基于WSN和COMWAY協議溫室大棚參數遠程監控系統設計

張青春，鄒士航，王燕

（淮陰工學院電子與電氣工程學院，江蘇淮安223003）

基于WSN和COMWAY協議溫室大棚參數遠程監控系統設計

張青春，鄒士航，王燕

（淮陰工學院電子與電氣工程學院，江蘇淮安223003）

針對傳統溫室大棚參數監控的現狀，將WSN、GPRS技術和COMWAY通信協議應用于玻璃溫室大棚參數遠程監控系統，設計專用WSN節點，實現溫室土壤溫濕度、空氣溫濕度和光強監測與控制功能。現場監測數據通過WSN節點、ZigBee-GPRS網關和Internet網絡上傳到遠程計算機進行實時顯示和處理。采用COMWAY虛擬串口技術，實現現場調節設備和遠程計算機之間的無線對接。經組網調試，系統性能穩定可靠，測量數據準確，具有較高的性價比和推廣應用價值。

WSN；GPRS DTU；COMWAY協議；溫室大棚；遠程監控

0 引言

玻璃溫室大棚克服了傳統農業對自然環境的依賴性，改變了農業生產方式。本系統利用WSN和GPRS技術，實時監測玻璃溫室大棚農作物生長參數，監測數據通過ZigBee-GPRS網關、Internet網絡，傳輸到遠程計算機。系統具有測量精度高、安裝便捷、可控性強等優點，可以有效克服傳統農業環境監控系統的各種缺陷，實現溫室環境參數遠程實時監控，滿足現代農業生產需求，具有一定的實用性和推廣應用價值[1-2]。

1 系統方案設計

本系統通過ZigBee無線傳感器節點對溫室大棚內農作物生長的參數進行實時監測，通過ZigBee網關，將各個節點數據信息發送到近程上位機。在ZigBee網關上增加GPRS DTU設備構成ZigBee-GPRS網關，再通過中國移動基站、Internet網絡傳輸到遠程上位機。上位機監測界面顯示各節點實時數據，如果數據超出閾值范圍，就會發出報警聲并顯示相應報警的傳感器節點，提醒監測人員。現場傳感器節點根據所接收到的數據變化和設定不同參數的上下限，開啟或者關閉相應的控制裝置，從而實現玻璃溫室大棚植物生長參數遠程監測與現場有效控制。

1.1 系統網絡結構圖

本系統主要由無線傳感器網絡節點（負責采集溫室內節點附近的溫度、濕度和光照強度等數據，當數據超出閾值可啟動相應的調節設備）、ZigBee網關（實現近程數據傳輸）、ZigBee-GPRS網關（實現遠距離數據傳輸）和遠、近程計算機（對上傳數據進行數據融合處理并顯示）等組成[3-4]。系統網絡結構圖如圖1所示。

圖1 玻璃溫室大棚系統網絡結構

1.2 無線傳感器網絡節點

無線傳感器節點包括電源模塊、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，維持整個監控系統正常運行。

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

無線傳感器節點以CC2530模塊為核心，將采集數據無線發送給網關，同時將采集數據與設定植物生長參數閾值進行比較，通過控制模塊開啟或關閉相應的調節設備[3]。無線傳感器網絡節點如圖2所示。

圖2 無線傳感器網絡節點

1.3 網關

1.3.1 ZigBee網關

ZigBee網關由RS232轉UART底板、3.3V供電的按鍵電路和CC2530模塊構成。ZigBee網關處理器CC2530主要負責燒寫程序、數據信息匯聚、數據收發以及程序測試。RS232轉UART底板上RS232轉USB接口，方便與具有不同操作系統的計算機進行RS232通信，USB接口可直接與計算機相連，進行近程數據通信，狀態燈用來指示是否組網成功和接收數據。

1.3.2 ZigBee-GPRS網關

在ZigBee網關基礎上，加一個RS232轉TTL模塊和一個GPRS DTU模塊，構成ZigBee-GPRS網關。RS232轉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，數據經ZigBee-GPRS網關，實現遠程通信，結構框圖如圖3所示。

1.4 WG-8010 GPRS DTU

WG-8010 GPRS DTU內部自帶的GPRS模塊，完成一次初始化配置后，它可以通過GPRS和Internet網絡實現用戶設備和服務器的連接功能，從而實現數據傳輸。

圖3 ZigBee-GPRS網關結構框圖

1.4.1 主要功能特性

支持GPRS和GSM；傳輸模式有COMWAY協議、透傳協議等；支持TCP、UDP；100K超大緩存；可以隨時在線，支持多種遠程喚醒方式；通過短信可實現參數遠程配置和查詢功能。

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進入自動連接模式。

2）配置本機串口通信參數。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通信參數的配置。系統選擇COMWAY通信協議，服務器地址為ds.fusionunix.com，端口號為9000。本系統DTU模塊ID號為306521200057，選擇自動連接工作模式；DTU串口通信參數：波特率為9600b/s，數據位為8，停止位為1，校驗位為0。這些參數必須和連接的ZigBee網關的串口通信參數完全相同，才能保證ZigBee網關、GPRS DTU和上位機的正常通信。

