李明達+諸德宏+冷果+薛夏+羅元秋+簡耀

摘要：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是當今的農(nóng)業(yè)發(fā)展熱點，借助物聯(lián)網(wǎng)來采集處理數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測上有很大的發(fā)展前景。針對當今對精準農(nóng)業(yè)的需求，通過ZigBee對農(nóng)田的光照、溫度和有害氣體數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和傳輸，在Labview中將參數(shù)信息傳輸?shù)街袊苿游锫?lián)網(wǎng)中，該系統(tǒng)在設施農(nóng)業(yè)中得以應用，可以有效地掌握農(nóng)田的環(huán)境信息，初步測試的結果驗證了此系統(tǒng)的可行性。

關鍵詞：移動物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境信息；ZigBee；Labview

中圖分類號：TP316.8 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）17-3334-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.17.037

Design of Remote Multi Parameter Real-Time Monitoring System for Biological Environmental Factors

LI Ming-da，ZHU De-hong，LENG Guo，XUE Xia，LUO Yuan-qiu，JIAN Yao

（Department of Electrical and Information Engineering of Jiangsu University，Zhenjiang 212000，Jiangsu，China）

Abstract： Modern agriculture is the focus of the development of agriculture，with the internet of things to collect and process data in the agricultural environment monitoring has great prospects for development. Aiming at the demand of precision agriculture，using ZigBee to monitor and transfer the data of the light，temperature and harmful gasses，transfering the parameter information to the onenet through Labview. The system can be applied in facility agriculture，it can effectively grasp the farmland environmental information，the preliminary test results show that the system is feasible.

Key words： onenet； environmental information； ZigBee； Labview

隨著科技的進步和人民生活水平的提高，發(fā)達國家對農(nóng)業(yè)的重視程度不斷提升，于20世紀90年代提出了精準農(nóng)業(yè)的概念。精準農(nóng)業(yè)的組成主要包括全球定位系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)田地理信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等[1]。所謂精準農(nóng)業(yè)是根據(jù)農(nóng)田作物的生長情況，通過一系列的傳感器和定位系統(tǒng)，監(jiān)測出農(nóng)田里的溫度、濕度、二氧化碳、有害氣體等環(huán)境信息，并根據(jù)所采集到的信息反饋給農(nóng)民，對一些情況進行對癥下藥，保證作物更好、更精確地生長。

中國農(nóng)村大部分都采用人工下地采集數(shù)據(jù)和有線的方式進行數(shù)據(jù)采集，這兩種采集方式既費時又費力，而且效果一般，所測出的數(shù)據(jù)不精確，還受到主觀因素的影響。運用無線物聯(lián)網(wǎng)的方式可以很好地處理這種問題并可為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供一條嶄新的道路。本研究基于中國移動物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)平臺設計出設施農(nóng)業(yè)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)人員在監(jiān)控室可以遠程監(jiān)測農(nóng)田中的溫度、濕度、光照和有害氣體等信息，滿足精準農(nóng)業(yè)的快速、準確、經(jīng)濟的基本要求。

1 系統(tǒng)的結構原理及體系框架

生物環(huán)境因子遠程多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層結構進行劃分，三層分別是感知層、網(wǎng)絡層和應用層[2]。感知層的主要作用是對各個節(jié)點的信息進行感知、處理和組網(wǎng)。網(wǎng)絡層的作用是將數(shù)據(jù)信息和控制信息在感知層與應用層之間相互傳遞，其構建起了網(wǎng)絡層與應用層之間溝通的橋梁。應用層的作用是將感知層所處理的數(shù)據(jù)進行分析，為用戶提供各種相關的服務[3]。

生物環(huán)境因子遠程多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能包括以下幾個方面：

1）利用ZigBee終端和傳感器對生物環(huán)境因子進行數(shù)據(jù)信息的采集。

2）通過節(jié)點將無線組網(wǎng)后所收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee的協(xié)調(diào)器并接收。

3）RS232串口將ZigBee終端的數(shù)據(jù)傳送到電腦上，通過Labview串口助手對數(shù)據(jù)進行顯示。

4）設計良好的人機交互頁面。

5）通過Labview的TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到中國移動物聯(lián)網(wǎng)平臺上。

6）設計中國移動物聯(lián)網(wǎng)平臺頁面，對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。

