姚引娣, 王 磊, 海小娟, 劉 利

(1．西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121; 2．西安文理學(xué)院 信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710065)

智能溫室[1-2]利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)代化技術(shù)運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度和濕度等，達(dá)到高品質(zhì)、高產(chǎn)量的目的。傳統(tǒng)的智能溫室大棚監(jiān)測是將采集到的數(shù)據(jù)，通過無線或有線方式發(fā)送到上位機(jī)，并在上位機(jī)處理后顯示溫室狀態(tài)信息，雖然便于監(jiān)督管理，但沒有考慮通過物聯(lián)網(wǎng)將多個(gè)不同環(huán)境的溫度和濕度值進(jìn)行統(tǒng)一的管理和監(jiān)督，增加了運(yùn)營成本，不便于隨時(shí)隨地監(jiān)測[3-4]。基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室系統(tǒng)[5]，可遠(yuǎn)程監(jiān)測溫室環(huán)境，并根據(jù)作物的環(huán)境需求實(shí)施精準(zhǔn)的溫室控制，從而科學(xué)高效的管理溫室[6]。因此，基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室研究已成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究的熱點(diǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為智能溫室的主要應(yīng)用技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)裙δ?，而且還具有功耗低、組網(wǎng)能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸主要采用WiFi、藍(lán)牙和ZigBee等無線通信技術(shù)，其中應(yīng)用最廣泛的是ZigBee技術(shù)[7-8]，它具有復(fù)雜度低、功耗低、成本低和時(shí)延短等優(yōu)點(diǎn)，但是，ZigBee技術(shù)、WiFi技術(shù)[9-10]和藍(lán)牙等均屬于2.4 GHz波段，而2.4G的波長較短、穿透能力差[11]。因此，選擇合適的無線傳輸技術(shù)搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)尤為重要。

為了實(shí)現(xiàn)對溫室溫度和濕度的智能采集和監(jiān)測，本文將無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)[12]相結(jié)合，組建遠(yuǎn)距離低功耗的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)采用低功耗、長距離通信能力強(qiáng)的SI4463[13]無線通信模塊進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)收發(fā)，網(wǎng)關(guān)通過ESP32[14]接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺[15]，以期通過電腦遠(yuǎn)程監(jiān)測溫室內(nèi)不同區(qū)域的環(huán)境信息。

1 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理子系統(tǒng)等組成，總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)溫室大棚中溫度和濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，以及與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)通信。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，完成收集各從機(jī)采集的溫室內(nèi)環(huán)境信息，并傳輸給上位機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺下達(dá)監(jiān)控指令，以及向上位機(jī)和服務(wù)器匯總數(shù)據(jù)等。

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理子系統(tǒng)由上位機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺組成，其中上位機(jī)通過串口與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)系統(tǒng)接收各從機(jī)子系統(tǒng)采集的溫室信息，并將接收的信息上報(bào)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)系統(tǒng)通過WiFi接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實(shí)現(xiàn)顯示多個(gè)從機(jī)子系統(tǒng)采集的當(dāng)前溫室中的環(huán)境信息，并且支持通過Web和手機(jī)終端等設(shè)備實(shí)時(shí)查詢所監(jiān)控的溫室大棚信息。

在智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)中，主機(jī)子系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行通信，系統(tǒng)組網(wǎng)采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主機(jī)子系統(tǒng)作為網(wǎng)關(guān)，從機(jī)子系統(tǒng)作為節(jié)點(diǎn)。與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、延遲低、組網(wǎng)容易等特點(diǎn)，可以降低通信協(xié)議的復(fù)雜度以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)子系統(tǒng)和多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)子系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)子系統(tǒng)主要由低功耗主控處理器、無線收發(fā)模塊、WiFi模塊和與上位機(jī)通信的接口模塊構(gòu)成。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)子系統(tǒng)主要由低功耗主控處理器、無線收發(fā)模塊、顯示模塊和環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。

