張澤凡，張文波

(沈陽理工大學 信息科學與工程學院，沈陽 110159)

自然環(huán)境通常具有較高的不可控性和不確定性，并且由于勞動力的減少和人口的增加等額外因素，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷尋求更好更高效的方法來提高農(nóng)作物出產(chǎn)率、優(yōu)化作物生產(chǎn)管理方式。目前傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植方式主要包括露天種植和溫室栽培。露天種植成本較低，但具有種植周期長、病蟲害防御力低等缺陷[1-2]；雖然溫室大棚能夠有效地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量并穩(wěn)定地保證農(nóng)作物產(chǎn)品的質量，但是管理溫室大棚的傳統(tǒng)方式依舊存在智能化水平較低的問題以及很嚴重的勞動力 浪費，直接導致人力成本和管理成本過高[3]。

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network,WSN)具有較為廣泛的覆蓋范圍，動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲結構，較高的可靠性和安全性等特點[4]。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用WSN技術，在溫室中部署多個傳感器節(jié)點，以多跳的方式傳輸數(shù)據(jù)，所有溫室大棚種部署的節(jié)點組成一個移動自組織網(wǎng)絡，通過傳感器節(jié)點自動監(jiān)測每個溫室周圍環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送給上層應用實現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的收發(fā)。

在技術實現(xiàn)方面，許多工作者以及相關從業(yè)者對與IEEE 802.15.4標準關聯(lián)的各種無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議進行了深入的研究，其中最具代表性的協(xié)議是6LoWPAN(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network)協(xié)議[5]。6LoWPAN網(wǎng)絡是由IETF 6LoWPAN工作組定義的新型WSN，基于該技術構建的智能化的溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)可以有效改善傳統(tǒng)溫室大棚的不足。

本文針對傳統(tǒng)溫室大棚生產(chǎn)管理成本高、智能水平低等問題，設計監(jiān)測系統(tǒng)的總體功能并進行功能分層。然后基于Contiki系統(tǒng)將傳感子網(wǎng)接入IPv6網(wǎng)絡，實現(xiàn)傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)收集以及網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳輸功能。最后根據(jù)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計，實現(xiàn)能夠處理節(jié)點數(shù)據(jù)、配置預警信息的中間功能模塊以及能夠遠程訪問的溫室大棚環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)。

1 溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

對溫室大棚環(huán)境進行遠程實時監(jiān)測，所需的系統(tǒng)網(wǎng)關必須具有數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，中間功能模塊程序必須集成請求、過濾、解析、持久化數(shù)據(jù)等功能。并且不僅需要傳感器節(jié)點，還需要供用戶遠程訪問的Web服務。本文以傳統(tǒng)溫室存在的缺陷以及改進需求為基礎，對系統(tǒng)功能進行了細化，并根據(jù)功能結構對整個監(jiān)測系統(tǒng)進行了劃分。系統(tǒng)整體功能結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體功能結構

實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一般存在多個大棚，需要在每個溫室大棚內都部署多個能夠以多跳的方式傳輸數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點。溫室大棚管理站部署內容分三部分：中間功能模塊、數(shù)據(jù)庫以及Web后端服務。其中數(shù)據(jù)庫是中間功能模塊數(shù)據(jù)存儲的容器和實現(xiàn)Web業(yè)務邏輯的數(shù)據(jù)源，中間件主要實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的驅動和中轉。Web后端服務實現(xiàn)前端頁面的業(yè)務邏輯，用戶可以通過訪問該系統(tǒng)的前端頁面，遠程訪問監(jiān)測系統(tǒng)從而實現(xiàn)對溫室實時傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及對告警信息的遠程配置。溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)功能分層設計

為更清楚地定義系統(tǒng)功能分布，本文將環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整體功能依據(jù)系統(tǒng)功能分層設計合理分配到感知層，傳輸層和應用層，感知層收集到的數(shù)據(jù)由傳輸層傳輸?shù)綉脤硬⒂捎脩籼幚頂?shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)總體設計

