張青春，鄒士航，王燕

（淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇淮安223003）

基于WSN和COMWAY協(xié)議溫室大棚參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張青春，鄒士航，王燕

（淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇淮安223003）

針對傳統(tǒng)溫室大棚參數(shù)監(jiān)控的現(xiàn)狀，將WSN、GPRS技術(shù)和COMWAY通信協(xié)議應(yīng)用于玻璃溫室大棚參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計專用WSN節(jié)點，實現(xiàn)溫室土壤溫濕度、空氣溫濕度和光強監(jiān)測與控制功能。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)通過WSN節(jié)點、ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)和Internet網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程計算機進(jìn)行實時顯示和處理。采用COMWAY虛擬串口技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)節(jié)設(shè)備和遠(yuǎn)程計算機之間的無線對接。經(jīng)組網(wǎng)調(diào)試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有較高的性價比和推廣應(yīng)用價值。

WSN；GPRS DTU；COMWAY協(xié)議；溫室大棚；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

玻璃溫室大棚克服了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對自然環(huán)境的依賴性，改變了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。本系統(tǒng)利用WSN和GPRS技術(shù)，實時監(jiān)測玻璃溫室大棚農(nóng)作物生長參數(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)、Internet網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計算機。系統(tǒng)具有測量精度高、安裝便捷、可控性強等優(yōu)點，可以有效克服傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的各種缺陷，實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，具有一定的實用性和推廣應(yīng)用價值[1-2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)通過ZigBee無線傳感器節(jié)點對溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物生長的參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，通過ZigBee網(wǎng)關(guān)，將各個節(jié)點數(shù)據(jù)信息發(fā)送到近程上位機。在ZigBee網(wǎng)關(guān)上增加GPRS DTU設(shè)備構(gòu)成ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)，再通過中國移動基站、Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程上位機。上位機監(jiān)測界面顯示各節(jié)點實時數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)超出閾值范圍，就會發(fā)出報警聲并顯示相應(yīng)報警的傳感器節(jié)點，提醒監(jiān)測人員?，F(xiàn)場傳感器節(jié)點根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)變化和設(shè)定不同參數(shù)的上下限，開啟或者關(guān)閉相應(yīng)的控制裝置，從而實現(xiàn)玻璃溫室大棚植物生長參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測與現(xiàn)場有效控制。

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（負(fù)責(zé)采集溫室內(nèi)節(jié)點附近的溫度、濕度和光照強度等數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超出閾值可啟動相應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備）、ZigBee網(wǎng)關(guān)（實現(xiàn)近程數(shù)據(jù)傳輸）、ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)（實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸）和遠(yuǎn)、近程計算機（對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理并顯示）等組成[3-4]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 玻璃溫室大棚系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

無線傳感器節(jié)點包括電源模塊、傳感器模塊、CC2530模塊和控制模塊4部分[5-6]。

采用9V太陽能電池供電，使用鋰電池儲存電能，通過電源轉(zhuǎn)換電路輸出5V和3.3V電壓，為各模塊提供所需電源，維持整個監(jiān)控系統(tǒng)正常運行。

CC2530模塊具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，集定時、數(shù)據(jù)采集于一體，適應(yīng)2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器。其主要功能有：通過8路12位A/D口控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；控制無線RF模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；通過I/O口響應(yīng)主機控制。

無線傳感器節(jié)點以CC2530模塊為核心，將采集數(shù)據(jù)無線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，同時將采集數(shù)據(jù)與設(shè)定植物生長參數(shù)閾值進(jìn)行比較，通過控制模塊開啟或關(guān)閉相應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備[3]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

1.3 網(wǎng)關(guān)

1.3.1 ZigBee網(wǎng)關(guān)

ZigBee網(wǎng)關(guān)由RS232轉(zhuǎn)UART底板、3.3V供電的按鍵電路和CC2530模塊構(gòu)成。ZigBee網(wǎng)關(guān)處理器CC2530主要負(fù)責(zé)燒寫程序、數(shù)據(jù)信息匯聚、數(shù)據(jù)收發(fā)以及程序測試。RS232轉(zhuǎn)UART底板上RS232轉(zhuǎn)USB接口，方便與具有不同操作系統(tǒng)的計算機進(jìn)行RS232通信，USB接口可直接與計算機相連，進(jìn)行近程數(shù)據(jù)通信，狀態(tài)燈用來指示是否組網(wǎng)成功和接收數(shù)據(jù)。