2.1 從機(jī)子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)子系統(tǒng)硬件部分主要包括溫濕度傳感器AM2301模塊、SI4463無線模塊、USB串口模塊和低功耗LCD1602顯示模塊，電源模塊選用3.7 V可充電的鋰電池進(jìn)行供電，微控制模塊選取MSP430F149作為主控芯片，其接口豐富、操作簡單、且具有低功耗模式。溫濕度傳感器選用AM2301， AM2301與主控芯片之間采用單總線的協(xié)議進(jìn)行通訊，對環(huán)境響應(yīng)迅速，占用資源少。無線模塊選取SI4463芯片，與主控芯片之間采用SPI協(xié)議進(jìn)行通信，工作頻率為433 MHz，繞障礙物能力和抗干擾能力都比ZigBee強(qiáng)，適用于遠(yuǎn)距離通信。此外SI4463還帶有低功耗模式，在一定程度上可以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。從機(jī)子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 從機(jī)子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2 主機(jī)子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)從機(jī)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集與上傳、配置指令的下發(fā)、節(jié)點(diǎn)的管理等功能，其硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。電源模塊采用5 V適配器供電，微處理器采用 MSP430F149作為主控芯片，無線模塊同樣采用SI4463芯片與各從機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行通信。主機(jī)子系統(tǒng)使用WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，WiFi選用ESP32-WROVER，該模塊集成了傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和 WiFi，支持較大范圍的通信連接，也支持通過路由器直接連接互聯(lián)網(wǎng)，可以用于低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖3 主機(jī)子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主、從機(jī)子系統(tǒng)軟件和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理子系統(tǒng)軟件。

3.1 從機(jī)子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)子系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。主處理器平時(shí)設(shè)置為睡眠模式以降低功耗，通過定時(shí)器中斷和外部中斷喚醒主處理器，定時(shí)器中斷用于控制采集數(shù)據(jù)的上報(bào)，外部中斷用于接收主機(jī)下發(fā)的指令。環(huán)境的溫度和濕度值在較短時(shí)間內(nèi)檢測到的數(shù)據(jù)變化不明顯，為了減少傳輸數(shù)據(jù)量降低功耗，當(dāng)設(shè)備被喚醒時(shí)只有檢測到溫度和濕度的變化超過設(shè)定的誤差時(shí)，才啟動SI4463將溫度和濕度的值發(fā)送給主機(jī)，其余時(shí)間進(jìn)入休眠模式，通過程序上的設(shè)計(jì)，在一定程度上可以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

圖4 從機(jī)子系統(tǒng)流程

3.2 主機(jī)子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)程序主要起承上啟下的作用，負(fù)責(zé)與上位機(jī)、云平臺及傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)子系統(tǒng)之間的通信，其工作流程如圖5所示。在初始化完成之后進(jìn)入監(jiān)測模式，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，先對接收的消息進(jìn)行分析，判斷是上位機(jī)發(fā)來的指令還是需要上報(bào)的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上報(bào)至云平臺和上位機(jī)，將指令下發(fā)到對應(yīng)的從機(jī)子系統(tǒng)。

圖5 主機(jī)子系統(tǒng)流程

3.3 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理子系統(tǒng)包括上位機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，本地上位機(jī)上采用C#語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過串口將接收到的溫室環(huán)境信息存入本地?cái)?shù)據(jù)庫，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)對數(shù)據(jù)庫的信息進(jìn)行處理，讓用戶可以查看溫室環(huán)境參數(shù)變化的曲線和監(jiān)測實(shí)時(shí)的溫室信息，同時(shí)還設(shè)計(jì)了歷史數(shù)據(jù)查詢功能，支持對溫室內(nèi)歷史信息的查詢。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺的功能主要是實(shí)現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測，主機(jī)通過ESP32將采集的溫室環(huán)境信息上報(bào)到物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理完成后，用戶可以通過手機(jī)APP、微信、或者Web對溫室大棚的環(huán)境信息進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。

