劉艷偉 李思雯 楊啟良 何家俊

(1.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,昆明 650500; 2.昆明理工大學(xué)季節(jié)性旱區(qū)水-土-作物系統(tǒng)云南省野外科學(xué)觀測研究站,昆明 650500;3.云南省高校特色作物高效用水與綠色生產(chǎn)重點實驗室,昆明 650500; 4.惠州市贏合科技有限公司,惠州 516008)

0 引言

傳統(tǒng)溫室溫濕度有線檢測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中布線復(fù)雜、可靠性低,并且不方便管理。與之相比,無線傳感器技術(shù)解決了溫室環(huán)境參數(shù)采集和通信上的問題,使溫室檢測系統(tǒng)逐漸成為以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式,從而加快溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化進程。

近些年隨著對溫室環(huán)境監(jiān)測精準(zhǔn)性要求的不斷提高,部分學(xué)者提出在溫室內(nèi)布置多點傳感器以全面監(jiān)測溫室環(huán)境數(shù)據(jù)變化特征。RODRIGUEZ等[1]設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的玫瑰溫室精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測與預(yù)測系統(tǒng),該系統(tǒng)通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)將傳感器節(jié)點采集的溫濕度等環(huán)境參數(shù)上傳到數(shù)據(jù)庫,再根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測此環(huán)境下玫瑰的生長狀況,并在遠程客戶端進行顯示。鄧小蕾等[2]設(shè)計了一種能夠監(jiān)測土壤水分移動的自動化系統(tǒng),該系統(tǒng)以ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線通信,并在溫室內(nèi)多個位置布置土壤水分監(jiān)測節(jié)點,然后通過GPS對監(jiān)測節(jié)點進行定位,最后使用Surfer 8軟件繪制土壤水分等高線分布圖,以了解溫室土壤水分遷移變化規(guī)律。車艷雙等[3]設(shè)計了基于GPS以及PDA的智能農(nóng)田采集系統(tǒng),該系統(tǒng)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成信息節(jié)點,對溫室溫濕度等環(huán)境參數(shù)進行測量并實現(xiàn)無線傳輸,并通過GPS差分信息定位方式對傳感器節(jié)點進行定位,提高了節(jié)點定位的精度。

以上溫室環(huán)境多節(jié)點檢測系統(tǒng)有效顯示了溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)變化趨勢,提升了環(huán)境數(shù)據(jù)的可靠性和精準(zhǔn)性。但此類溫室檢測系統(tǒng)的檢測節(jié)點主要是分布在二維平面中,而溫室內(nèi)的溫濕度在空間范圍內(nèi)流動變化快,并且受溫室內(nèi)設(shè)備(排風(fēng)扇、遮陽布等)以及植物冠層等影響在垂直方向出現(xiàn)分層分布狀態(tài),平面內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確有效反映溫室內(nèi)溫濕度變化特征。為進一步推動溫室內(nèi)溫濕度變化規(guī)律的研究,對常見的定位技術(shù)及特點進行了廣泛研究。目前常見的定位技術(shù)主要包括GPS定位技術(shù)、藍牙定位技術(shù)、Wi-Fi定位技術(shù)、UWB(Ultra wide band)定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、射頻識別(RFID)技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)等[4]。實際應(yīng)用中溫室多節(jié)點檢測系統(tǒng)需要對各傳感器節(jié)點進行定位,溫室內(nèi)密閉環(huán)境的多徑效應(yīng),以及植物密布的復(fù)雜環(huán)境和燈光、冷霧等設(shè)備都會對信號的傳輸產(chǎn)生影響,傳統(tǒng)定位方式已無法滿足傳感器節(jié)點日益提升的高精度定位需要。UWB采用極窄脈沖實現(xiàn)無線通信,與其他無線通信方式的定位原理相比有著較大不同。極窄脈沖時間分辨率較高,能精準(zhǔn)分辨多徑反射信號。UWB 定位方法穿透能力好、抗多徑效應(yīng)強,具備很高的安全性和低功耗特點,可進行一維、二維和三維高精度定位,并且還可實現(xiàn)室內(nèi)移動物體的定位[5]。