4）設置DTU進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進入配置模式”；然后上電，DTU啟動后自動進入配置模式；再點擊“讀取DTU模塊配置”，讀取DTU設定的參數。

5）通過短信發送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。設置時發送以下指令：+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，此處數據位設為8，停止位為1，校驗位為0。

1.5 COMWAY無線串口設置

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，然后建立網關串口數據和上位機之間的無線通信信道，就可以接收所有傳感節點的數據。無需公網固定IP地址，也不必設置網絡端口映射和動態域名。通過設置虛擬串口，可實現現場設備和遠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定的賬戶，添加本設計的DTU設備。例如：GPRSDTU設備序列號為“306521200057”，名稱可設為“玻璃溫室大棚監控系統”。

2）添加虛擬串口com10，并添加虛擬串口映射到DTU。

3）查看計算機設備管理器所添加的串口為“com10”，即完成虛擬串口設置。

2 傳感器與控制模塊設計

2.1 溫度傳感器LM 35D

表1 控制閾值設定表

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呈線性關系，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]。上位機測量數據x與實際溫度y有線性關系，經擬合分析得：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。上位機測量數據x與實際濕度y有線性關系，經擬合分析得：y=0.054x-3.879。

2.3 土壤溫濕度傳感器SHT10

溫濕度傳感器SHT10輸出數字信號，內部集成測濕元件、測溫元件、14位A/D轉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SCK引腳與CC2530 P1.7端口相連。

土壤溫濕度傳感器SHT10為已校準數字量輸出的復合溫濕度傳感器，溫度測量準確度為14 bit，濕度測量準確度12bit。溫度傳感器輸出x與實際溫度y有線性關系：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，電阻減小；反之，電阻增大。將光敏電阻與1 kΩ電阻串聯，外加5.0V工作電壓，經分壓后輸出接CC2530 P0.7端口。上位機測量數據x與實際光強y有非線性關系。經擬合成分析，其二次函數為y=0.004x2-0.739x+84.21。

2.5 控制模塊

本系統采用下位機傳感器節點控制相應調節設備。通過編寫程序，設置測量參數上下限，根據實測數據大小，改變CC2530的I/O口輸出電平高低，驅動繼電器控制模塊（驅動電路低電平有效）。

假設某植物適宜生長參數范圍：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給出植物生長參數超出閾值時的原始值（即上位機監測數據）和對應CC2530 I/O口引腳狀態變化，狀態為“0”表示開啟調節設備，狀態為“1”表示關閉調節設備。

3 系統調試

上位機監控軟件使用ZigBemPC平臺，在Visual Studio 2008（VS2008）開發環境下進行軟件設計。在完成傳感器節點軟件、網關軟件和上位機監控軟件調試后，并確認已經成功設置GPRS DTU和COMWAY虛擬串口，方可實施系統調試。依次將ZigBee網關、各個傳感器節點和GPRS DTU（SIM卡已插入）上電，組網成功后，遠程上位機監控界面可顯示網絡拓撲圖、活動節點、實時監測數據和監測數據曲線圖。

本系統設計具有參數超限報警和控制功能。根據上位機監測軟件設置的閾值范圍，一旦有傳感器采集的數據超出報警上、下限，監控界面右上角紅色報警指示燈將閃爍、計算機發出報警聲。正常時界面顯示數據均為“黑色”，有傳感器節點超限時，該節點數據立即變成“紅色”，顯示報警傳感器節點編號和超出閾值的參數值（土壤溫濕度、空氣溫濕度和光照強度）。報警時，報警傳感器節點開啟或關閉相應的控制設備，及時調節節點附近環境參數以達到適宜植物生長的正常狀態。

4 結束語

采用ZigBee技術構建的無線傳感器網絡具有低成本、低功耗的優點，同時也克服了傳統有線傳感器網絡數據傳輸的局限性；在一個節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，節省了硬件成本；選用GPRS DTU構成ZigBee-GPRS網關，采用COMWAY通信協議，設置虛擬串口，無需公網固定IP地址，也不必設置網絡端口映射和動態域名，簡化了系統設計，實現了溫室大棚參數遠程實時監測與有效控制。系統經組網測試，性能穩定可靠，監測數據準確，具有較高的推廣應用價值。

[1]孫玉文，沈明霞，陸明州，等.無線傳感器網絡在農業中的應用研究現狀與展望[J].浙江農業學報，2011（3）：639-644.

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

[3]蔡利婷.基于ZigBee和GPRS的遠程監控應用研究[D].廣州：廣東工業大學，2012.

[4]張青春，王偉庚，孫志勇.ZigBee技術在塔吊安全監測預警系統中的應用[J].計算機測量與控制，2014（8）：615-2617.

[5]張青春.基于ZigBee技術的火災探測報警傳感器網絡設計[J].中國測試，2013（4）：73-75.

[6]張青春.基于WSN和WSVR算法的火災預警系統[J].消防科學技術，2012（10）：1075-1077.

[7]張青春.基于CC2530農作物生長參數監測無線傳感器節點的設計[J].制造業自動化，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新載體平臺建設項目（HAP201107）

江蘇省大學生創新實踐計劃（201311049029）

張青春（1964-），男，教授，研究方向為自動檢測技術、無線傳感器及其網絡技術、智能儀器設計與虛擬儀器技術等。