4 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，在智慧農(nóng)業(yè)溫濕實(shí)驗(yàn)室對該溫室的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。將4個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)均勻部署在溫室大棚內(nèi)，1個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)放置在溫室外，分別測試系統(tǒng)的傳輸性能、功耗、上位機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)平臺對溫室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。

4.1 傳輸距離測試

在傳輸性能方面，通過移動溫室外部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)改變測試距離，在不同傳輸距離條件下測試無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)子系統(tǒng)與從機(jī)子系統(tǒng)間無線傳輸?shù)膩G包率。其中每包數(shù)據(jù)的大小為9個(gè)字節(jié)，采用CRC16方式進(jìn)行校驗(yàn)，數(shù)據(jù)包格式如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)包格式

測試距離選為0～1 km，射頻模塊的發(fā)射功率為13 dBm，天線增益為3 dB，傳輸速率為1.3 kb/s，每個(gè)測試點(diǎn)連續(xù)收發(fā)500個(gè)數(shù)據(jù)包，對每個(gè)點(diǎn)的數(shù)包據(jù)進(jìn)行對比分析，系統(tǒng)傳輸距離和丟包率的關(guān)系如圖7所示。

圖7 測量距離與丟包率對比結(jié)果

由圖7可以看出，當(dāng)傳輸距離大于800 m時(shí)，系統(tǒng)的丟包率明顯升高，在700 m范圍內(nèi)的丟包率都在10%以下。因此，將采集節(jié)點(diǎn)部署在700 m以內(nèi)，在不增加功耗的基礎(chǔ)上如果要增加子系統(tǒng)的通信距離，可以使用定向天線或高增益天線，優(yōu)化傳輸距離。該系統(tǒng)在無線傳輸時(shí)的抗干擾性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，符合智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

4.2 功耗測試

在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)對從機(jī)子系統(tǒng)的功耗要求比較高，根據(jù)上述部署的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，測試從機(jī)子系統(tǒng)在一個(gè)上報(bào)周期內(nèi)不同工作狀態(tài)下的最大工作電流，結(jié)果如表1所示。

表1 不同工作狀態(tài)下系統(tǒng)最大電流/mA

由表1可知，傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)子系統(tǒng)在工作時(shí)的最大電流約為92 mA。根據(jù)2 500 mAh的電池容量、0.5 h的上報(bào)周期和600 ms的上報(bào)時(shí)間，可計(jì)算出傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)子系統(tǒng)的工作時(shí)間約為287天，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的休眠參數(shù)下，可以工作半年以上，滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)子系統(tǒng)的低功耗要求。

4.3 監(jiān)測平臺功能測試

監(jiān)測平臺測試分為本地上位機(jī)測試和物聯(lián)網(wǎng)云平臺測試。將溫室外部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主機(jī)通過串口接入本地上位機(jī)，通過上位機(jī)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)所采集的溫室大棚的數(shù)據(jù)信息，如圖8所示。選擇監(jiān)控客戶端下的智能傳感器子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)A和B，單獨(dú)監(jiān)控對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫度和濕度信息，同時(shí)通過歷史信息查詢可以觀測一段時(shí)間的溫度和濕度信息變化，還可以導(dǎo)出相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)。

圖8 上位機(jī)監(jiān)測平臺

物聯(lián)網(wǎng)云平臺測試時(shí),節(jié)點(diǎn)的部署和上位機(jī)測試相同，分別通過手機(jī)APP、微信、和Web對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從機(jī)采集的溫度和濕度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)環(huán)境參數(shù)變化下發(fā)控制指令，結(jié)果分別如圖9和圖10所示。此外，還測試了物聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù)查詢功能，用戶可將想要查詢時(shí)間段的數(shù)據(jù)信息通過郵箱下載。

圖9 Web服務(wù)器云端監(jiān)測

圖10 手機(jī)APP監(jiān)測查詢

5 結(jié)語

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室監(jiān)測系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)和智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融為一體，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測溫室內(nèi)外溫度和濕度等溫室環(huán)境信息。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)厥覂?nèi)環(huán)境信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離低功耗的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測，還可以通過Web或手機(jī)APP等實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)的環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)控。