1.3.2 ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)

在ZigBee網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)上，加一個RS232轉(zhuǎn)TTL模塊和一個GPRS DTU模塊，構(gòu)成ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)。RS232轉(zhuǎn)TTL模塊的通信采用MAX3232芯片，4個外接引腳中，RXD和TXD分別與RS232轉(zhuǎn)UART底板的P0.2和P0.3引腳相連，VCC供電電壓為3.3V，GND接地。通過公對公交叉串口線與WG-8010 GPRS DTU相連，數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

1.4 WG-8010 GPRS DTU

WG-8010 GPRS DTU內(nèi)部自帶的GPRS模塊，完成一次初始化配置后，它可以通過GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)用戶設(shè)備和服務(wù)器的連接功能，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

1.4.1 主要功能特性

支持GPRS和GSM；傳輸模式有COMWAY協(xié)議、透傳協(xié)議等；支持TCP、UDP；100K超大緩存；可以隨時在線，支持多種遠(yuǎn)程喚醒方式；通過短信可實現(xiàn)參數(shù)遠(yuǎn)程配置和查詢功能。

1.4.2 GPRS DTU配置

1）安裝配置程序。安裝、運行GPRS DTU配置軟件。配置DTU時，無需插入SIM卡，以防GPRSDTU進(jìn)入自動連接模式。

2）配置本機串口通信參數(shù)。計算機串口號為COM5，波特率為9600b/s，校驗位為0。串口COM5被正確打開，即顯示“port：COM5 opened”。

3）GPRS通信參數(shù)的配置。系統(tǒng)選擇COMWAY通信協(xié)議，服務(wù)器地址為ds.fusionunix.com，端口號為9000。本系統(tǒng)DTU模塊ID號為306521200057，選擇自動連接工作模式；DTU串口通信參數(shù)：波特率為9600b/s，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，校驗位為0。這些參數(shù)必須和連接的ZigBee網(wǎng)關(guān)的串口通信參數(shù)完全相同，才能保證ZigBee網(wǎng)關(guān)、GPRS DTU和上位機的正常通信。

4）設(shè)置DTU進(jìn)入配置模式并讀取配置信息。將DTU連接計算機串口，在DTU上電之前，點擊“DTU進(jìn)入配置模式”；然后上電，DTU啟動后自動進(jìn)入配置模式；再點擊“讀取DTU模塊配置”，讀取DTU設(shè)定的參數(shù)。

5）通過短信發(fā)送AT指令配置。GPRS DTU也可以通過手機短信配置，一條手機短信可依次編輯多條AT指令。設(shè)置時發(fā)送以下指令：+AT^BAUD= 9 600；UTCF=810；SAVE。BAUD表示DTU串口通信速率為9 600 b/s；UTCF表示DTU串口通信格式，此處數(shù)據(jù)位設(shè)為8，停止位為1，校驗位為0。

1.5 COMWAY無線串口設(shè)置

COMWAY無線串口軟件與GPRS DTU配合使用，只需安裝COMWAY無線串口軟件，然后建立網(wǎng)關(guān)串口數(shù)據(jù)和上位機之間的無線通信信道，就可以接收所有傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)。無需公網(wǎng)固定IP地址，也不必設(shè)置網(wǎng)絡(luò)端口映射和動態(tài)域名。通過設(shè)置虛擬串口，可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備和遠(yuǎn)程計算機之間的無線對接。具體步驟如下：

1）啟動COMWAY無線串口軟件登陸到自己設(shè)定的賬戶，添加本設(shè)計的DTU設(shè)備。例如：GPRSDTU設(shè)備序列號為“306521200057”，名稱可設(shè)為“玻璃溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)”。