基于上述溫室溫濕度檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,以及在檢測過程中出現(xiàn)的節(jié)點定位精度低、三維溫濕度檢測手段缺乏等問題,本文設(shè)計一種基于UWB定位的溫室三維溫濕度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)包括檢測溫室內(nèi)三維溫濕度的下位機、傳感器節(jié)點空間定位的方案、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測與管理的PC端監(jiān)測軟件和溫室三維溫濕度數(shù)據(jù)可視化的HTML5技術(shù)方案。結(jié)合UWB室內(nèi)定位技術(shù)、傳感器技術(shù)、4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、C#編程和Web前端開發(fā)等技術(shù),實現(xiàn)溫室三維溫濕度的智能檢測以及三維空間溫濕度可視化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能溫室三維溫濕度檢測系統(tǒng)由下位機檢測端、上位機監(jiān)測端2部分組成。下位機檢測部分主要實現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測量以及傳輸,主要包括各傳感器檢測節(jié)點、UWB定位系統(tǒng)以及4G通信模塊,其中UWB標(biāo)簽與多個傳感器綁定共同構(gòu)成傳感器節(jié)點,根據(jù)溫室高度確定每個標(biāo)簽對應(yīng)溫濕度傳感器數(shù)量,本文研究以每個標(biāo)簽對應(yīng)3個傳感器,每個傳感器之間間隔1 m為例。在UWB定位系統(tǒng)中含有4個基站,可實現(xiàn)各標(biāo)簽位置的高精度三維定位,UWB主基站接收到各UWB標(biāo)簽和基站傳輸?shù)奈恢眯畔⒁约皞鞲衅鲾?shù)據(jù)后,使用4G通信網(wǎng)絡(luò)與遠程終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

上位機監(jiān)測部分主要是實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的遠程顯示,上位機讀取4G通信模塊傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)以及位置信息后,將其儲存在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫中,登錄PC端軟件即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查看和管理等,并在Web端實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的三維可視化顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

溫室三維溫濕度立體檢測系統(tǒng)硬件部分主要包括各傳感器檢測節(jié)點、UWB定位系統(tǒng)以及4G通信模塊,以主基站為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系,在系統(tǒng)初始工作時,傳感器檢測節(jié)點及其頂端裝有的UWB定位系統(tǒng)標(biāo)簽同時進入工作狀態(tài),UWB定位系統(tǒng)通過對標(biāo)簽的空間三維位置測量,進而得出傳感器節(jié)點上各傳感器的三維位置。傳感器節(jié)點上各傳感器將溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集完成后,將數(shù)據(jù)發(fā)送到UWB標(biāo)簽,同時UWB基站收集各標(biāo)簽信號時間戳,最后將定位數(shù)據(jù)以及傳感器信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總到UWB主基站。UWB主基站對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理后,通過4G無線通信模塊將傳感器數(shù)據(jù)以及對應(yīng)空間位置傳輸?shù)絇C端,進而對數(shù)據(jù)進一步處理、儲存以及顯示。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點硬件設(shè)計主要分為5部分:MCU、鋰電池電源、LED顯示模塊、高精度溫濕度傳感器以及UWB信號發(fā)射模塊(UWB 標(biāo)簽)。傳感器節(jié)點硬件設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計框圖

MCU微處理器選擇STMicroelectronics公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6型32位標(biāo)準(zhǔn)RISC微控制器,該處理器擁有Cortex-M3高性能內(nèi)核,采用LQFP48協(xié)議封裝。STM32F103C8T6的工作頻率高達72 MHz,內(nèi)部含有20 K×8 bit的 SRAM和128 K×8 bit 的Flash存儲器,能夠發(fā)揮出ARM內(nèi)核的性能[6],同時擁有12個DMA通道,每個DMA通道均可獨立管理外部設(shè)備到儲存器之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸、存儲器之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸,可有效提升數(shù)據(jù)傳輸速度,節(jié)省大量CPU資源[7]。

