干直徑探測器由可變差動放大器（LVDT）和控制電路構成。LVDT是把被測位移量變換為電信號的傳感器[4]。將其固定在被測植株莖干部位，通過與CC2530連接自動記錄植株莖干直徑微變化[3]。安裝后能在不影響作物生長的情況下持續(xù)測量作物莖干直徑變化。CO2濃度傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理測量空氣中的CO2濃度，有很好的選擇性，無氧氣依賴性。

圖2所示為傳感器與CC2530的接口電路原理圖。溫濕度傳感器SHT10通過I2C接口連接到CC2530的P1_2、P1_3引腳，CO2傳感器和LVDT連接到CC2530的串行口P0_2、P0_3引腳。

無線傳感器由傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點構成，本文采用星型網絡拓撲結構和ZigBee2007協議棧。傳感器把采集到的數據傳送到匯聚節(jié)點進行簡單的數據融合后，再通過串口傳輸到嵌入式平臺。

嵌入式平臺主要用于通過串口接收傳感器網絡傳送的數據，能夠顯示植物生長環(huán)境和生理數據，實現對數據的檢測。接受遠端計算機對數據的請求，通過3G網絡向遠程的PC端發(fā)送傳感器數據。

PC端是一個位于遠端的主機，通過3G網絡向嵌入式平臺發(fā)出數據請求，獲取植物的生理參數及環(huán)境信息，對接收到的信息進行處理，提交給控制中心進行后續(xù)的控制動作。PC端包括了PC機、3G模塊以及人機交互界面。

2 系統軟件設計

設計并實現植物生理檢測系統軟件時，應重點解決三點關鍵技術：無線傳感器網絡程序、嵌入式平臺軟件、PC端軟件。

2.1 無線傳感器網絡程序

本系統采用基于ZigBee協議組建無線傳感網，在實現上除了硬件環(huán)境外，還需要合理的軟件設計，以保證系統長久穩(wěn)定可靠的運行[5]。協調器初始化并建立起網絡后，等待其他設備加入網絡，隨后傳感器節(jié)點初始化，并申請加入到先前建立的無線網絡中。當傳感器節(jié)點與協調器完成綁定成功組網后，設備運行維護狀態(tài)，傳感器節(jié)點每隔3秒采集和發(fā)送數據信息。協調器執(zhí)行輪詢循環(huán)程序，并通過終端處理來接受其他設備發(fā)來的信息。圖3所示是協調器與傳感器的工作流程圖。

系統中的無線傳感器網絡程序設計包括傳感器節(jié)點驅動和協調器程序。傳感器節(jié)點中傳感器采集到數據后通過UART或者I2C總線發(fā)送給CC2530單片機。單片機復位后完成節(jié)點初始化及數據端口驅動后，立即搜尋、發(fā)現并加入ZigBee網絡，當協調器允許其加入后，即建立綁定關系，然后進入“睡眠-喚醒采集數據-睡眠”的低功耗模式。

協調器復位完成初始化工作后，建立具有唯一網絡標識的ZigBee網絡并進入監(jiān)控模式，當有傳感器節(jié)點申請加入時，允許綁定并對該節(jié)點發(fā)送相應并分配16位短地址；當有數據傳輸時，接收處理數據并發(fā)送給嵌入式平臺。

圖3 協調器與傳感器工作流程

2.2 嵌入式平臺軟件設計

嵌入式平臺可起到網關和數據處理的作用。它通過串口接收協調器傳送過來的數據信息，在對信息進行加工處理后通過GPRS網絡傳輸給遠端的PC機。本部分主要包括傳感器數據采集端口驅動、3G模塊數據端口的驅動和數據庫。串口讀寫操作使用Linux底層串口操作，使用非阻塞方式讀寫串口，所有程序采用Qt在Linux環(huán)境下編寫。

數據采集端口驅動負責接收協調器發(fā)送過來的數據，并采用輪詢的方式讀取串口數據，在傳感器數據正常情況下，每隔3 s上報一次，環(huán)境參數變化過快時，每隔1 s上報一次數據，系統中采用多線程循環(huán)讀取并解析傳感器數據。