7）系統(tǒng)的維護與運行。

系統(tǒng)的體系結構如圖1所示。

該系統(tǒng)結構以物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡層和應用層三層結構為依據(jù)。在感知層中傳感器節(jié)點帶有溫度、濕度、光照和有害氣體等傳感器。ZigBee模塊的協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡，終端接入網(wǎng)絡，在終端中具有對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測和發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器的功能，協(xié)調(diào)器利用串口和USB線將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上。網(wǎng)絡層通過Labview的串口調(diào)試助手和TCP協(xié)議功能將數(shù)據(jù)傳到Onenet平臺，該層結構對串口進行監(jiān)聽并感知節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)并分析處理數(shù)據(jù)。同時根據(jù)終端的服務請求，對設備參數(shù)進行查詢和調(diào)控并反饋到監(jiān)測的終端。應用層部分在Onenet平臺進行應用，通過手機APP對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，方便、快捷、可移動且準確。數(shù)據(jù)通過曲線的形式進行表現(xiàn)，同時可以對之前的數(shù)據(jù)進行保存以備將來對數(shù)據(jù)進行分析。endprint

2 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)硬件包括對傳感器節(jié)點、ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點和太陽能供電模塊等的設計。設計網(wǎng)絡節(jié)點應該考慮可靠性、低功耗、穩(wěn)定性與優(yōu)良的射頻性等特點，以TI公司的ZigBee系列芯片CC2530為主核心板設計硬件平臺。系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

2.1 通信模塊的設計

系統(tǒng)通信模塊的核心采用TI公司的CC2530F256。該款芯片是一個高性能、低功耗的8051微控處理器內(nèi)核，具有16個傳輸信道，可根據(jù)環(huán)境切換到可靠的通信信道里，無線傳輸速度達250 kps，使用2.4 GHz全向天線，可靠傳輸速度距離達250 m，自動重連距離高達110 m，其接收電流小于30 mA，發(fā)射電流小于50 mA[4]。CC2530的通信模塊結構如圖3所示。對系統(tǒng)板施加5.0 V的直流電，通過電源芯片中的轉換電路將其變?yōu)?.3 V，電源電壓轉換后為Watch dog和CC2530芯片供電，P2.1和P2.2口為芯片的在線調(diào)試口。

2.2 傳感器模塊設計

在ZigBee的終端上搭載多個傳感器，實現(xiàn)對農(nóng)田土壤周圍的溫度、光照和有害氣體等環(huán)境信息進行監(jiān)測。對溫度和濕度信息采集運用的是具有校準數(shù)字信號輸出功能的復合傳感器-DHT11。濕度的測量范圍20%～90% RH，溫度測量范圍0～50 ℃。測量的供電電流0.5～2.5 mA，平均值為0.2～1.0 mA。溫濕度的輸出分辨率均為16位[5]，利用模數(shù)轉換電路將模擬量轉化為數(shù)字量，實現(xiàn)對溫濕度信息的監(jiān)測。

對光照信息變換情況的采集采用的是光敏傳感器，其本質(zhì)是一個霍爾元件[6]，只需讀取與之相連的I/O電平，來判斷當前的環(huán)境是亮還是暗，當用戶遠在外地由于區(qū)域不同采光情況也會有所不同，通過所收集到的信息，來判斷是否需要對農(nóng)田施加光照。

監(jiān)測有害氣體所采用的是具有較寬濃度范圍的MQ2傳感器。其回路電壓小于24 V，加熱電壓4.8～5.2 V，加熱功耗小于900 mW[7]。其工作時氧氣濃度約為21%，靈敏度特性由周圍的氧氣濃度決定。該傳感器用于監(jiān)測周圍丙烷、丁烷和氫氣等易燃氣體，當出現(xiàn)此類氣體時，系統(tǒng)提供警報并定位到該區(qū)域，對該區(qū)域噴二氧化碳氣體，實現(xiàn)保護農(nóng)田的作用。

2.3 太陽能供電模塊

由于在農(nóng)田里的氣候和傳感器電壓等因素不能保證電池組長期供電，需要太陽能模塊來保證系統(tǒng)的長期運行。電池和光伏組件通過AD采樣與微處理器相連，用于監(jiān)測電池的實時電壓。兩塊鋰電池用于儲能模塊，當陽光充足時，太陽能接收陽光并充電，通過比較信號為欠壓的鋰電池充電，將比較信號通過處理器并驅(qū)動另一塊鋰電池為系統(tǒng)版提供5.0、3.3 V的電壓，太陽能供電模塊結構如圖4所示。

3 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件包括ZigBee協(xié)議棧、傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、基于Labview的串口通信與發(fā)送模塊和中國移動物聯(lián)網(wǎng)（ONENET）監(jiān)測平臺的設計。系統(tǒng)采用的是ZigBee協(xié)議棧進行連接，包含3個模塊。