各類傳感器節(jié)點集群構成監(jiān)測系統(tǒng)的感知層。感知層中的傳感器節(jié)點為應用層提供環(huán)境數(shù)據(jù)源。該數(shù)據(jù)源主要包括溫室大棚內部的溫度和光照信息，還包括節(jié)點當前的電量信息。傳輸層作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g層將感知層收集到的信息傳輸給應用層。傳輸層包括網(wǎng)絡通信協(xié)議、通信設備和各類型網(wǎng)絡。需要注意的是，感知層獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)需要依據(jù)一定網(wǎng)絡傳輸標準才可被傳輸層接收，傳輸層需要利用現(xiàn)有的通信系統(tǒng)和移動通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，這種傳輸方式具有較高的安全性和可靠性。應用層作為系統(tǒng)的頂層，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K點。在應用層中，應用程序對通過傳輸層收集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析并基于分析后的數(shù)據(jù)為用戶提供服務。系統(tǒng)的功能分層如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能分層結構

2 傳感器子網(wǎng)平臺設計

2.1 硬件平臺

本文將WSN和互聯(lián)網(wǎng)視為一個網(wǎng)絡整體。其中，將前者作為整個網(wǎng)絡中的傳感子網(wǎng)接入IPv6網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點和網(wǎng)關組成傳感子網(wǎng)的硬件平臺[6]。傳感器節(jié)點在MX231CC平臺實現(xiàn)，該平臺集成了SHT11溫度傳感器和LIGHT SENSOR環(huán)境光傳感器，這兩者都支持IEEE 802.15.4標準，并且都集成了Atmel RF230射頻發(fā)送模塊以及Atmel AVR微控制器[7]。網(wǎng)關硬件基于AVR-USBSTICK平臺實現(xiàn)。本文設計了一種接入機制為傳感子網(wǎng)接入IPv6網(wǎng)絡，并基于IPv6網(wǎng)絡實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)多跳方式傳輸、網(wǎng)關雙向數(shù)據(jù)轉發(fā)、環(huán)境數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)傳輸和接受等多項功能。

2.2 網(wǎng)關功能

作為傳感子網(wǎng)的邊界，網(wǎng)關是把傳感子網(wǎng)接入IPv6網(wǎng)絡重要的一部分。結合系統(tǒng)構建的需求，設計一種接入機制，并采用全IP接入方式將傳感子網(wǎng)接入IPv6網(wǎng)絡，達到網(wǎng)關數(shù)據(jù)轉發(fā)的目的。

6LoWPAN是適配層協(xié)議，將IPv6技術應用在傳感子網(wǎng)中帶來的MTU不一致以及應用層存儲數(shù)據(jù)可用空間不足等問題均可以通過引入6LoWPAN技術得到有效的解決[8]。uIPv6是一個精簡的TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP，ICMPv6以及IPv6等協(xié)議；SLIP(Serial Line Internet Protocol)部分是指通過將AVR-USBSTICK虛擬成一張以太網(wǎng)卡，完成網(wǎng)關與IPv6主機的本地連接綁定，該網(wǎng)卡可以被IPv6主機識別，并按SLIP協(xié)議將IPv6數(shù)據(jù)包打包成指定格式，USB接口利用AVR-USBSTICK實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。傳感子網(wǎng)接入IPv6網(wǎng)絡的設計如圖4所示。

圖4 傳感子網(wǎng)接入IPv6網(wǎng)絡設計圖

為實現(xiàn)傳感子網(wǎng)的接入，選擇Contiki作為接入機制的實現(xiàn)平臺，并將其移植到網(wǎng)關AVR-USBSTICK平臺，使網(wǎng)關具備數(shù)據(jù)轉發(fā)的能力。并將Contiki作為節(jié)點和網(wǎng)關開發(fā)的依據(jù)，并且節(jié)點平臺和網(wǎng)管平臺集成了Atmel RF230射頻芯片和Atmel AVR微控制器。如圖5所示，微控制器選擇AT90USB1287。