傳感器節(jié)點終端設(shè)備上裝有垂直分布的3個高精度溫濕度傳感器,實現(xiàn)各傳感器Z軸定位,選用奧松電子生產(chǎn)的AHT25型傳感器,該傳感器測量范圍較大,并且具備標(biāo)準(zhǔn)間距的插銷方式連接器。同時AHT25型傳感器表面覆蓋有一層IP67高透過濾膜,可防止外界沙塵和雨水進入傳感器內(nèi)部,同時配置有AF02過濾帽,能有效減小灰塵對過濾膜孔隙的堵塞,防止?jié)穸葴y量精度降低,因此AHT25型傳感器在惡劣環(huán)境下運行時,依然能夠具備較高的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性。AHT25型傳感器采用IIC協(xié)議,IIC總線即SDA、SCL集成電路總線,是飛利浦公司發(fā)明的一種雙向、二線制性質(zhì)的同步串行總線[8]。IIC采用同步通信,即根據(jù)時鐘信號,每次發(fā)送數(shù)據(jù)量僅為一幀,發(fā)送的信息位數(shù)不受限制,通信效率高,要求在傳輸過程中保持精確的同步時鐘;通信傳輸方式為半雙工通信,即在同一工作時刻,只能從發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)2種狀態(tài)中選擇一種數(shù)據(jù)傳輸方式。在傳感器節(jié)點中,MCU與2～4個AHT25型傳感器相連接,因此AHT25型傳感器的IIC連接中,采用一主多從的通信方式,即一個主設(shè)備(MCU),多個從設(shè)備(AHT25型傳感器)。傳感器節(jié)點實物圖如圖4所示。

2.2 UWB基站硬件設(shè)計

UWB基站分為普通定位基站以及主基站,普通基站的功能主要是接收UWB標(biāo)簽信號時間戳,主基站在接收信號時間戳的同時對傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進行接收和儲存,并將數(shù)據(jù)分析處理后,通過4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊將傳感器數(shù)據(jù)及位置信息發(fā)送到上位機。與UWB標(biāo)簽相比,UWB主基站微處理器也是STM32F103C8T6,但添加了數(shù)據(jù)存儲模塊、4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊,減少了溫濕度傳感器模塊。UWB主基站硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。UWB主基站實物圖如圖6所示。

圖5 UWB主基站硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 UWB 主基站實物圖

在溫室內(nèi),由于空間密閉,多徑效應(yīng)嚴重,同時受到溫室內(nèi)照明、噴灌等設(shè)備的影響,UWB信號傳播介質(zhì)容易改變,且存在一定的非視距影響。UWB定位系統(tǒng)通過TDOA定位方法測量UWB信號從標(biāo)簽到2個基站之間傳播時間的差值,得到標(biāo)簽到2個基站之間的固定距離差,利用多個基站接收到信號的時間差來確定移動目標(biāo)的位置。根據(jù)待測標(biāo)簽的脈沖信號到各基站的時間差來擬合雙曲線[9-10],待測標(biāo)簽廣播一次數(shù)據(jù),只需基站之間保持時鐘同步即可。再利用Chan算法對TDOA定位結(jié)果進行分析得出標(biāo)簽位置,實現(xiàn)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)[11]。

UWB定位系統(tǒng)采用深圳安信可科技有限公司生產(chǎn)的BU01模塊,信號收發(fā)器采用荷蘭DECAWAVE公司生產(chǎn)的DW1000芯片,DW1000芯片屬于低功耗射頻收發(fā)器,內(nèi)部集成全部基本電路,其遵循IEEE802.15.4-2011 UWB標(biāo)準(zhǔn)。UWB定位的精度處于厘米級別,采用極窄脈沖通信技術(shù),因此具有極高的時間分辨率,可有效減小定位誤差。BU01模塊使用3.5～6.5 GHz之間的4個信道,支持多種數(shù)據(jù)傳輸速率(100 kb/s、850 kb/s 以及6.8 Mb/s),能有效處理多徑效應(yīng),能夠?qū)崿F(xiàn)高反射密閉區(qū)域內(nèi)的定位計算。其內(nèi)部功能如圖7所示。

