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(亳州職業(yè)技術學院a.信息工程系;b.智能工程系,安徽 亳州 236800)

0 引 言

良好的生長環(huán)境是保證中藥材質(zhì)量的必要條件，目前對中藥材的生長環(huán)境信息的采集一是靠人為經(jīng)驗判斷，存在費時費力、數(shù)據(jù)不精確等缺點；二是采用有線的采集設施，存在布線安裝困難、擴展性差、維護成本高等問題[1]，不利于廣泛推廣。作為新一代信息技術，物聯(lián)網(wǎng)為中藥材生長環(huán)境信息采集的獲取提供了一個嶄新的思路。很多學者已開展物聯(lián)網(wǎng)在中藥材領域應用的相關研究工作，文獻[2]研究了基于北斗和物聯(lián)網(wǎng)的中藥材種植監(jiān)測平臺；文獻[3]利用RFID與WSN技術對中藥材溯源開展研究；文獻[4]利用物聯(lián)網(wǎng)防碰撞技術對中藥溯源進行研究；文獻[5]運用RFID技術實現(xiàn)道地中藥材質(zhì)量監(jiān)控和溯源；文獻[6]利用物聯(lián)網(wǎng)構建了甘肅平?jīng)鲋兴幉男畔⒒ㄔO模型；文獻[7]設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的貴州苗藥交易云平臺。上述研究主要體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術在中藥材溯源和信息化方面的研究, 有關中藥材生長環(huán)境數(shù)據(jù)采集方面的研究還比較少。為了實時掌握中藥材生長環(huán)境信息，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的中藥材生長環(huán)境信息采集系統(tǒng),其不僅可實現(xiàn)對藥田空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、土壤的PH值等環(huán)境參數(shù)的實時采集，還可以提高中藥材種植的精確控制和科學管理水平。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲管理三個模塊組成，系統(tǒng)總體結構如圖1所示。ZigBee終端節(jié)點接空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、土壤酸堿度等傳感器，負責對生長環(huán)境信息的采集及傳輸；路由節(jié)點除了本身采集和發(fā)送藥田信息外,還要存儲和轉(zhuǎn)發(fā)一些終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行；協(xié)調(diào)器作一個匯聚節(jié)點, 接收所有傳感器節(jié)點的采集信息，并將全部的信息都聚集到一起, 對數(shù)據(jù)進行融合處理后，通過RS232總線與 PC機相連，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至 PC機，PC 機接收數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行進一步的存儲與處理。

圖1 系統(tǒng)總體結構設計

2 系統(tǒng)硬件設計

考慮到系統(tǒng)的需求和中藥材生長環(huán)境信息采集的特點，節(jié)點硬件設計采用模塊化的設計思想，ZigBee節(jié)點包括終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點電路的設計。傳感路由節(jié)點采用CC2530作為主控芯片。CC2530是TI公司的公司針對2.4-GHzISM頻帶推出的第二代支持IEE802.15.4和ZigBee 應用協(xié)議的一款片上系統(tǒng)(SOC)集成芯片，其內(nèi)部集成了高性能的 8051 內(nèi)核。路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的電路由傳感器終端節(jié)點電路在功能上進行弱化得到。

2.1 終端節(jié)點設計

終端節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、能量供應模塊4個部分組成[8]，如圖 2 所示。傳感器模塊負責中藥材生長環(huán)境信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理傳感單元采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。能量供應模塊負責為傳感器節(jié)點提供運行所需要的能量。

2.2 傳感器的選取

傳感器是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重要來源，數(shù)據(jù)的準確性和實時性直接關系到終端數(shù)據(jù)的準確性[9]。在系統(tǒng)設計時，考慮精度、靈敏度、擴展性、可靠性、響應速度等因素，系統(tǒng)使用的傳感器相關參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器相關參數(shù)

2.3 調(diào)節(jié)器設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個ZigBee網(wǎng)絡的核心，負責整個網(wǎng)絡的建立、啟動及維護。其結構與終端節(jié)點基本相同，不同之處是刪除傳感器模塊，增加了串口模塊，其結構如圖3所示。在無線傳感網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器的能量供應模塊有USB直接供電。

圖2 終端節(jié)點組成結構

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點組成結構

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 路由節(jié)點算法設計

ZigBee網(wǎng)絡常用的路由算法Cluster-Tree算法、AODVjr算法和Cluster-Tree&AODVjr算法。與其它算法相比，Cluster-Tree路由算法查找目的節(jié)點的速度快，且在縮短時延和數(shù)據(jù)聚合方面有比較明顯的優(yōu)勢。

