陳 誠，李必軍，張永博

(武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢 430079)

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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)設(shè)計

陳 誠，李必軍，張永博

(武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢 430079)

摘要設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能網(wǎng)關(guān)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PIC18F87K90微控制器作為采集控制中心，結(jié)合溫濕度、照度、二氧化碳等環(huán)境信息采集模塊及無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊組成整套系統(tǒng)，實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)信息的采集、存儲、顯示及監(jiān)測等功能，適用于農(nóng)田、冷鏈車和冷庫等典型環(huán)境。

關(guān)鍵詞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)業(yè)信息；數(shù)據(jù)采集；實時監(jiān)測

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化是全世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢，是科技發(fā)展的必然結(jié)果。我國的農(nóng)業(yè)問題非常嚴(yán)峻，隨著城市化的發(fā)展，環(huán)境污染加劇，可耕地面積不斷減少，可用勞動力也在不斷減少，如何利用有限的土地和有限的人力保證食品安全和食品供應(yīng)是一個亟待解決的問題。一直以來，政府非常重視“三農(nóng)”問題，多次強調(diào)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要性，提出農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是解決“三農(nóng)”問題的重要途徑，其中農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化提供了可能。我國“十三五”規(guī)劃中提出“推薦農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和信息化。健全從農(nóng)田到餐桌的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全全過程監(jiān)管體系、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新推廣體系、農(nóng)業(yè)社會化服務(wù)體系”，這為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化給予了堅實的政策支持。農(nóng)業(yè)信息化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的采集，一方面是“源”——農(nóng)田信息的數(shù)據(jù)，另一方面是“途”——農(nóng)產(chǎn)品在運輸和存儲中的數(shù)據(jù)，做好這兩方面數(shù)據(jù)的采集，才能完成農(nóng)產(chǎn)品全過程的監(jiān)控和管理。現(xiàn)有的信息數(shù)據(jù)采集方法大多基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在觀測環(huán)境內(nèi)的微型傳感器以無線通信方式形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，憑借其低功耗、低成本、可靠性高等特點，規(guī)避了傳統(tǒng)的有源采集技術(shù)所帶來的成本高、布局困難、不靈活、維護困難等弊端，將逐步滲透到農(nóng)產(chǎn)品冷鏈環(huán)境信息監(jiān)測及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域[1-4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以采集所在空間的環(huán)境信息，傳輸給相應(yīng)的主節(jié)點或網(wǎng)關(guān)，再上傳到服務(wù)器，整個架構(gòu)是可擴展、可快速移植、自我修復(fù)能力強。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心在于其組網(wǎng)技術(shù)，如WiFi、藍(lán)牙、RFID、ZigBee。齊林等[5]設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)品冷鏈物流實時監(jiān)測系統(tǒng)，用于降低水產(chǎn)品物流損耗、提高水產(chǎn)品冷鏈物流信息化程度。賈科進等[6]設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的冷鏈運輸遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的無線采集節(jié)點，系統(tǒng)具有功耗低、組網(wǎng)迅速等特點。李莉等[7]設(shè)計了基于藍(lán)牙的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由無線傳感器、采集模塊和監(jiān)控模塊組成。謝潔銳等[8]設(shè)計了基于無線傳感器和FRID的農(nóng)產(chǎn)品全程監(jiān)控平臺，將無線傳感器與FRID結(jié)合在一起，完成了對農(nóng)產(chǎn)品的有效監(jiān)控，確保農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。郭家等[9]設(shè)計了一套基于ZigBee的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由ARM、Linux模塊、ZigBee無線傳感器組成。王翥等[10]基于ZigBee和GPRS設(shè)計了一套遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)方案，可以實時檢測水質(zhì)參數(shù)，為養(yǎng)殖方案提供依據(jù)。筆者設(shè)計并開發(fā)了一種新型農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)備能實時采集當(dāng)前環(huán)境溫濕度、二氧化碳和光照數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)實時查看現(xiàn)場環(huán)境信息和預(yù)警信息。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、集成了溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器的標(biāo)簽組成。PIC18F87K90微控制器是標(biāo)簽的控制中心，負(fù)責(zé)把各個傳感器模塊的數(shù)據(jù)按照自定義的數(shù)據(jù)幀格式打包，通過無線串口數(shù)據(jù)模塊發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過WiFi或者GPRS將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1　The overall structure of agricultural information collection system based on wireless sensor network

