基于物聯網的觀賞園藝植物生理檢測系統

張健+阮海清

摘 要：為了準確檢測園藝植物的環境和生理數據，使對園藝植物的管理變得簡單和智能化，文中設計了基于無線傳感器和3G網絡的檢測系統，以將采集的數據傳輸到遠程PC端提供決策支持。該系統包括傳感器節點、WSN、嵌入式網關、PC端界面，并初步實驗證明了該系統的合理性與可靠性。

關鍵詞：園藝植物；物聯網；3G；PC端

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

0 引 言

將農業物聯網應用于花卉生長中，能及時獲取植物的生長環境和各種生理指標[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、可持續檢測和自動積累的特點[3]。

本文實現了一種集溫濕度、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。該系統能將檢測到的數據信息通過無線傳感器網絡和3G網絡傳輸到遠端的PC機，給管理者提供決策支持。

1 系統硬件設計

1.1 系統結構

本系統由數據采集模塊（傳感器節點）采集環境和植物生理信息，通過ZigBee協議構建無線傳感器網絡將數據送到協調器節點，協調器節點通過串口將數據送給嵌入式平臺，再由3G網絡傳輸到位于遠端的PC平臺供管理者決策使用。本系統的系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 各模塊簡介

數據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點和匯聚節點構成，本文采用星型網絡拓撲結構和ZigBee2007協議棧。傳感器把采集到的數據傳送到匯聚節點進行簡單的數據融合后，再通過串口傳輸到嵌入式平臺。

嵌入式平臺主要用于通過串口接收傳感器網絡傳送的數據，能夠顯示植物生長環境和生理數據，實現對數據的檢測。接受遠端計算機對數據的請求，通過3G網絡向遠程的PC端發送傳感器數據。

PC端是一個位于遠端的主機，通過3G網絡向嵌入式平臺發出數據請求，獲取植物的生理參數及環境信息，對接收到的信息進行處理，提交給控制中心進行后續的控制動作。PC端包括了PC機、3G模塊以及人機交互界面。

2 系統軟件設計

設計并實現植物生理檢測系統軟件時，應重點解決三點關鍵技術：無線傳感器網絡程序、嵌入式平臺軟件、PC端軟件。

2.1 無線傳感器網絡程序

本系統采用基于ZigBee協議組建無線傳感網，在實現上除了硬件環境外，還需要合理的軟件設計，以保證系統長久穩定可靠的運行[5]。協調器初始化并建立起網絡后，等待其他設備加入網絡，隨后傳感器節點初始化，并申請加入到先前建立的無線網絡中。當傳感器節點與協調器完成綁定成功組網后，設備運行維護狀態，傳感器節點每隔3秒采集和發送數據信息。協調器執行輪詢循環程序，并通過終端處理來接受其他設備發來的信息。圖3所示是協調器與傳感器的工作流程圖。

系統中的無線傳感器網絡程序設計包括傳感器節點驅動和協調器程序。傳感器節點中傳感器采集到數據后通過UART或者I2C總線發送給CC2530單片機。單片機復位后完成節點初始化及數據端口驅動后，立即搜尋、發現并加入ZigBee網絡，當協調器允許其加入后，即建立綁定關系，然后進入“睡眠-喚醒采集數據-睡眠”的低功耗模式。

協調器復位完成初始化工作后，建立具有唯一網絡標識的ZigBee網絡并進入監控模式，當有傳感器節點申請加入時，允許綁定并對該節點發送相應并分配16位短地址；當有數據傳輸時，接收處理數據并發送給嵌入式平臺。

圖3 協調器與傳感器工作流程

2.2 嵌入式平臺軟件設計

嵌入式平臺可起到網關和數據處理的作用。它通過串口接收協調器傳送過來的數據信息，在對信息進行加工處理后通過GPRS網絡傳輸給遠端的PC機。本部分主要包括傳感器數據采集端口驅動、3G模塊數據端口的驅動和數據庫。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環境下編寫。

數據采集端口驅動負責接收協調器發送過來的數據，并采用輪詢的方式讀取串口數據，在傳感器數據正常情況下，每隔3 s上報一次，環境參數變化過快時，每隔1 s上報一次數據，系統中采用多線程循環讀取并解析傳感器數據。

3G模塊數據端口驅動負責3G模塊之間的短信通信，采用多線程循環讀取短信數據，并對其進行解析處理。短信讀取時，通過串口使用AT指令給3G模塊數據串口（ttyUSB0）發送讀寫短信的指令。關鍵代碼如下：

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）；

}

本系統使用進程內數據庫SQLite，該數據庫小巧靈活，無須額外安裝配置且支持大部分ANSISQL92標準，而且編程簡單。SQLite數據庫支持大部分基本SQL操作，如SELECT、INSERT、DELETE等。下面為插入的操作代碼：

if（dbData.open（））//插入數據

{

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端軟件設計

PC端是位于遠端的主機，可通過3G網絡對嵌入式平臺進行數據請求和操作，以獲取熱帶花卉作物生理參數及環境信息，實時操控數據接收頻率，對于接收到信息的處理，完成對于花卉作物的生理監測，系統運行于Linux系統下，采用Qt編程。

PC端程序主要包括3G模塊數據端驅動、短信讀寫、數據庫操作等。串口讀寫操作封裝為串口操作類Win_QextSerialPort，并能完成串口打開、關閉、讀寫等操作。

3 實驗結果及分析

在IAR Embeded Workbench IDE下，打開f8wConfig.cfg文件，配置好CHANNEL和網絡PANID，編譯生成傳感器節點和協調器節點的Hex文件，分別燒入對應節點的CC2530。

在嵌入式平臺移植Linux操作系統，搭建Qt運行環境，下載嵌入式平臺軟件并設置好運行環境。重啟系統后，WSN自動組網，主動上報傳感器數據。PC端在windows XP環境下安裝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端的測試結果。

上述測試結果表明，本系統能正確地檢測出植物的生長環境及生理數據，并通過3G網絡可靠的傳送到遠端的PC機，給觀賞園藝植物的栽培管理決策提供數據支持。

圖4 PC端讀出數據

4 結 語

將物聯網運用到園藝植物養護上，可解決很多植物愛護者的困境。通過檢測系統實時了解植物當前的生長環境和生理指標，從而為正確決策提供數據支持。本系統采用3G無線通信，便于安裝和控制，在加入控制器后，就能適用于規模化種植和家庭智能養護使用。

當LVDT測量莖干直徑時，會對莖干具有一定的壓迫性，尤其是應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器視覺取代LVDT。

參考文獻

[1] 賴望峰.農作物聯網在現代花卉生產中的作用[J].中國花卉園藝，2010（20）：28-29.

[2] 孫玉文.基于無線傳感器網絡的農田環境檢測系統研究與實現[D].南京：南京農業大學，2013.

[3] 高峰，俞立，張文安，等.基于莖直徑變化的無線傳感器網絡作物精量灌溉系統[J].農業工程學報，2008，24（11）：7-12.

[4] 李雪寶，許駿，宋騰飛，等.基于數字位移傳感器的位移測量系統[J].現代電子技術，2010，33（5）：95-97.

[5] 胡培金，江挺，趙燕東.基于zigbee無線網絡的土壤墑情監控系統[J].農業工程學報，2011，27（4）：230-234.