圖7 BU01內(nèi)部概覽圖

2.3 4G通信模塊

UWB主基站通過4G模塊將傳感器數(shù)據(jù)以及位置信息發(fā)送到上位機,在系統(tǒng)中采用的4G網(wǎng)絡(luò)模塊是EC20 R2.1 Mini PCIe-C模塊。采用Mini PCIe接口(PCI Express Mini Card 1.2 標(biāo)準(zhǔn)),電壓范圍為3.0～3.6 V,支持射頻帶寬范圍為1.4～20 MHz,上下行根據(jù)頻道選擇具有不同的最大速率,LTE-FDD:150 Mb/s(上行)～50 Mb/s(下行),LTE-TDD:130～35 Mb/s。EC20支持下行MIMO操作,可增加天線數(shù)量,保證通信質(zhì)量。同時兼容GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò),當(dāng)3G/4G網(wǎng)絡(luò)缺乏時可正常工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 UWB標(biāo)簽程序設(shè)計

UWB標(biāo)簽及傳感器節(jié)點嵌入式程序開發(fā)選用Keil Software公司設(shè)計的Keil u Vision5軟件,Keil支持STM32全系列單片機的C語言開發(fā),其使用簡單、操作簡捷。Keil具備包括IDE(uVision5)、庫管理、μVision 調(diào)試器、C編譯器、宏匯編、安裝包以及鏈接器等在內(nèi)的C語言完整開發(fā)方案[12]。UWB標(biāo)簽及傳感器節(jié)點的程序設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 UWB標(biāo)簽程序設(shè)計流程圖

UWB基站的軟件主要實現(xiàn)接收UWB標(biāo)簽信息,并將信息打包通過4G模塊發(fā)送到主站的功能。UWB基站程序設(shè)計流程如圖9所示。

圖9 UWB基站程序設(shè)計流程圖

3.2 PC遠程端監(jiān)測中心總體設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用C#語言和Microsoft Visual Studio 2012開發(fā)平臺為基礎(chǔ)進行開發(fā)設(shè)計。

3.2.1遠程端監(jiān)測中心

遠程端監(jiān)測中心(上位機軟件)主要是將溫室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)在PC端進行顯示,包括各傳感器節(jié)點處實時溫濕度數(shù)據(jù),以及歷史溫濕度數(shù)據(jù)曲線等。當(dāng)溫室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)在設(shè)定值范圍之外時,遠程端監(jiān)控中心發(fā)出警告,提醒管理員進行處理,遠程端監(jiān)測中心功能規(guī)劃圖如圖10所示。

圖10 遠程端監(jiān)測中心功能規(guī)劃框圖

3.2.2監(jiān)測平臺界面設(shè)計

監(jiān)測平臺界面設(shè)計包括MySQL數(shù)據(jù)庫設(shè)計、登錄模塊、主界面、用戶管理界面、數(shù)據(jù)管理模塊、遠程監(jiān)控模塊6部分。

(1)MySQL數(shù)據(jù)庫設(shè)計

遠程端監(jiān)測中心在運行過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)對于溫室的建造和植物的生長管理及研究有重大意義,將這些數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中,可方便隨時查看調(diào)用。SQL Server數(shù)據(jù)庫屬于一種關(guān)系數(shù)據(jù)庫智能管理系統(tǒng)(RDBMS),是目前全球使用最廣泛的數(shù)據(jù)庫之一,其使用便捷、功能強大、響應(yīng)速度快,在SQL Server中具備一系列分析報告工具,為數(shù)據(jù)庫的建立和數(shù)據(jù)的備份、拷貝等提供強力保障[13-14]。

根據(jù)遠程端監(jiān)測中心的功能,將需要儲存的數(shù)據(jù)分為3大類,分別為:溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)庫、用戶信息數(shù)據(jù)庫以及植物生長參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

(2)數(shù)據(jù)管理模塊

在數(shù)據(jù)管理界面,主要分為溫室大棚選擇區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)以及功能區(qū)。

(3)遠程監(jiān)控模塊

在軟件的遠程監(jiān)控模塊中,主要含有3種功能:實時監(jiān)測、歷史曲線以及異常數(shù)據(jù)顯示功能。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 系統(tǒng)測試