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1無線傳感器標(biāo)簽一般的環(huán)境傳感器功能較為單一，通常只能采集某一種類型的環(huán)境信息，無線傳感器標(biāo)簽同時能采集溫度、濕度、光照以及二氧化碳數(shù)據(jù)，滿足了多樣化采集的需求，同時在功耗和體積上做到很好的控制，標(biāo)簽外觀如圖2所示，標(biāo)簽內(nèi)部架構(gòu)如圖3所示。

圖2　無線傳感器標(biāo)簽Fig.2　Label of wireless sensor network

圖3　無線傳感器標(biāo)簽內(nèi)部構(gòu)造Fig.3　Inner structure of label of wireless sensor network

2.1.1微控制器。 標(biāo)簽的微控制器采用美國微芯科技公司的PIC18F87K90單片機。該單片機帶LCD驅(qū)動器并采用nanoWattXLP技術(shù)，保證了穩(wěn)定性和低功耗，滿足硬件系統(tǒng)的要求。在參數(shù)上，PIC18F87K90的最高速度可以達(dá)到64 MHz，同時有高達(dá)128 kb的片上閃存程序存儲器、1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM、4K的通用寄存器、最多24路通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器和2個增強型可尋址USART模塊。該微控制器作為傳感器標(biāo)簽的核心，負(fù)責(zé)各個傳感器模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊的采集、處理和通信。

2.1.2無線串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該系統(tǒng)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)模塊采用POP2038作為無線串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，模塊與系統(tǒng)的連接方式如表1所示。該模塊采用抗干擾性強的GFSK的調(diào)制解調(diào)方式，視距可靠傳輸距離300～1 600 m，支持多種速率包括1 200/2 400/4 800/9 600/19 200/38 400/57 600 bps，載頻433 MHZ，提供8個信道，另外收發(fā)一體，數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換自動完成，轉(zhuǎn)換時間短，平常處于接收狀態(tài)，只要往模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，立刻轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后自動轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。

2.1.3溫濕度傳感器。 標(biāo)簽的溫濕度傳感器采用業(yè)界比較知名的SHT10，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該傳感器由瑞士公司Sensirion生產(chǎn)，含有經(jīng)過校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度混合傳感器，即輸出溫度信息也輸出濕度信息，在制作工藝上采用CMOsens，保證了傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。SHIT10溫濕度傳感器包括1個電容性聚合體測濕元件、1個測溫元件，并與1個14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。兩線制串行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。這樣的設(shè)計保證數(shù)字信號輸出接口簡單，方便開發(fā)。該傳感器在25 ℃時的測溫精度為±0.5 ℃，測濕精度為±4.5%RH?？傊?，該傳感器具有響應(yīng)快、抗干擾強、性價比高等優(yōu)點，滿足硬件系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖4　溫濕度傳感器Fig.4　Sensor of temperature and humidity

2.1.4光照度傳感器。標(biāo)簽的光照度傳感器采ROHM公司的BH1710FVC照度傳感器，其結(jié)構(gòu)見圖5。該傳感器為16為串行數(shù)字輸出型環(huán)境光傳感器，采用總線接口，支持1.8 V邏輯輸入接口，這種設(shè)計使得與單片機系統(tǒng)的通信非常便捷。該照度傳感器的測量范圍很廣，達(dá)到1～65 535 lx，靈敏度已經(jīng)與人類視覺相差無幾。另外支持低功耗工作狀態(tài)，保證標(biāo)簽的續(xù)航。

