羅洋坤

摘要：針對手機終端對溫濕度進行遠程監(jiān)測成為一種趨勢，本研究通過4G網(wǎng)絡設計低成本和容易推廣使用的監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)選擇性實時監(jiān)測并降低監(jiān)測系統(tǒng)流量消耗。方案采用以采集子網(wǎng)為核心，內(nèi)部通過nRF24L01無線模塊通信，采集子網(wǎng)與手機終端通過4G路由器與OneNET服務器組網(wǎng)實現(xiàn)遠程通信。方案中使用了主動詢問和選擇傳輸?shù)姆椒?，?jīng)過測試，設定匯總節(jié)點每30秒主動獲取手機終端控制命令并進行選擇性傳輸，在采集子網(wǎng)數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)那闆r下，4G路由器24小時消耗流量在30-80 M之間，在手機端關閉監(jiān)測功能情況下，4G路由器24小時消耗的流量在3-10 M之間。實驗結果證明用戶通過該系統(tǒng)可以進行有選擇性的實時監(jiān)測，并有效降低了流量消耗。

關鍵詞：溫濕度；4G路由器；OneNET服務器；遠程監(jiān)測；選擇傳輸；流量消耗

0引言

實時溫濕度控制的應用比較廣泛，比如大棚、室內(nèi)等。溫濕是影響作物生長的關鍵因素，單一大棚內(nèi)溫度差異較小，而濕度在局部呈現(xiàn)較大差異。采用單一傳感器采集濕度數(shù)據(jù)難以準確反映實際情況，通過多節(jié)點采集可有效提高準確性，反映室內(nèi)整體和局部的濕度情況。溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計在為了降低監(jiān)測系統(tǒng)中傳感節(jié)點的能耗，提出了節(jié)點動態(tài)組包主動傳輸和多種環(huán)境變量加權控制傳輸機制，減少了大量重復冗余數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)利用3G/4G網(wǎng)絡具有無須布線、傳輸速度高、實時性好的優(yōu)點，采用4個子節(jié)點和1個匯總節(jié)點構建大棚溫濕度采集子網(wǎng)，采集子網(wǎng)內(nèi)部通過nRF24L01無線模塊實現(xiàn)短距離通信，匯總節(jié)點通過4G路由器與OneNET服務器實現(xiàn)遠程通信。在此基礎上進一步研究選擇性實時監(jiān)測并降低流量消耗的問題。

1網(wǎng)絡方案

控制網(wǎng)絡由采集子網(wǎng)、4G無線路由器、OneNET服務器組成。采集子網(wǎng)使用網(wǎng)線連接4G無線路由器，采集子網(wǎng)的匯總節(jié)點以客戶端模式通過TCP/IP方式主動連接OneNET服務器，用戶基于OneNET平臺設計手機APP應用軟件，登錄控制界面實現(xiàn)遠程監(jiān)測。為降低通信流量，在采集子網(wǎng)內(nèi)部對數(shù)據(jù)處理分析，傳輸處理后的數(shù)據(jù)。

1.1采集子網(wǎng)

匯總節(jié)點與子節(jié)點之間為星型結構，單個子節(jié)點與匯總節(jié)點建立短距離的無線連接。匯總節(jié)點負責接收4個子節(jié)點傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)，并進行存儲、處理和傳輸，子節(jié)點負責定時采集溫濕度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理后傳輸?shù)絽R總節(jié)點。采集子網(wǎng)控制電路板基于STM32F407VET6控制芯片進行設計。此外，匯總節(jié)點控制電路板集成了AT24C02存儲模塊，用于保存溫濕度數(shù)據(jù)，防止匯總節(jié)點重啟后溫濕度數(shù)據(jù)丟失。溫濕度傳感器選擇DHT11型，具有能耗低、性能穩(wěn)定、數(shù)字輸出全部校準的優(yōu)點。短距離無線收發(fā)模塊采用nRF24L01型，具有功耗低的優(yōu)點，有效通信距離可達100米，滿足單個大棚之內(nèi)的通信。嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡化需要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。匯總節(jié)點通過W5200網(wǎng)絡模塊與4G無線路由器連接實現(xiàn)網(wǎng)絡功能。

