基于6LoWPAN和WLAN的溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)*

馮春衛(wèi) ，胡國強(qiáng)

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) )

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基于6LoWPAN和WLAN的溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)*

馮春衛(wèi)1，胡國強(qiáng)2

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) )

針對溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)管理和擴(kuò)展能力不足、集中式監(jiān)控能力差等問題，結(jié)合6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)和WLAN的快速演進(jìn)，在綜合考慮溫室大棚監(jiān)測智能化的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于6LoWPAN和WLAN的溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用6LoWPAN協(xié)議實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)與互聯(lián)網(wǎng)之間的點到點通信，實現(xiàn)了溫室大棚內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，可滿足溫室大棚智能監(jiān)測的需求。

6LoWPAN；WLAN；溫室大棚；監(jiān)測系統(tǒng)

引 言

溫室大棚作為智慧農(nóng)業(yè)的主要組成部分，其智能化程度影響著我國農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展。現(xiàn)有的溫室大棚監(jiān)控以單片機(jī)設(shè)備為主，集中監(jiān)控和擴(kuò)展能力不足。目前，國內(nèi)已有專家和學(xué)者對大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的課題開展研究，韓建等基于Android與GSM設(shè)計并實現(xiàn)了溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；苗鳳娟等設(shè)計了基于ARM的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；蔣鼎國實現(xiàn)了基于GPRS的溫室大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)；侯波等運(yùn)用LabVIEW和GSM實現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；李軍科等基于USB存儲與GPRS對溫室大棚環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測；劉仲鵬等對基于ZigBee協(xié)議溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以上研究都是利用各種技術(shù)實現(xiàn)溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，還沒有研究將6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于溫室大棚環(huán)境監(jiān)測。

6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)是由IETF 6LoWPAN工作組定義的新型WSN，其基于標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4，使用16位短地址實現(xiàn)IPv6通信[8]。

本文提出一種基于6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)和WLAN應(yīng)用于溫室大棚環(huán)境感知和監(jiān)測。用戶可以通過手機(jī)WIFI實時獲取溫室大棚內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)異常，采取有效措施保證溫室大棚作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

① 溫室大棚環(huán)境信息的感知和傳輸，終端用戶可以通過基于WIFI的WLAN查看感知的信息。

② 點到點的數(shù)據(jù)訪問和控制，用戶不僅可以實時監(jiān)測環(huán)境信息，而且可以對傳感器節(jié)點進(jìn)行控制。

③ 監(jiān)測溫室大棚環(huán)境異常時及時報警。

1.2 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)按功能模塊劃分為三大部分：

① 6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)。由6LoWPAN傳感節(jié)點和邊緣路由器組成，用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)或者根據(jù)后臺指令執(zhí)行具體的操作；

② 傳輸網(wǎng)絡(luò)。用于感知數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

③ 數(shù)據(jù)管理服務(wù)器和用戶終端。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由不同功能的傳感器節(jié)點組成，每個節(jié)點均可配置IPv6地址，采用樹形組網(wǎng)方式。6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過邊緣路由器將監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿踊ヂ?lián)網(wǎng)，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)與傳感節(jié)點進(jìn)行點到點通信，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于記錄傳感器節(jié)點IP地址及其提供的服務(wù)類型[9]，其他用戶也可以通過訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取溫室大棚環(huán)境信息。

2 傳感器節(jié)點設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點由RF收發(fā)器、微控制MCU以及傳感單元三部分組成，具體設(shè)計如圖2所示。

選用的處理器內(nèi)核為ARM Cortex-M3， 此MCU具有高達(dá)48 MHz 的時鐘速度 ，512 KB 系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，32 KB 緩存靜態(tài) RAM。RF收發(fā)器采用支持2.4 GHz的 CC2538芯片，支持規(guī)范IEEE 802.15.4 協(xié)議。傳感單元感知大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)后發(fā)送到傳感節(jié)點的MCU處理，處理后經(jīng)過RF收發(fā)器發(fā)給邊緣路由器。傳感器節(jié)點通過RF收發(fā)器接收邊緣路由器的數(shù)據(jù)包，MCU對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理后發(fā)送命令給傳感單元。