圖5　光照度傳感器Fig.5　Sensor of light illumination

2.1.5二氧化碳傳感器。 標(biāo)簽的二氧化碳傳感器采用IRM202(圖6)。該傳感器采用NDIR 紅外吸收檢測原理，將專利光路、精密電路與智能化軟件相結(jié)合，形成一款通用型紅外二氧化碳傳感器模組。IRM202 采用單光源、雙通道探測器，實現(xiàn)了空間上雙光路參比補償，微處理器進行信號采集、處理和輸出，實現(xiàn)環(huán)境溫度補償，修正了原理上非線性關(guān)系，并具有多種輸出形式。同時本產(chǎn)品具有NDIR特有的良好選擇性，高靈敏度，無氧氣依賴性，壽命長等特點之外，還具有結(jié)構(gòu)尺寸小、輸出功能豐富等特點。該傳感器的測量精度為50 μL/L+5%FSO，滿足該硬件系統(tǒng)的設(shè)計要求。

圖6　二氧化碳傳感器外觀Fig.6　Appearance of carbon dioxide sensor

2.2網(wǎng)關(guān)該系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)以全工業(yè)級產(chǎn)品設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)，配備低功耗好性能微控制器，以及GPRS和WiFi 2種上傳接口，可接收無線傳感器標(biāo)簽上傳的檢測數(shù)據(jù)，并將遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)實時發(fā)送至無線傳感器標(biāo)簽，從而實現(xiàn)該系統(tǒng)中監(jiān)控終端與服務(wù)平臺之間的可靠實時雙向數(shù)據(jù)交換。同時網(wǎng)關(guān)還配置了電源，在斷電的情況下還可以正常工作，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。網(wǎng)關(guān)采用的GPRS模塊來自于宏電公司開發(fā)的H7710 GPRS DTU，具備RS232/422/485或TTL電平接口，具有高性能、高穩(wěn)定性、工業(yè)級和外置式等特點，滿足該系統(tǒng)的要求。網(wǎng)關(guān)外觀如圖7所示。

圖7　DTU和網(wǎng)關(guān)Fig.7　DTU and gateway

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1下位機軟件設(shè)計 系統(tǒng)下位機主要程序包括溫濕度轉(zhuǎn)換子程序、光照度轉(zhuǎn)換子程序、二氧化碳轉(zhuǎn)換子程序，數(shù)據(jù)處理子程序，串口發(fā)送子程序，網(wǎng)絡(luò)傳輸子程序。發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔可以通過指令設(shè)置，采用自定義數(shù)據(jù)幀格式，每幀以0x23開始，以校驗和結(jié)束。數(shù)據(jù)幀格式見表1。

整套系統(tǒng)的主程序流程見圖8。在標(biāo)簽通電啟動后，傳感器、串口、EEPROM和電池電量檢測AD初始化，之后傳感器按照設(shè)定的采樣頻率采集數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送給微控制器，然后微控制器按照自定義的數(shù)據(jù)幀格式進行打包，再把數(shù)據(jù)幀通過無線串口數(shù)據(jù)模塊廣播出去。網(wǎng)關(guān)通電啟動后，各個模塊自檢，默認(rèn)GPRS模式，檢查SIM卡是否存在，注冊網(wǎng)絡(luò)，如果切換到WiFi模式則加入配置的網(wǎng)絡(luò)，同時通過無線傳感器模塊接收廣播的數(shù)據(jù)，再通過WiFi或者GPRS傳輸給服務(wù)器。

表1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀格式

Table 1Data frame format of agricultural information collection system based on wireless sensor network

數(shù)據(jù)幀Dataframe內(nèi)容Content字段Field字段解釋Fieldinterpretation0包頭HEAD數(shù)據(jù)幀長度,固定為0x231包長LEN數(shù)據(jù)幀長度,包括WID+BID+CMD+Parameter,Len≥12網(wǎng)關(guān)WID網(wǎng)關(guān)ID3～4標(biāo)簽BID標(biāo)簽ID,低字節(jié)在前高字節(jié)在后,從“01”開始定義5命令CMD命令號6～N-1參數(shù)PAR命令參數(shù),包含傳感器類型和傳感器數(shù)值N檢校CS包含網(wǎng)關(guān)、標(biāo)簽、命令和參數(shù)的校驗和CheckSum=0x100-((Byte2+Byte3+…BYTEn-1)&0x00FF)以標(biāo)簽數(shù)據(jù)上傳指令為例:23LenWIDBIDLBIDH01TypedataLdataHCS