圖5 選擇微控制器

2.3 節(jié)點功能

本文傳感器節(jié)點的軟件部分主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)收發(fā)兩個模塊組成，主要依據(jù)是實際生產(chǎn)中提煉出的功能需求。數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的收集，該模塊觸發(fā)采集功能后得到的三種類型的數(shù)據(jù)作為HTTP(HyperText Transfer Protocol)協(xié)議響應體返回給中間功能模塊程序，中間功能模塊程序從HTTP協(xié)議響應體中解析出環(huán)境數(shù)據(jù)同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和存儲，所需數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)載體使用XML數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊對收集到的數(shù)據(jù)進行傳輸并提供實時響應請求服務。傳感器節(jié)點內部軟件模塊間的協(xié)同工作時序圖如圖6所示。

圖6 模塊協(xié)同工作時序圖

2.4 數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

本文采集數(shù)據(jù)的模擬量主要通過數(shù)/模轉換(ADC)數(shù)據(jù)采集模塊來獲取，并且在采集到的不同類型的環(huán)境數(shù)據(jù)之間分別建立對應的映射關系。在環(huán)境數(shù)據(jù)獲取的具體實現(xiàn)中使用的溫度對照表由溫敏電阻制造商提供，變化的模擬量和溫度之間存在相應的映射關系。在環(huán)境溫度數(shù)據(jù)收集過程中，需要在數(shù)組中預先存入76個制造商提供的模擬量，然后計算數(shù)組元素數(shù)值與實時獲取的模擬量之間的差值，獲取的實時數(shù)據(jù)需要依次與數(shù)組中每一個元素進行比較，得到兩者之間最小差值對應的數(shù)組元素，該數(shù)組元素的下標就是模擬量對應的溫度值。需要注意的是，由于溫度數(shù)值有正負之分，但數(shù)組下標最小為0，因此采用負方向平移的方法，把模擬量最接近的數(shù)組元素的下標減去15來得到正確的溫度值，最終實現(xiàn)模擬量與溫度信息的完全映射。

在ADC數(shù)據(jù)采樣之后，需要獲取電壓數(shù)據(jù)。實際的電壓值通過建立模擬量與電壓的映射關系換算來實現(xiàn)。與溫度映射類似，由于電壓數(shù)據(jù)范圍與模擬量數(shù)據(jù)范圍不同，不能實現(xiàn)直接映射。ADC采樣得到的模擬量范圍是0到1023，而實際電壓的范圍是0V到5V，因此建立映射關系：電壓等于5*(ADC采樣值/1024)。

下面分別給出獲取溫度數(shù)據(jù)的具體實現(xiàn)以及電壓數(shù)據(jù)與映射關系的主要實現(xiàn)。

int16_t get_temp (){

int16_t result1 = getTemp();

int16_t result2;

result2 = find(result1,celcius_table,sizeof(celcius_table)/sizeof(int)) - 15;

return result2;}

double getVoltage(){

adc_init(ADC_CHAN_ADC30,ADC_TRIG-FREE_RUN,ADC_REF_AVCC,ADC_PS_128);

int16_t result;

adc_conversion_start();

while((result=adc_result_get(ADC_ADJ_RIGHT))==EOF){}

adc_deinit();

return 5*((double)result/1024.0);

}

2.5 數(shù)據(jù)收發(fā)實現(xiàn)

應用層的通信由數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實現(xiàn)。該模塊是通過HTTP協(xié)議的通信接口，傳感器子網(wǎng)與外部的通信由該模塊實現(xiàn)。在溫室大棚內，傳感器節(jié)點會向上層發(fā)出數(shù)據(jù)采集請求，對請求的實時響應由該模塊通過中間功能模塊程序實現(xiàn)。相當于在應用層提供HTTP服務，通過在每個傳感器上部署一個Web服務器實現(xiàn)針對HTTP請求到來時的實時響應。需要注意的是，在將Contiki移植到MX231CC平臺時，應當在Contiki配置文件Contiki-conf.h中預先設定好傳感器節(jié)點需要使用的各層網(wǎng)絡協(xié)議，然后模塊才能正常的運行。針對定義資源以及實現(xiàn)回調處理函數(shù)的問題，本文通過統(tǒng)一資源標識符(URI)來鎖定一個資源，鎖定的資源綁定唯一一個回調處理函數(shù)。在此基礎上，要使HTTP請求能夠被服務器實時響應，還需要啟動部署在傳感器節(jié)點上的引擎，并激活處理好的資源。