4.1.1試驗場地準(zhǔn)備

試驗在昆明理工大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)科研基地進行,基地溫室為拱圓形雙層塑料大棚,長21 m、寬6 m。首先在溫室內(nèi)部署一套完整的下位機檢測平臺,包括220 V交流電鋪設(shè)以及懸掛架搭設(shè)等輔助準(zhǔn)備。UWB定位系統(tǒng)選擇3個定位基站1個主基站,數(shù)據(jù)采集部分共布置8個傳感器節(jié)點(網(wǎng)格式分布,間距1.5 m×1.5 m),其中每個傳感器節(jié)點上含有3個AHT25型溫濕度傳感器,單個傳感器節(jié)點上AHT25型傳感器間距為1 m。采集終端部署情況如圖11所示。主基站及傳感器分布示意圖如圖12所示(以主基站為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系,X、Y、Z分別表示在溫室中的實際長、寬、高。1-1～8-3表示傳感器)。

圖12 主基站及傳感器分布示意圖

4.1.2數(shù)據(jù)傳輸顯示功能測試

下位機通過4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到Web端和遠程端監(jiān)測中心,在對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸功能檢測前,可先通過4G網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手觀察UWB主基站與4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊的連接情況以及傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送情況。節(jié)點信息用節(jié)點-傳感器編號、溫度、相對濕度、X、Y、Z、日期、時間表達,以節(jié)點3為例。服務(wù)端接收數(shù)據(jù)界面如圖13所示。

圖13 4G 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手調(diào)試界面

通過測試可以看出服務(wù)器端準(zhǔn)確接收4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,其格式準(zhǔn)確。表明系統(tǒng)下位機的4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊穩(wěn)定、可靠,能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的遠程無線傳輸功能。

4.1.3軟件監(jiān)測功能測試

打開遠程端監(jiān)測中心軟件,在登錄界面登錄管理員賬號,分別測試遠程監(jiān)測以及數(shù)據(jù)管理功能。

(1)遠程監(jiān)測功能

實時監(jiān)測界面測試結(jié)果如圖14所示,警報界面如圖15所示,異常數(shù)據(jù)界面測試結(jié)果如圖16所示,歷史曲線界面測試結(jié)果如圖17所示。

圖14 實時監(jiān)測界面測試結(jié)果

圖15 警報界面

圖16 異常數(shù)據(jù)界面測試結(jié)果

圖17 歷史曲線界面測試結(jié)果

(2)數(shù)據(jù)管理功能

在數(shù)據(jù)顯示區(qū)可以看到溫室大棚環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)庫中的信息已經(jīng)通過 DataGridView控件進行顯示,表格列標(biāo)題及表格數(shù)據(jù)均準(zhǔn)確無誤,說明通過該數(shù)據(jù)管理窗口可以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢功能。數(shù)據(jù)管理界面測試結(jié)果如圖18所示。

圖18 數(shù)據(jù)管理界面測試結(jié)果

通過對該軟件的登錄、遠程監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理等功能的測試,可以查詢實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、顯示歷史曲線及異常數(shù)據(jù)等。表明該系統(tǒng)遠程端監(jiān)控中心很好地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示和存儲等功能,滿足系統(tǒng)上位機軟件的常規(guī)需求。

4.2 系統(tǒng)定位精準(zhǔn)性測試

系統(tǒng)定位精準(zhǔn)性測試于2022年1月13日14:00—17:00期間在昆明理工大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)科研基地進行,試驗期間關(guān)閉噴霧、通風(fēng)等設(shè)備,溫室內(nèi)平均溫度為14.5℃,平均相對濕度為54.3%。使用米尺、尼龍線等測量各節(jié)點位置,以3次測量數(shù)據(jù)的平均值為節(jié)點實際位置,各節(jié)點以頻率5 s/次,發(fā)射1 000次真實數(shù)據(jù),以PC端監(jiān)測軟件接收各節(jié)點測量數(shù)據(jù),通過Matlab的norm函數(shù)對節(jié)點測量位置與實際位置之間的距離進行計算,將定位誤差分為[0 cm,10 cm]、(10 cm,30 cm]、(30 cm,50 cm]3個區(qū)間,各節(jié)點定位精度如表1所示。