圖8　基于無線傳感器的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)主程序流程Fig.8　Main program flow of agricultural information collection system based on wireless sensor network

3.2上位機軟件設(shè)計 上位機接收存儲軟件是以C#編寫的控制臺程序，數(shù)據(jù)存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫中，在Web網(wǎng)站上通過圖表展示。通過控制器將采集上來的傳感器數(shù)據(jù)按照自定義的數(shù)據(jù)幀格式進行打包，經(jīng)過無線串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)以透傳的方式經(jīng)DTU或者WiFi上傳給服務(wù)器，服務(wù)器上的控制臺程序接收數(shù)據(jù)、解碼并存儲在數(shù)據(jù)庫中，Web網(wǎng)站從數(shù)據(jù)庫里獲取傳感器數(shù)據(jù)并通過圖表的形式展示出數(shù)據(jù)的變化。上位機的顯示主界面見圖9。

4系統(tǒng)性能測試

為了測定系統(tǒng)的性能，將無線傳感器標(biāo)簽放在常溫冷庫里，標(biāo)簽采集溫度、濕度、二氧化碳和光照數(shù)據(jù)后，每1 min發(fā)送一次，連續(xù)監(jiān)測3 h。網(wǎng)關(guān)距離無線傳感器標(biāo)簽30 m，將接收到的數(shù)據(jù)通過WiFi傳送到服務(wù)器中。此次試驗繪制的溫度、濕度、二氧化碳和光亮度數(shù)據(jù)曲線見圖10。

試驗數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)在監(jiān)測的3 h內(nèi)，無線傳感器標(biāo)簽發(fā)送溫度、濕度、二氧化碳和光亮度數(shù)據(jù)各180組，服務(wù)器均已經(jīng)收到，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。同時從圖中可以看出，傳感器采集的數(shù)據(jù)在精度允許范圍內(nèi)波動，且波動小，穩(wěn)定性好。

圖9　傳感器數(shù)據(jù)Web端展示界面Fig.9　Sensor data Web display interface

圖10　系統(tǒng)穩(wěn)定性測試Fig.10　System stability test

5結(jié)論

該研究介紹了由服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、無線傳感器標(biāo)簽組成的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可采集溫濕度、二氧化碳、光照度，并可遠(yuǎn)程控制采集頻率、查看標(biāo)簽及網(wǎng)關(guān)電量狀況，在斷電情況下可以保證一段時間的穩(wěn)定運行，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)查看到相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)和預(yù)警信息。同時，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進行了驗證，結(jié)果表明，整個系統(tǒng)可靠性較高，采集精度高，可擴展性好，有較大的實用價值和推廣價值。

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The Design of Agricultural Information Data Acquisition System Based on Wireless Sensor Network

CHEN Cheng, LI Bi-jun, ZHANG Yong-bo

(State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430079)

AbstractAn agricultural information collection system based on wireless sensor network and intelligent gateway was designed. This system utilizes PIC18F87K90 microcontroller as the collection control center and achieves functions like agricultural information collection, storage, display and monitor through an integral system such as environment information collection module regarding temperature, illumination, carbon dioxide, etc., and wireless data transceiver module. This system is suitable for farmland, cold chain car, refrigeration house and other relevant environments.

Key wordsWireless sensor network; Agricultural information; Data acquisition; Real-time monitoring

基金項目國家“863”計劃資助項目(2012AA101701)。

作者簡介陳誠(1991- )，男，湖北公安人，碩士研究生，研究方向：冷鏈物流和3S技術(shù)。

收稿日期2016-03-02

中圖分類號S 126

文獻標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-242-04