圖2 傳感器節(jié)點硬件架構(gòu)

2.2 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點加電后，Contiki系統(tǒng)開始初始化，處于監(jiān)聽邊緣路由器的狀態(tài)。邊緣路由器一旦通過6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來數(shù)據(jù)包，傳感器節(jié)點就對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。解析結(jié)果是監(jiān)測指令，傳感器節(jié)點就將當(dāng)前傳感器狀態(tài)信息通過RF射頻模塊發(fā)送給邊緣路由器；解析結(jié)果如果是控制指令，傳感器節(jié)點將會控制所連接的傳感器的開關(guān)狀態(tài)，將最終狀態(tài)信息通過RF射頻模塊發(fā)送給邊緣路由器[10]，傳感器節(jié)點軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計流程

3 邊緣路由器設(shè)計

3.1 邊緣路由器硬件設(shè)計

6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)邊緣路由器連接互聯(lián)網(wǎng)和WSN網(wǎng)絡(luò)，其主要功能是實現(xiàn)WSN和互聯(lián)網(wǎng)的相互通信。文章采用雙MCU架構(gòu)來實現(xiàn)，即將6LoWPAN傳感節(jié)點和Linux開發(fā)板用串口連接起來，具體設(shè)計如圖4所示。

圖4 邊緣器節(jié)點硬件架構(gòu)

6LoWPAN傳感節(jié)點的硬件配置跟2.1節(jié)中設(shè)計的配置一致，開發(fā)板MCU為MCIMX6 ARM Cortex-A9 Processors，內(nèi)存2 GB，F(xiàn)lash為8 GB EMMC，WIFI模塊支持IEEE 802.11b/g/n協(xié)議。6LoWPAN邊緣路由器從WLAN接口接收互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)包，MCU對數(shù)據(jù)包進(jìn)行精簡處理，并將精簡的數(shù)據(jù)包通過RF收發(fā)器發(fā)送到支持6LoWPAN的WSN；從RF收發(fā)器接收6LoWPAN傳感器節(jié)點發(fā)送的精簡數(shù)據(jù)包還原后通過WLAN將完整的數(shù)據(jù)包發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

3.2 邊緣路由器軟件設(shè)計

圖5 邊緣路由器 軟件流程

邊緣路由器上電初始化之后，處于監(jiān)聽UDP端口信息狀態(tài)，等待上位機(jī)軟件發(fā)來的數(shù)據(jù)包。一旦上位機(jī)軟件發(fā)來數(shù)據(jù)包，先解析數(shù)據(jù)包，解析后的數(shù)據(jù)包由邊緣路由器的RF射頻模塊向6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)報文。在設(shè)置的時間段內(nèi)，不管6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)有沒有響應(yīng)邊緣路由器[10]，邊緣路由器都會將響應(yīng)狀態(tài)通過WLAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)軟件，邊緣路由器軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

3.3 上位機(jī)軟件和管理數(shù)據(jù)庫設(shè)計

溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)軟件是基于圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)的，由于數(shù)據(jù)類型相對單一，采集的數(shù)據(jù)量少，文章采用Access數(shù)據(jù)庫。上位機(jī)和管理數(shù)據(jù)庫按功能模塊劃分為參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、報警處理等部分[1]。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)WSN和上位機(jī)通信功能、對傳感器節(jié)點的監(jiān)測和預(yù)警、歷史測量數(shù)據(jù)查詢和導(dǎo)出功能。

實施過程如下：

安裝LabVIEW開發(fā)環(huán)境，設(shè)計人機(jī)交互界面。

建立Access數(shù)據(jù)庫，上位機(jī)采集來的數(shù)據(jù)采用表單的形式存儲在Access數(shù)據(jù)庫中。

使用LabSQL數(shù)據(jù)庫訪問工具包對Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，LabSQL使用Microsoft ADO對象和數(shù)據(jù)庫查詢語言相配合的方法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問[1]。