ZigBee網(wǎng)絡組網(wǎng)時，采用分布式尋址方式分配網(wǎng)絡地址[10]。對請求加入Zig Bee網(wǎng)絡的節(jié)點進行地址分配時涉及三個參數(shù)：最大子節(jié)點數(shù)Cm，每個父節(jié)點最多擁有的子節(jié)點數(shù)量；最大路由器數(shù)Rm，子節(jié)點最多可作為路由器節(jié)點的個數(shù)；網(wǎng)絡最大深度Lm。在Zig Bee 網(wǎng)絡中，父節(jié)點根據(jù)子節(jié)點的網(wǎng)終深度d以及子節(jié)點接入父節(jié)點的順序來進行地址分配，分配的規(guī)則[11]如下:

(1)當新加入的節(jié)點可進行路由時，則父節(jié)點為其分配如下的地址：

An=Ap+Cskip(d).(n-1)+1,n∈[1,Rm]

(1)

(2)當新加入的節(jié)點不能實現(xiàn)路由時，則父節(jié)點為其分配如下的地址：

An=Ap+Cskip(d).Rm+n,n∈[1,Cm-Rm]

(2)

圖4 協(xié)調(diào)器端程序流程圖

其中：

Cskip(d)=

(3)

Ap為父節(jié)點的地址，An為子節(jié)點n的地址。

Cluster-tree路由算法依靠父子關系進行。假設一個路由器向網(wǎng)絡地址為D的目標地址發(fā)送數(shù)據(jù)包，路由器將首先通過式 (4) 判斷目標節(jié)點是不是該節(jié)點的子孫節(jié)點。

A

(4)

其中：網(wǎng)絡深度為d，路由器的網(wǎng)絡地址為A，

若是目標節(jié)點是自己的子孫節(jié)點，則通過式(5)計算下一跳的地址 N，否則，數(shù)據(jù)包順著樹結構被轉(zhuǎn)發(fā)至父節(jié)點。

(5)

3.2 終端和協(xié)調(diào)器程序設計

終端和協(xié)調(diào)器開發(fā)環(huán)境為IAR MCS-517.51A，在基于半開源的 TI Z-Stack 2.3.1協(xié)議棧進行程序開發(fā)，采用C語言。終端節(jié)點程序流程設計如圖4所示。路由器除了采集數(shù)據(jù)以外還負責建立數(shù)據(jù)路由，路由器和終端節(jié)點的應用程序代碼一樣，其應用程序?qū)⒉辉龠M行設計。ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡的中心，負責建立，維持和治理網(wǎng)絡，從路由節(jié)點接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求發(fā)送控制命令，實現(xiàn)相鄰節(jié)點間的通信。協(xié)調(diào)器端程序流程設計如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點程序流程圖

圖6 卡爾曼濾波算法流程圖

3.3 數(shù)據(jù)處理算法設計

在進行信息采集數(shù)據(jù)傳送的過程，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點對數(shù)據(jù)的處理能力有限，會影響信息采集的及時性，降低信息的收集效率。為了減少數(shù)據(jù)的冗余度,提高數(shù)據(jù)采集的效率和數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臏蚀_度，需要對數(shù)據(jù)進行融合。針對中藥材生長環(huán)境信息的特點，采用卡爾曼濾波算法[12]對多個傳感器采集到的相同類別的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合處理，提高數(shù)據(jù)采集效率和準確度，算法流程圖如圖6所示。

3.4 數(shù)據(jù)獲取平臺的設計

上位機程序軟件主要是用來接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)按采集時間、數(shù)據(jù)類型分類好后儲存于數(shù)據(jù)庫中。上位機程序采用 Java語言編程語言，后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用SQL Server2014，完成數(shù)據(jù)信息的存儲、查詢、分類和統(tǒng)計等功能，并利用較為人性化的界面將數(shù)據(jù)反饋給管理人員。

4 結 語

為實現(xiàn)中藥材生長環(huán)境的在線采集，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的中藥材生長環(huán)境信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對藥田的空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤酸堿度環(huán)境參數(shù)進行實時采集，提高農(nóng)業(yè)管理的網(wǎng)絡化和智能化水平，降低農(nóng)田管理工作量，能夠為中藥材種植工作者提供清晰的中藥材生長環(huán)境信息，為中藥材的種植管理決策和知識管理提供有效支持，進而提高中藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)提供了思路和解決方案。后繼還將在此基礎上繼續(xù)探索相關工作，如根據(jù)實際需求擴展二氧化碳濃度、土壤電導率傳感器其他傳感器，及時掌握藥田環(huán)境多元信息；優(yōu)化Zig Bee路由協(xié)議，以更好地滿足藥田信息采集系統(tǒng)對實時性要求高的特點。