W5200芯片采用全硬件TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器，STM32F407VET6通過SP11接口與其通信。單個子節(jié)點有5個溫濕度傳感器，每10秒采集一次溫濕度，得到5個溫濕度值，在實際環(huán)境中，單個傳感器可能損壞或采集數(shù)據(jù)不成功，因此選擇5個溫濕度值的中值作為該子節(jié)點采集的溫濕度。子節(jié)點采集完成后通過nRF24L01無線收發(fā)模塊將溫濕度值傳送到匯總節(jié)點，匯總節(jié)點通過AT24C02模塊有序存儲4個子節(jié)點的溫濕度值。單個子節(jié)點對5個溫濕度值的處理過程：將5個溫度和濕度值分別通過冒泡法進行排序取中值。每一個單節(jié)點將溫度中值和濕度中值確定后傳輸?shù)絽R總節(jié)點。匯總節(jié)點對4個子節(jié)點溫濕度值的處理過程：將4個溫度值取平均值，將4個濕度值按照對應子節(jié)點序號存儲并求平均值。

1.2遠程網(wǎng)絡

4G路由器網(wǎng)絡協(xié)議是IEEE 802.11 b/g/n。在設計中安裝流量卡的4G路由器通過網(wǎng)線與W5200連接。匯總節(jié)點通過編程控制實現(xiàn)上網(wǎng)，其IP必須與4G無線路由器的網(wǎng)關IP屬于同一個子網(wǎng)。此外，控制終端的MAC地址不能設定為路由器自身MAC地址。本次實驗中匯總節(jié)點作為客戶端采用靜態(tài)IP方法連接網(wǎng)絡，網(wǎng)絡參數(shù)配置如表1所示，OneNET平臺配置相關參數(shù)如表2所示。

控制界面基于OneNET平臺進行設計，控制界面包括開關按鈕、平均溫度動態(tài)曲線圖、平均濕度動態(tài)曲線圖、子節(jié)點濕度動態(tài)曲線圖，控制界面如圖1所示。

根據(jù)實際情況，單個大棚內(nèi)溫度差異不大，空氣濕度差異較大，因此為減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，溫度數(shù)據(jù)只動態(tài)顯示平均值，濕度包括平均值和各個子節(jié)點數(shù)據(jù)的顯示，以把握整體和局部的濕度情況。溫濕度監(jiān)測總開關控制采集子網(wǎng)所有采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_啟和關閉，濕度平均值獨立開關控制匯總節(jié)點采集的4個子節(jié)點平均濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_啟和關閉，4個子節(jié)點開關控制4個子節(jié)點濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_啟和關閉。

2系統(tǒng)分析與測試

匯總節(jié)點定時主動詢問六個開關狀態(tài)，根據(jù)詢問結果上傳大棚溫濕度數(shù)據(jù)。通過在程序中設定檢測規(guī)則來實現(xiàn)降低流量消耗。在每一次的定時檢測中，首先，匯總節(jié)點檢測大棚溫濕度監(jiān)測總開關的狀態(tài)，如果是OFF則不進行對其他開關的檢測，也不用上傳溫濕度數(shù)據(jù)，這種情況下流量消耗最低，如果是ON則檢測溫濕度平均值獨立開關的狀態(tài)，如果是ON則只傳輸大棚溫度和濕度平均值，不再檢測四個子節(jié)點的開關狀態(tài)，也不上傳四個子節(jié)點的濕度數(shù)據(jù)，這種情況下流量消耗為中級，如果是OFF則上傳大棚的溫度和濕度平均值，并且需要檢測四個子節(jié)點的開關狀態(tài)，根據(jù)開關狀態(tài)傳輸子節(jié)點的濕度數(shù)據(jù)，這種情況下流量消耗最高，流量消耗等級表如表3所示。

為使系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作，增加了看門狗和網(wǎng)絡超時重啟程序，當網(wǎng)絡異常或死系統(tǒng)自動重啟。匯總節(jié)點每30秒定時去獲取控制界面監(jiān)測命令，并根據(jù)命令選擇性傳輸。經(jīng)實際測試，在采集數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)那闆r下，4G路由器24小時消耗流量30-80 M，在關閉子節(jié)點傳輸功能情況下，4G路由器24小時消耗流量15-40 M。實驗結果證明通過該選擇性實時監(jiān)測方法有效降低了流量消耗。

3結束語

本文研究并實現(xiàn)一種基于4G的大棚溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，用戶可通過手機選擇性實時遠程監(jiān)測，有效降低了監(jiān)測系統(tǒng)流量消耗，其搭建網(wǎng)絡和遠程控制方法對其他環(huán)境信息采集系統(tǒng)的設計也具有參考意義。此外，對子節(jié)點故障實時檢測和故障情況下的數(shù)據(jù)處理方法還需深入研究。endprint