4 系統(tǒng)測試

(1) 運(yùn)行測試

本系統(tǒng)在楊凌現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園溫室大棚進(jìn)行測試試驗，在溫室大棚隨機(jī)布置了1個傳感器節(jié)點，每個傳感器節(jié)點分別集成傳感器，邊緣路由器在在距離傳感節(jié)點5 m的地方，邊緣路由器上聯(lián)學(xué)校的WLAN。測試PC安裝了上位機(jī)軟件，通過WLAN與WSN通信。6LoWPAN傳感節(jié)點和邊緣路由器加電后開始工作，上位機(jī)軟件運(yùn)行后開始接收數(shù)據(jù)[11]，顯示結(jié)果如圖6所示。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能正常監(jiān)測大棚內(nèi)環(huán)境信息。

圖6 系統(tǒng)試驗結(jié)果

(2) 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比實驗

系統(tǒng)正常運(yùn)行后，在2016年4月28日早上8點到晚上18點通過溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度數(shù)據(jù)；在大棚中采用V&A公司的TNHY-5每隔1小時實測溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)和實測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以驗證傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實驗測試對比結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 溫度對比實驗結(jié)果

圖8 CO2濃度對比實驗結(jié)果

圖9 濕度對比實驗結(jié)果

圖10 光照強(qiáng)度對比實驗結(jié)果

由實驗測試對比圖可知，采集的數(shù)據(jù)在整個較長的測試過程中持續(xù)完整，采集數(shù)據(jù)中的各點保持在采集節(jié)點傳感器的正常誤差范圍內(nèi)[12]，采集數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本吻合。通過對比實驗可知，溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集精度高，能滿足實際需求。

結(jié) 語

[1] 郭金梅. 船艙環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2013.

[2] 侯波,徐小華,胡曉飛. 基于LabVIEW和GSM的溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2015(1)1:393-395.

[3] 韓劍,莫德清. 基于Android與GSM的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2015(4):397-399.

[4] 李軍科,吳建軍,石祖?zhèn)? 基于USB存儲與GPRS傳輸?shù)臏厥掖笈飬?shù)監(jiān)測設(shè)計[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報,2015(5):82-86.

[5] 劉仲鵬,劉麗娟,李偉英. 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2014(10):218-222.

[6] 蔣鼎國. 基于GPRS的溫室大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(9):2153-2155，2159.

[7] 張偉濱. 基于Zigbee溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].大慶：東北石油大學(xué),2014.

[8] 薛世帥. 基于IPv6的WSN路由器設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué),2013.

[9] 王曉喃,殷旭東. 基于6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010(10):224-228.

[10] 魏燕達(dá),周衛(wèi)星. 基于6LOWPAN的智能家電監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2015(14):101-104，108.

[11] 彭占武,王雪,袁洪印. 基于ZigBee的雞舍環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報,2015(2):238-241.

[12] 許童羽，王建東，須暉等.基于ZigBee與WiFi的北方日光溫室群監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2016(1)：59-64.

馮春衛(wèi)(講師)，主要研究方向為智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究；胡國強(qiáng)(工程師)，主要研究方向為智能網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)。

Greenhouse Intelligent Monitoring System Based on 6LoWPAN and WLAN

Feng Chunwei1,Hu Guoqiang2

(1.College of Animal Science and Technology,Yangling Vocational&Technical College,Yangling 712100,China;2.Northwest A&F University)

To solve the problems of the greenhouse’s intelligent monitoring system such as inadequate management,expansion capacity and poor centralized monitoring capacity,an intelligent monitoring system of greenhouse on the basis of 6LoWPAN and WLAN is proposed.The system adopts 6LoWPA protocol to implement the point to point communication between WSN and Internet,thus the real time monitoring for environmental data of greenhouse is realized,such as the temperature,the humidity,the illumination intensity and the CO2concentration.The test results show that the system can accurately acquire the monitoring data,and thus meet the intelligent monitoring demands of the greenhouse.

6LoWPAN;WLAN;greenhouse;intelligent monitoring

陜西省自然科學(xué)基金(項目編號：2014JM2-3029);楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)校科學(xué)研究基金項目(項目編號：A2015006)。

TP277

A

?迪娜

2016-07-01)