3.1 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點

系統(tǒng)主要采用的是星型網(wǎng)絡拓撲結構，即一個主協(xié)調(diào)器對應多個精簡功能設備（RFD）結構，各個RFD結構相互之間無法進行相互通信，只有通過主協(xié)調(diào)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送[8，9]。系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器與終端的程序流程如圖5所示。對定時器進行中斷，使傳感器節(jié)點每隔一段時間采集光照、溫度、濕度和有害氣體傳感器的信息并發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS232串口和Labview將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上。

3.2 基于Labview的串口通信與發(fā)送模塊

串口RS232通過接地，利用發(fā)送和接收數(shù)據(jù)與Labview進行通信。串口的PIN2為RXD，即串口數(shù)據(jù)的輸入端；PIN3為TXD，即串口數(shù)據(jù)的輸出端；PIN5為接地。對于單一的串口PIN2與PIN3互聯(lián)即可進行自發(fā)送與自接收。串口在通信時需要對每秒的位數(shù)、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位和流控制進行設置，通信雙方設置必須相同否則無法進行通信[10]，串口操作需要進行串口參數(shù)的配置，發(fā)送或接受數(shù)據(jù)和關閉串口3個基本過程，進行通信還需要VISA寫入函數(shù)、VISA讀取函數(shù)和對VISA串口字節(jié)數(shù)屬性的設置。VISA設置I/O緩沖區(qū)函數(shù)和VISA關閉函數(shù)，數(shù)據(jù)字符串通過VISA讀取函數(shù)的緩沖區(qū)進入所編寫的基于ONENENT平臺的TCP模塊，對字符串進行有效地分離，將數(shù)據(jù)分為4個通道，分別為溫度信息、濕度信息、光照信息和有害氣體信息，通過固定TCP協(xié)議發(fā)送到中國移動物聯(lián)網(wǎng)（ONENET）平臺上。圖6為基于Labview的串口通信與發(fā)送流程。

3.3 中國移動物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺（ONENET）的設計

中國移動物聯(lián)網(wǎng)可以對傳感網(wǎng)進行感知，在通信網(wǎng)進行傳輸并處理，在智能電網(wǎng)、遠程健康保險、環(huán)境監(jiān)測和智能交通上都可以有很好的應用。在ONENET的開發(fā)者中心對模板進行定義，在傳感數(shù)據(jù)模板進行平臺之間的數(shù)據(jù)交互并對所上傳的數(shù)據(jù)進行屬性的定義。將定義后的結果進行SDK生成以便設備后續(xù)的開發(fā)調(diào)試及應用。

4 系統(tǒng)的測試與結果

通過燈的變化來顯示有無光照和有害氣體，通過表盤可以讀出溫度和濕度，通過曲線的變化對環(huán)境進行分析，觀察溫度和濕度的波動情況（圖7）。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時通過數(shù)據(jù)的變化來驗證系統(tǒng)的可靠性并對作物的生長環(huán)境條件進行評估，以便在突發(fā)情況下采取應對措施。

5 結語

智能化的數(shù)字時代，農(nóng)業(yè)也越來越朝著智能化的方向進行發(fā)展，其中環(huán)境因素對設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著至關重要的作用，將設施農(nóng)業(yè)引入物聯(lián)網(wǎng)使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐漸走上智能化、網(wǎng)絡化和自動化，本系統(tǒng)可以采集到多個傳感器的數(shù)據(jù)，通過ZigBee模塊進行無線傳輸，可以對農(nóng)田周圍的生物環(huán)境因子進行監(jiān)測，同時將數(shù)據(jù)傳送到中國移動物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺上可以節(jié)省開發(fā)手機軟件和物聯(lián)網(wǎng)平臺的構建，實現(xiàn)多參數(shù)的監(jiān)測，而非傳統(tǒng)的單參數(shù)，通過手機和電腦訪問該網(wǎng)站可以顯示，可以實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實時和異地的監(jiān)測。該系統(tǒng)組建簡單、靈活。經(jīng)驗證該系統(tǒng)可靠、準確和穩(wěn)定，太陽能供電可以保證系統(tǒng)長期有效地運行，并具有節(jié)能環(huán)保和無需拉線過長的優(yōu)點。然而在此系統(tǒng)中還有許多問題需要解決，在接下來的工作中著重研究系統(tǒng)的安全性、可控性和反饋自調(diào)整功能。

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