3G模塊數據端口驅動負責3G模塊之間的短信通信，采用多線程循環(huán)讀取短信數據，并對其進行解析處理。短信讀取時，通過串口使用AT指令給3G模塊數據串口（ttyUSB0）發(fā)送讀寫短信的指令。關鍵代碼如下：

void com_msg（int fd，char *number， char *text）

{

char ctl[]={26，0}；

com_writecmd（fd，"AT"， strlen（"AT"））；

com_writecmd（fd， "ATE1"， strlen（"ATE1"））；

com_writecmd（fd， "AT+CMGF=1"， strlen（"AT+CMGF=1"））；

com_write（fd， "AT+CMGS="， strlen（"AT+CMGS="））；

com_write（fd， "＼""， strlen（"＼""））；

com_write（fd， number， strlen（number））；

com_write（fd， "＼""， strlen（"＼""））；

com_write（fd ，"＼r"， strlen（"＼r"））；

usleep（10000）；

com_write（fd， text， strlen（text））；

com_write（fd， ctl， 1）； //“CTRL+Z”的ASCII碼

usleep（300000）；

}

本系統使用進程內數據庫SQLite，該數據庫小巧靈活，無須額外安裝配置且支持大部分ANSISQL92標準，而且編程簡單。SQLite數據庫支持大部分基本SQL操作，如SELECT、INSERT、DELETE等。下面為插入的操作代碼：

if（dbData.open（））//插入數據

{

QSqlQuery query（dbData）；

query.prepare（"INSERT INTO tableData "

"VALUES （？，？，？，？，？）"）；

query.bindValue（0，QDate：：currentDate（）.toString（"yyyy-MM-dd"） + " " +QTime：：currentTime（）.toString（"hh：mm：ss"））；

query.bindValue（1，QString：：number（sendData->ppm））； query.bindValue（2，QString：：number（（sendData->temp1+sendData->temp2）/2））； query.bindValue（3，QString：：number（（sendData->humi1+sendData->humi2）/2））；

query.bindValue（4，QString：：number（sendData->shift））；

query.exec（）；

}

2.3 PC端軟件設計

PC端是位于遠端的主機，可通過3G網絡對嵌入式平臺進行數據請求和操作，以獲取熱帶花卉作物生理參數及環(huán)境信息，實時操控數據接收頻率，對于接收到信息的處理，完成對于花卉作物的生理監(jiān)測，系統運行于Linux系統下，采用Qt編程。

PC端程序主要包括3G模塊數據端驅動、短信讀寫、數據庫操作等。串口讀寫操作封裝為串口操作類Win_QextSerialPort，并能完成串口打開、關閉、讀寫等操作。

3 實驗結果及分析

在IAR Embeded Workbench IDE下，打開f8wConfig.cfg文件，配置好CHANNEL和網絡PANID，編譯生成傳感器節(jié)點和協調器節(jié)點的Hex文件，分別燒入對應節(jié)點的CC2530。

在嵌入式平臺移植Linux操作系統，搭建Qt運行環(huán)境，下載嵌入式平臺軟件并設置好運行環(huán)境。重啟系統后，WSN自動組網，主動上報傳感器數據。PC端在windows XP環(huán)境下安裝PC端軟件。

測試時，在被測植物附近安裝檢測平臺，在作物莖干部位安裝LVDT，嵌入式平臺距PC端約1.5千米。圖4是PC端的測試結果。

上述測試結果表明，本系統能正確地檢測出植物的生長環(huán)境及生理數據，并通過3G網絡可靠的傳送到遠端的PC機，給觀賞園藝植物的栽培管理決策提供數據支持。

圖4 PC端讀出數據

4 結 語

將物聯網運用到園藝植物養(yǎng)護上，可解決很多植物愛護者的困境。通過檢測系統實時了解植物當前的生長環(huán)境和生理指標，從而為正確決策提供數據支持。本系統采用3G無線通信，便于安裝和控制，在加入控制器后，就能適用于規(guī)?；N植和家庭智能養(yǎng)護使用。

當LVDT測量莖干直徑時，會對莖干具有一定的壓迫性，尤其是應用于比較嬌嫩的花卉植物時尤其明顯，下一步的研究是用機器視覺取代LVDT。

參考文獻

[1] 賴望峰.農作物聯網在現代花卉生產中的作用[J].中國花卉園藝，2010（20）：28-29.

[2] 孫玉文.基于無線傳感器網絡的農田環(huán)境檢測系統研究與實現[D].南京：南京農業(yè)大學，2013.

[3] 高峰，俞立，張文安，等.基于莖直徑變化的無線傳感器網絡作物精量灌溉系統[J].農業(yè)工程學報，2008，24（11）：7-12.

[4] 李雪寶，許駿，宋騰飛，等.基于數字位移傳感器的位移測量系統[J].現代電子技術，2010，33（5）：95-97.

[5] 胡培金，江挺，趙燕東.基于zigbee無線網絡的土壤墑情監(jiān)控系統[J].農業(yè)工程學報，2011，27（4）：230-234.