下面給出引擎初始化和資源激活相關的主要實現(xiàn)。

PROCESS(rest_sensor, "Sensors Web");

AUTOSTART_PROCESSES(&rest_sensor);

PROCESS_THREAD(rest_sensor,ev,data){

PROCESS_BEGIN();

rest_init();

est_activate_resource(&resource_sensors);

PROCESS_END();

}

3 遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

用戶通過應用層與傳感子網(wǎng)進行交互，其穩(wěn)定性與實時性也由該層提供保證。并且遠程用戶監(jiān)測溫室內部環(huán)境信息也需要應用層來提供服務。該層主要包括兩部分，第一部分是中間功能模塊程序，中間功能模塊程序部署在連接到網(wǎng)關的主機上，該程序用于遠程監(jiān)測程序與傳感子網(wǎng)間進行實時數(shù)據(jù)的互傳，是一個消息模塊，支持接收實時數(shù)據(jù)請求，對接收到的數(shù)據(jù)信息進行分析處理并對數(shù)據(jù)進行持久化，支持實時預警以及傳感器節(jié)點信息管理等功能[9]。第二部分是遠程實時監(jiān)測程序，遠程用戶可以使用互聯(lián)網(wǎng)通過遠程監(jiān)測程序接入監(jiān)測系統(tǒng)，該程序的本質是應用層向用戶提供的服務接口。該系統(tǒng)通過圖表的方式對實時數(shù)據(jù)進行展示，并提供對歷史數(shù)據(jù)查詢和預警模塊配置等功能。

3.1 中間功能模塊程序

本文中間功能模塊程序的設計分為四個模塊，分別是數(shù)據(jù)請求模塊、數(shù)據(jù)解析模塊，節(jié)點管理模塊和環(huán)境預警模塊。

數(shù)據(jù)請求模塊提供了修改數(shù)據(jù)請求頻率的外部控制接口。針對該模塊有可能出現(xiàn)的異常情況，設計了相應的異常處理機制。遠程用戶通過應用層中間功能模塊向傳感子網(wǎng)中某個傳感器節(jié)點發(fā)出HTTP請求后，如果因為節(jié)點本身出現(xiàn)異常而返回錯誤代碼，或者該傳感器節(jié)點沒有及時返回HTTP響應，則通過對相關代碼加入異常處理機制，將HTTP請求重新發(fā)送給傳感器節(jié)點。

在HTTP響應體中，解析傳感器節(jié)點返回指定的數(shù)據(jù)格式并最后完成數(shù)據(jù)信息的存儲是數(shù)據(jù)解析模塊的主要功能。本文選擇以XML作為傳感器節(jié)點返回的數(shù)據(jù)格式。在明確了中間功能模塊程序與傳感子網(wǎng)之間相互傳輸數(shù)據(jù)的載體之后，還需要對數(shù)據(jù)進行XML解析和拼接，本文通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實現(xiàn)拼接，在數(shù)據(jù)解析模塊實現(xiàn)解析。

傳感子網(wǎng)中節(jié)點信息的綜合管理功能以及為中間功能模塊程序與傳感子網(wǎng)之間的互聯(lián)提供對接信息的功能由節(jié)點管理模塊實現(xiàn)。該模塊中，具體的傳感器節(jié)點信息包括節(jié)點的編號、IP地址和端口號等信息。相關的管理人員可以查詢節(jié)點信息并對節(jié)點信息進行添加、修改和刪除環(huán)境預警模塊負責實時預警，本系統(tǒng)選擇以發(fā)送郵件的方式將預警信息發(fā)送給溫室管理員，只要管理員可以訪問網(wǎng)絡即可隨時接受預警信息。