2）添加虛擬串口com10，并添加虛擬串口映射到DTU。

3）查看計算機設(shè)備管理器所添加的串口為“com10”，即完成虛擬串口設(shè)置。

2 傳感器與控制模塊設(shè)計

2.1 溫度傳感器LM 35D

表1 控制閾值設(shè)定表

選用LM35D測量空氣溫度，將測溫傳感器與放大電路集成在一起，測溫范圍為0～100℃，工作電壓為4～30V，測量誤差為±1℃，最大線性誤差為±0.5℃。傳感器輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系，每升高1℃，則輸出電壓增加10mV。實際使用時，取工作電壓為5.0V，傳感器輸出接CC2530 P0.2端口[7]。上位機測量數(shù)據(jù)x與實際溫度y有線性關(guān)系，經(jīng)擬合分析得：y=0.140x+5.685。

2.2 濕度傳感器AM 1001

選用AM1001測量空氣濕度，該傳感器輸出模擬電壓信號，具有精度高、可靠性高、一致性好、帶有溫度補償、長期穩(wěn)定性好、成本低等特點。工作電壓為4.75～5.25V，實際使用時，取工作電壓為5.0 V。測濕范圍為0～100%RH，電壓輸出為0～3.0V。傳感器輸出接CC2530 P0.3端口。上位機測量數(shù)據(jù)x與實際濕度y有線性關(guān)系，經(jīng)擬合分析得：y=0.054x-3.879。

2.3 土壤溫濕度傳感器SHT10

溫濕度傳感器SHT10輸出數(shù)字信號，內(nèi)部集成測濕元件、測溫元件、14位A/D轉(zhuǎn)換模塊以及串行接口電路。SHT10有4根連線，DATA引腳與CC2530 P0.1端口相連，確認(rèn)SCK引腳與CC2530 P1.7端口相連。

土壤溫濕度傳感器SHT10為已校準(zhǔn)數(shù)字量輸出的復(fù)合溫濕度傳感器，溫度測量準(zhǔn)確度為14 bit，濕度測量準(zhǔn)確度12bit。溫度傳感器輸出x與實際溫度y有線性關(guān)系：y=0.01x-39.66；濕度傳感器輸出x與相對濕度y有非線性關(guān)系：y=-2.8×10-6x2+ 0.0405x-0.4。

2.4 光強傳感器

采用硫化鎘光敏電阻φ5mm測量溫室光強。入射光增強，電阻減?。环粗?，電阻增大。將光敏電阻與1 kΩ電阻串聯(lián)，外加5.0V工作電壓，經(jīng)分壓后輸出接CC2530 P0.7端口。上位機測量數(shù)據(jù)x與實際光強y有非線性關(guān)系。經(jīng)擬合成分析，其二次函數(shù)為y=0.004x2-0.739x+84.21。

2.5 控制模塊

本系統(tǒng)采用下位機傳感器節(jié)點控制相應(yīng)調(diào)節(jié)設(shè)備。通過編寫程序，設(shè)置測量參數(shù)上下限，根據(jù)實測數(shù)據(jù)大小，改變CC2530的I/O口輸出電平高低，驅(qū)動繼電器控制模塊（驅(qū)動電路低電平有效）。

假設(shè)某植物適宜生長參數(shù)范圍：土壤溫度為10～30℃，土壤濕度為17%～44%RH，空氣溫度為15～37℃，空氣濕度為40%～70%RH，光照為500～5000 Lux。表1給出植物生長參數(shù)超出閾值時的原始值（即上位機監(jiān)測數(shù)據(jù)）和對應(yīng)CC2530 I/O口引腳狀態(tài)變化，狀態(tài)為“0”表示開啟調(diào)節(jié)設(shè)備，狀態(tài)為“1”表示關(guān)閉調(diào)節(jié)設(shè)備。

