張健+阮海清

摘 要：為了準(zhǔn)確檢測園藝植物的環(huán)境和生理數(shù)據(jù)，使對園藝植物的管理變得簡單和智能化，文中設(shè)計了基于無線傳感器和3G網(wǎng)絡(luò)的檢測系統(tǒng)，以將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC端提供決策支持。該系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點、WSN、嵌入式網(wǎng)關(guān)、PC端界面，并初步實驗證明了該系統(tǒng)的合理性與可靠性。

關(guān)鍵詞：園藝植物；物聯(lián)網(wǎng)；3G；PC端

中圖分類號：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于花卉生長中，能及時獲取植物的生長環(huán)境和各種生理指標(biāo)[1]。通過集成各種傳感器，可以探測包括溫濕度、光照度、二氧化碳濃度、土壤pH值等農(nóng)田信息[2]。而用植株莖干直徑變化法來衡量作物的生理情況，具有簡單易行、對植株不具有破壞性、可持續(xù)檢測和自動積累的特點[3]。

本文實現(xiàn)了一種集溫濕度、二氧化碳濃度、植物莖干直徑檢測于一體的植物生理檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能將檢測到的數(shù)據(jù)信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的PC機(jī)，給管理者提供決策支持。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器節(jié)點）采集環(huán)境和植物生理信息，通過ZigBee協(xié)議構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口將數(shù)據(jù)送給嵌入式平臺，再由3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿挥谶h(yuǎn)端的PC平臺供管理者決策使用。本系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 各模塊簡介

數(shù)據(jù)采集模塊由莖干直徑探測器、溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器等采集作物生長信息。莖干直徑探測器由可變差動放大器（LVDT）和控制電路構(gòu)成。LVDT是把被測位移量變換為電信號的傳感器[4]。將其固定在被測植株莖干部位，通過與CC2530連接自動記錄植株莖干直徑微變化[3]。安裝后能在不影響作物生長的情況下持續(xù)測量作物莖干直徑變化。CO2濃度傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理測量空氣中的CO2濃度，有很好的選擇性，無氧氣依賴性。

圖2所示為傳感器與CC2530的接口電路原理圖。溫濕度傳感器SHT10通過I2C接口連接到CC2530的P1_2、P1_3引腳，CO2傳感器和LVDT連接到CC2530的串行口P0_2、P0_3引腳。

無線傳感器由傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點構(gòu)成，本文采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和ZigBee2007協(xié)議棧。傳感器把采集到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)融合后，再通過串口傳輸?shù)角度胧狡脚_。

嵌入式平臺主要用于通過串口接收傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)，能夠顯示植物生長環(huán)境和生理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的檢測。接受遠(yuǎn)端計算機(jī)對數(shù)據(jù)的請求，通過3G網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程的PC端發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)。

PC端是一個位于遠(yuǎn)端的主機(jī)，通過3G網(wǎng)絡(luò)向嵌入式平臺發(fā)出數(shù)據(jù)請求，獲取植物的生理參數(shù)及環(huán)境信息，對接收到的信息進(jìn)行處理，提交給控制中心進(jìn)行后續(xù)的控制動作。PC端包括了PC機(jī)、3G模塊以及人機(jī)交互界面。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)計并實現(xiàn)植物生理檢測系統(tǒng)軟件時，應(yīng)重點解決三點關(guān)鍵技術(shù)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序、嵌入式平臺軟件、PC端軟件。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序

本系統(tǒng)采用基于ZigBee協(xié)議組建無線傳感網(wǎng)，在實現(xiàn)上除了硬件環(huán)境外，還需要合理的軟件設(shè)計，以保證系統(tǒng)長久穩(wěn)定可靠的運行[5]。協(xié)調(diào)器初始化并建立起網(wǎng)絡(luò)后，等待其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，隨后傳感器節(jié)點初始化，并申請加入到先前建立的無線網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器完成綁定成功組網(wǎng)后，設(shè)備運行維護(hù)狀態(tài)，傳感器節(jié)點每隔3秒采集和發(fā)送數(shù)據(jù)信息。協(xié)調(diào)器執(zhí)行輪詢循環(huán)程序，并通過終端處理來接受其他設(shè)備發(fā)來的信息。圖3所示是協(xié)調(diào)器與傳感器的工作流程圖。

系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計包括傳感器節(jié)點驅(qū)動和協(xié)調(diào)器程序。傳感器節(jié)點中傳感器采集到數(shù)據(jù)后通過UART或者I2C總線發(fā)送給CC2530單片機(jī)。單片機(jī)復(fù)位后完成節(jié)點初始化及數(shù)據(jù)端口驅(qū)動后，立即搜尋、發(fā)現(xiàn)并加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)協(xié)調(diào)器允許其加入后，即建立綁定關(guān)系，然后進(jìn)入“睡眠-喚醒采集數(shù)據(jù)-睡眠”的低功耗模式。

協(xié)調(diào)器復(fù)位完成初始化工作后，建立具有唯一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)入監(jiān)控模式，當(dāng)有傳感器節(jié)點申請加入時，允許綁定并對該節(jié)點發(fā)送相應(yīng)并分配16位短地址；當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時，接收處理數(shù)據(jù)并發(fā)送給嵌入式平臺。

圖3 協(xié)調(diào)器與傳感器工作流程

2.2 嵌入式平臺軟件設(shè)計

嵌入式平臺可起到網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)處理的作用。它通過串口接收協(xié)調(diào)器傳送過來的數(shù)據(jù)信息，在對信息進(jìn)行加工處理后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)端的PC機(jī)。本部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集端口驅(qū)動、3G模塊數(shù)據(jù)端口的驅(qū)動和數(shù)據(jù)庫。串口讀寫操作使用Linux底層串口操作，使用非阻塞方式讀寫串口，所有程序采用Qt在Linux環(huán)境下編寫。