表1 節(jié)點定位精度測試

從表1中可以看出,各傳感器節(jié)點精度主要集中在10～30 cm范圍內(nèi),達到UWB定位精度的亞米級標(biāo)準(zhǔn)[15-17],與傳統(tǒng)GPS[18-19]、WiFi[20-21]、藍牙[22]等定位方式的精度(米級)相比,有較大提升。在系統(tǒng)定位測試過程中,部分節(jié)點測量位置誤差大于50 cm,主要是由于基站間的非精準(zhǔn)時鐘同步,以及試驗開始時人員走動產(chǎn)生遮擋所導(dǎo)致。對數(shù)據(jù)包丟失率(PLR)進行計算,公式為

式中A——數(shù)據(jù)包丟失率

n——丟失數(shù)據(jù)包個數(shù)

N——數(shù)據(jù)包總數(shù)

以節(jié)點1為例,丟包率為:[1 000-1 000×(23.5%+74.11%+0.19%)]/1 000×100%=2.2%。同時,各節(jié)點最大丟包率為2.5%,平均丟包率為1.9%,滿足溫室測量基本需求[23]。其中,節(jié)點1和節(jié)點4因通風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)影響了傳感器的精度和穩(wěn)定性;節(jié)點8因與主基站之間傳輸距離過遠,數(shù)據(jù)包容易丟失或損壞,造成丟包率偏高。為盡可能減小丟包率,可以通過重新設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲和優(yōu)化設(shè)備配置,有效減少數(shù)據(jù)包的誤差率,從而降低數(shù)據(jù)包丟失率。

4.3 可視化測試

在溫室內(nèi),檢測點通常均勻分布,但通風(fēng)扇、冷霧機等設(shè)備會對環(huán)境參數(shù)產(chǎn)生較大影響。因此,反距離加權(quán)插值算法[24]更適合于溫室三維溫濕度場的可視化。

通過HTML5 Canvas實現(xiàn)溫室三維溫濕度可視化,首先需要建立相應(yīng)溫室模型,然后把溫度、相對濕度三維云圖添加到溫室模型中,模擬3D效果,最后添加查詢、掃描等功能。試驗地點選擇昆明理工大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)科研基地溫室,試驗時間選擇2022年1月15日14:00—17:00,期間溫室內(nèi)平均溫度為18.3℃,平均相對濕度為57.8%。與單點式檢測系統(tǒng)相比,在本系統(tǒng)三維檢測效果中可以明顯看出在溫室垂直空間內(nèi),溫度由地面向溫室塑料薄膜呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,溫差最高可達5℃左右,這主要是由土壤水分蒸發(fā)及植物呼吸作用帶走熱量所導(dǎo)致。在縱向上,溫室內(nèi)溫度由溫室進口向溫室內(nèi)深處逐漸升高,通過對溫室密封性檢查,發(fā)現(xiàn)溫室大門存在寬20 cm左右縫隙,由此認為溫室進口密封缺陷是帶來縱向溫差的主要原因。三維可視化效果圖如圖19所示。

圖19 三維可視化效果圖

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了基于UWB定位的智能溫室三維溫濕度檢測系統(tǒng),通過UWB室內(nèi)定位技術(shù)建立無線傳感器數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),在保證傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r,提高了各傳感器節(jié)點位置精度,提供了從數(shù)據(jù)采集到遠程監(jiān)測的完整方案,能夠有效實時監(jiān)測溫室內(nèi)三維溫濕度變化。

(2)以Microsoft Visual Studio軟件設(shè)計了上位機遠程監(jiān)測軟件,實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測和歷史查詢,并通過HTML5 Canvas軟件在Web端對溫室溫濕度進行了三維可視化。

(3)系統(tǒng)下位機設(shè)計了一種集成DW1000芯片和STM32F103C8T6微處理器的最小系統(tǒng)板,通過測試,該STM32F最小系統(tǒng)板能夠準(zhǔn)確完成各指令,在減小設(shè)備體積的同時,降低了系統(tǒng)成本,提升了系統(tǒng)可靠性。