3 系統(tǒng)調(diào)試

上位機監(jiān)控軟件使用ZigBemPC平臺，在Visual Studio 2008（VS2008）開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行軟件設(shè)計。在完成傳感器節(jié)點軟件、網(wǎng)關(guān)軟件和上位機監(jiān)控軟件調(diào)試后，并確認(rèn)已經(jīng)成功設(shè)置GPRS DTU和COMWAY虛擬串口，方可實施系統(tǒng)調(diào)試。依次將ZigBee網(wǎng)關(guān)、各個傳感器節(jié)點和GPRS DTU（SIM卡已插入）上電，組網(wǎng)成功后，遠(yuǎn)程上位機監(jiān)控界面可顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、活動節(jié)點、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖。

本系統(tǒng)設(shè)計具有參數(shù)超限報警和控制功能。根據(jù)上位機監(jiān)測軟件設(shè)置的閾值范圍，一旦有傳感器采集的數(shù)據(jù)超出報警上、下限，監(jiān)控界面右上角紅色報警指示燈將閃爍、計算機發(fā)出報警聲。正常時界面顯示數(shù)據(jù)均為“黑色”，有傳感器節(jié)點超限時，該節(jié)點數(shù)據(jù)立即變成“紅色”，顯示報警傳感器節(jié)點編號和超出閾值的參數(shù)值（土壤溫濕度、空氣溫濕度和光照強度）。報警時，報警傳感器節(jié)點開啟或關(guān)閉相應(yīng)的控制設(shè)備，及時調(diào)節(jié)節(jié)點附近環(huán)境參數(shù)以達(dá)到適宜植物生長的正常狀態(tài)。

4 結(jié)束語

采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗的優(yōu)點，同時也克服了傳統(tǒng)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒扌?；在一個節(jié)點上集成土壤溫濕度、空氣溫濕度及光照強度多種傳感器和繼電器控制電路，充分利用CC2530模塊的資源，節(jié)省了硬件成本；選用GPRS DTU構(gòu)成ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)，采用COMWAY通信協(xié)議，設(shè)置虛擬串口，無需公網(wǎng)固定IP地址，也不必設(shè)置網(wǎng)絡(luò)端口映射和動態(tài)域名，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了溫室大棚參數(shù)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測與有效控制。系統(tǒng)經(jīng)組網(wǎng)測試，性能穩(wěn)定可靠，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

[1]孫玉文，沈明霞，陸明州，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011（3）：639-644.

[2]陳輝.基于ZigBee與GPRS的溫室番茄遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[3]蔡利婷.基于ZigBee和GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]張青春，王偉庚，孫志勇.ZigBee技術(shù)在塔吊安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機測量與控制，2014（8）：615-2617.

[5]張青春.基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)探測報警傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].中國測試，2013（4）：73-75.

[6]張青春.基于WSN和WSVR算法的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)[J].消防科學(xué)技術(shù)，2012（10）：1075-1077.

[7]張青春.基于CC2530農(nóng)作物生長參數(shù)監(jiān)測無線傳感器節(jié)點的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2013（1）：44-47.

Design of greenhouse parameters remote monitoring system based on WSN and COMWAY protocol

ZHANG Qingchun，ZOU Shihang，WANG Yan
（Electronic and Electrical Engineering Faculty of Huaiyin Institute of Technology，Huaian 223003，China）

In view of the existing circumstances of traditional greenhouse parameters monitoring status，the WSN，GPRS technology and COMWAY communication protocol have been applied in the remote monitoring system of glass greenhouse parameters.The WSN nodes were designed to monitor and control the temperature and humidity of the soil and the air as well as the light intensity.Field monitoring data were uploaded to a remote computer to be displayed and processed in time through the WSN nodes，ZigBee-GPRS gateway and Internet network.The field regulating equipment was wirelessly docked with the remote computer through the COMWAY virtual serial port.The network debugging indicates that this system is reliable and stable with accurate measurement data，high cost performance and applicable value.

WSN；GPRS DTU；COMWAY protocol；greenhouse；remote monitoring

A文章編號：1674-5124（2015）06-0072-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.017

2014-10-15；

2014-12-09

江蘇省淮安市科技創(chuàng)新載體平臺建設(shè)項目（HAP201107）

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新實踐計劃（201311049029）

張青春（1964-），男，教授，研究方向為自動檢測技術(shù)、無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能儀器設(shè)計與虛擬儀器技術(shù)等。