3.2 遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)

遠程實時監(jiān)測程序使用B/S(Browser/Server)結構，采用MVC開發(fā)模式，Web后端的主要實現(xiàn)和內部業(yè)務邏輯由Java實現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫使用MySQL數(shù)據(jù)庫。該程序分為三個模塊，包括實時數(shù)據(jù)可視化，歷史數(shù)據(jù)查詢和遠程系統(tǒng)配置。

3.2.1 實時數(shù)據(jù)可視化模塊

實時數(shù)據(jù)可視化模塊主要負責用統(tǒng)計圖的方式顯示每個節(jié)點最近采集到的數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)查詢模塊以指定日期和溫室大棚編號作為查詢的約束條件，查詢某溫室大棚指定日期當天的歷史數(shù)據(jù)；遠程系統(tǒng)配置模塊主要功能是對整個系統(tǒng)的預警信息進行配置。本文在多節(jié)點部署策略的基礎上，結合感知層、傳輸層和應用層各模塊的數(shù)據(jù)采集、請求和轉發(fā)功能，實現(xiàn)對溫室內部環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化。圖7為某個溫室大棚內所有傳感器節(jié)點附近的溫度信息均可直觀的展示給用戶，便于用戶查看溫室內每個位置實時的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。圖8為某個溫室大棚指定傳感器節(jié)點附近的光照信息展示，用戶能夠查看溫室內局部光照信息近期波動情況，便于更好管理。

圖7 溫度信息分布圖

圖8 光照走勢圖

3.2.2 歷史數(shù)據(jù)查詢模塊

更好的管理溫室大棚，制定正確的規(guī)劃以及分析以往發(fā)生的事故都需要以歷史數(shù)據(jù)為重要依據(jù)。因此本文增加歷史數(shù)據(jù)查詢模塊，并增加約束條件，便于用戶精準便捷的查詢到所需數(shù)據(jù)。該模塊提供溫室編號和日期作為約束條件，用戶不僅可以選擇查看指定溫室的全部歷史數(shù)據(jù)，還可以選擇日期作為進行篩選，查看指定溫室在給定日期內的全部整點數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)查詢結果如圖9所示。

3.2.3 遠程預警配置模塊

為使用戶能夠遠程配置預警信息，本文將中間功能模塊的預警模塊的預警服務配置部分分離出來，作為一個模塊。該模塊使告警信息的配置入口，配置信息主要包括溫度、光照和電量三種類型的臨界值，接收方和發(fā)送方的郵箱地址以及SMTP服務器地址，并提供修改密碼的功能。在系統(tǒng)部署前，想要啟動中間功能模塊程序，管理員用戶必須提前錄入上述配置信息，中間功能模塊會讀取配置信息，完成篩選數(shù)據(jù)和發(fā)送預警郵件等功能。遠程預警服務的配置信息如圖10所示。

圖9 歷史數(shù)據(jù)查詢結果

圖10 遠程預警服務配置信息

4 結束語

引入WSN技術，對溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行設計，旨在改善傳統(tǒng)溫室大棚的不足。將Contiki移植到傳感子網(wǎng)硬件平臺上，實現(xiàn)對傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的處理和對外部數(shù)據(jù)請求的響應。在全IP接入模式的基礎上，設計一種WSN接入機制，在Contiki下實現(xiàn)接入。通過把Contiki移植到網(wǎng)關硬件平臺，在Contiki下結合6LoWPAN技術和SLIP協(xié)議，實現(xiàn)將WSN接入IPv6網(wǎng)絡，即完成網(wǎng)關數(shù)據(jù)轉發(fā)。針對傳統(tǒng)溫室大棚的不足，設計實時預警中間功能模塊，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)請求的響應，數(shù)據(jù)的處理和傳輸。針對遠程管理的需求，設計遠程監(jiān)測系統(tǒng)，通過對歷史數(shù)據(jù)的查詢，預警信息的配置以及環(huán)境信息的可視化，更好的實現(xiàn)對溫室大棚的管理。