數(shù)據(jù)采集端口驅(qū)動負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并采用輪詢的方式讀取串口數(shù)據(jù)，在傳感器數(shù)據(jù)正常情況下，每隔3 s上報一次，環(huán)境參數(shù)變化過快時，每隔1 s上報一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中采用多線程循環(huán)讀取并解析傳感器數(shù)據(jù)。

3G模塊數(shù)據(jù)端口驅(qū)動負(fù)責(zé)3G模塊之間的短信通信，采用多線程循環(huán)讀取短信數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行解析處理。短信讀取時，通過串口使用AT指令給3G模塊數(shù)據(jù)串口（ttyUSB0）發(fā)送讀寫短信的指令。關(guān)鍵代碼如下：

void com_msg（int fd，char *number， char *text）

{

char ctl[]={26，0}；

com_writecmd（fd，"AT"， strlen（"AT"））；

com_writecmd（fd， "ATE1"， strlen（"ATE1"））；

com_writecmd（fd， "AT+CMGF=1"， strlen（"AT+CMGF=1"））；

com_write（fd， "AT+CMGS="， strlen（"AT+CMGS="））；

com_write（fd， "＼""， strlen（"＼""））；

com_write（fd， number， strlen（number））；

com_write（fd， "＼""， strlen（"＼""））；

com_write（fd ，"＼r"， strlen（"＼r"））；

usleep（10000）；

com_write（fd， text， strlen（text））；

com_write（fd， ctl， 1）； //“CTRL+Z”的ASCII碼

usleep（300000）；

}

本系統(tǒng)使用進(jìn)程內(nèi)數(shù)據(jù)庫SQLite，該數(shù)據(jù)庫小巧靈活，無須額外安裝配置且支持大部分ANSISQL92標(biāo)準(zhǔn)，而且編程簡單。SQLite數(shù)據(jù)庫支持大部分基本SQL操作，如SELECT、INSERT、DELETE等。下面為插入的操作代碼：

if（dbData.open（））//插入數(shù)據(jù)

{

QSqlQuery query（dbData）；

query.prepare（"INSERT INTO tableData "

"VALUES （？，？，？，？，？）"）；

query.bindValue（0，QDate：：currentDate（）.toString（"yyyy-MM-dd"） + " " +QTime：：currentTime（）.toString（"hh：mm：ss"））；

query.bindValue（1，QString：：number（sendData->ppm））； query.bindValue（2，QString：：number（（sendData->temp1+sendData->temp2）/2））； query.bindValue（3，QString：：number（（sendData->humi1+sendData->humi2）/2））；

query.bindValue（4，QString：：number（sendData->shift））；

query.exec（）；

}

2.3 PC端軟件設(shè)計

PC端是位于遠(yuǎn)端的主機(jī)，可通過3G網(wǎng)絡(luò)對嵌入式平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)請求和操作，以獲取熱帶花卉作物生理參數(shù)及環(huán)境信息，實時操控數(shù)據(jù)接收頻率，對于接收到信息的處理，完成對于花卉作物的生理監(jiān)測，系統(tǒng)運行于Linux系統(tǒng)下，采用Qt編程。

PC端程序主要包括3G模塊數(shù)據(jù)端驅(qū)動、短信讀寫、數(shù)據(jù)庫操作等。串口讀寫操作封裝為串口操作類Win_QextSerialPort，并能完成串口打開、關(guān)閉、讀寫等操作。

3 實驗結(jié)果及分析

在IAR Embeded Workbench IDE下，打開f8wConfig.cfg文件，配置好CHANNEL和網(wǎng)絡(luò)PANID，編譯生成傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的Hex文件，分別燒入對應(yīng)節(jié)點的CC2530。

在嵌入式平臺移植Linux操作系統(tǒng)，搭建Qt運行環(huán)境，下載嵌入式平臺軟件并設(shè)置好運行環(huán)境。重啟系統(tǒng)后，WSN自動組網(wǎng)，主動上報傳感器數(shù)據(jù)。PC端在windows XP環(huán)境下安裝PC端軟件。

測試時，在被測植物附近安裝檢測平臺，在作物莖干部位安裝LVDT，嵌入式平臺距PC端約1.5千米。圖4是PC端的測試結(jié)果。

上述測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能正確地檢測出植物的生長環(huán)境及生理數(shù)據(jù)，并通過3G網(wǎng)絡(luò)可靠的傳送到遠(yuǎn)端的PC機(jī)，給觀賞園藝植物的栽培管理決策提供數(shù)據(jù)支持。

圖4 PC端讀出數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

將物聯(lián)網(wǎng)運用到園藝植物養(yǎng)護(hù)上，可解決很多植物愛護(hù)者的困境。通過檢測系統(tǒng)實時了解植物當(dāng)前的生長環(huán)境和生理指標(biāo)，從而為正確決策提供數(shù)據(jù)支持。本系統(tǒng)采用3G無線通信，便于安裝和控制，在加入控制器后，就能適用于規(guī)?；N植和家庭智能養(yǎng)護(hù)使用。

當(dāng)LVDT測量莖干直徑時，會對莖干具有一定的壓迫性，尤其是應(yīng)用于比較嬌嫩的花卉植物時尤其明顯，下一步的研究是用機(jī)器視覺取代LVDT。

參考文獻(xiàn)

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