大田種植區(qū)域內(nèi)氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

周 鵬，燕 斌，田 晨，許愛霞，程 濤

(1.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系，江蘇 泰州 225300； 2.靖江市氣象局，江蘇 靖江 214500；3.泰州市姜堰區(qū)農(nóng)業(yè)委員會(huì)，江蘇 泰州 225500)

大田農(nóng)業(yè)是指大面積種植農(nóng)作物的大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。小麥、水稻、玉米等在我國(guó)有著大面積種植范圍的，均可稱為大田農(nóng)作物。農(nóng)作物的生長(zhǎng)離不開水，長(zhǎng)時(shí)間干旱將對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生不利的影響，甚至導(dǎo)致植株的死亡，而降水過多也容易造成農(nóng)作物爛根等疾病。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)大田的降雨情況，當(dāng)降雨時(shí)間過短，可實(shí)施人工灌溉，當(dāng)降雨時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，則應(yīng)做好農(nóng)田的排水措施。降雪量偏大的地區(qū)，如果覆蓋在小麥上的冰雪層融化而氣溫又長(zhǎng)期穩(wěn)定在零下時(shí)，就有可能對(duì)冬小麥產(chǎn)生凍害。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)降雪進(jìn)行監(jiān)控，可對(duì)冬小麥等農(nóng)作物實(shí)施搶收搶管。待天晴雪融后，可進(jìn)行培土壅根、覆蓋保苗，增施有機(jī)肥和鉀肥等暖性肥料，以增強(qiáng)農(nóng)作物的抗寒能力[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大田氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遵循物聯(lián)網(wǎng)的三層基本結(jié)構(gòu)[2]。感知層通過傳感器節(jié)點(diǎn)，采集大田氣象環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)匯聚至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)做濾波、融合等處理[3]后送服務(wù)器。用戶借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器中保存的數(shù)據(jù)。用戶在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)大田氣象環(huán)境信息的接收和發(fā)送控制命令[4]。

大田氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器三大部分，整個(gè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的具體實(shí)施需要完成各種節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)、節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序、Web Service設(shè)計(jì)，其中硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[5]。

圖1 大田氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由于大田種植區(qū)域面積較大，因此大田中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間不便采用傳統(tǒng)有線傳輸、藍(lán)牙、Zigbee或Wifi等數(shù)據(jù)傳輸方式[6]。而采用NRF24L01+PA的大功率無線通訊進(jìn)行信息傳輸是一種較為合理可行的數(shù)據(jù)傳輸方案[7]。

NRF24L01+PA的大功率無線通訊距離在2 300 m左右，如需將傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)共享到更廣的區(qū)域內(nèi)則需要借助其他技術(shù)手段，如以太網(wǎng)、GPRS等。以太網(wǎng)技術(shù)在眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用，且軟硬件技術(shù)成熟，適合遠(yuǎn)距離、數(shù)據(jù)量大及高傳輸速率的應(yīng)用場(chǎng)合，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上配置NRF24L01+PA及網(wǎng)卡模塊的方案可以解決大田缺乏計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，可靠傳輸大田氣象信息數(shù)據(jù)的問題。

2 硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要包含數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)傳輸模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)采用STC公司型號(hào)為STC12C5A60S2的單片機(jī)為核心，雨雪、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤濕度、光照等傳感器將測(cè)量的數(shù)據(jù)送至STC12C5A60S2經(jīng)必要處理后以無線傳輸?shù)姆绞絺魉椭辆W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理單元和網(wǎng)卡模塊組成，實(shí)現(xiàn)的功能主要包括接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，將基于自定義協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換完成后，通過網(wǎng)卡模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

雨雪傳感器節(jié)點(diǎn)主要由雨雪傳感器及STC12C5A60S2單片機(jī)構(gòu)成，土壤濕度傳感器節(jié)點(diǎn)主要由土壤濕度傳感器及STC12C5A60S2單片機(jī)構(gòu)成。雨雪傳感器和土壤濕度傳感器都是將探頭所接觸介質(zhì)的電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)化為電壓變化并送至STC12C5A60S2單片機(jī)做A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)測(cè)量值可獲取降雨、降雪及土壤濕度數(shù)據(jù)。單片機(jī)獲取數(shù)據(jù)后通過NRF24L01+PA無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

風(fēng)速、風(fēng)向傳感器節(jié)點(diǎn)主要由風(fēng)速、風(fēng)向傳感器及STC12C5A60S2單片機(jī)構(gòu)成。風(fēng)速、風(fēng)向傳感器的輸出為模擬電壓值，風(fēng)速、風(fēng)向的變化轉(zhuǎn)化為電壓變化并送至STC12C5A60S2單片機(jī)做A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)測(cè)量值可獲取風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。單片機(jī)獲取數(shù)據(jù)后通過NRF24L01+PA無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

光照傳感器節(jié)點(diǎn)主要由BH1750FVI光照傳感器及STC12C5A60S2單片機(jī)構(gòu)成，兩者采用IIC總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。BH1750FVI光照傳感器負(fù)責(zé)采集大田的光照數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過NRF24L01+PA無線傳輸模塊轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要由ENC28J60網(wǎng)卡模塊、NRF24L01+PA無線傳輸模塊及STM32F103單片機(jī)構(gòu)成，ENC28J60帶有SPI接口，通過該接口可以將其與STM32F103進(jìn)行連接(圖2)。NRF24L01+PA無線傳輸模塊與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用串口連接，用于與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)融合后，ENC28J60模塊將處理好的數(shù)據(jù)借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸至計(jì)算機(jī)[8]。

圖2 CC2530與網(wǎng)卡芯片ENC28J60的連接

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)

大田氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的雨雪傳感器、土壤濕度傳感器、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器節(jié)點(diǎn)都是輸出模擬電壓數(shù)據(jù)經(jīng)STC12C5A60S2單片機(jī)采集后由NRF24L01+PA無線傳輸模塊轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。因此傳感器節(jié)點(diǎn)的程序主要包括單片機(jī)AD采集與NRF24L01數(shù)據(jù)傳輸兩部分(圖3)。

圖3 AD采集與NRF24L01數(shù)據(jù)傳輸程序流程

3.2 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要與其他多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信部分程序流程圖如圖3所示。為保證網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后能識(shí)別出不同類型傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，需要自定義一套通信協(xié)議。約定節(jié)點(diǎn)發(fā)送的指令/數(shù)據(jù)格式為幀頭+節(jié)點(diǎn)編號(hào)+模塊ID+命令/數(shù)據(jù)(ParamH+ParamL)+幀尾，其中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的幀頭為CC EE，傳感器節(jié)點(diǎn)的幀頭為EE CC；節(jié)點(diǎn)編號(hào)從01～FF；模塊ID號(hào)從01～FF；幀尾為FF。根據(jù)自定義通信協(xié)議定義的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體如下：

typedef struct

{ uint8 Header_1;

uint8 Header_2;

uint8 NodeSeq; //

節(jié)點(diǎn)編號(hào)

uint8 NodeID; //

模塊ID(00表示網(wǎng)關(guān))

uint8 Command; uint8 Data[10];

uint8 Tailer;

}UART_Format;

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)功能是將其接收到的基于自定義通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包。而在嵌入式設(shè)備上直接移植TCP/IP協(xié)議棧不僅工作量大而且難度高，因此改變思路移植一些經(jīng)過改進(jìn)的適用于嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧則能起到事半功倍的效果。一些著名的輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧有瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究院的Adam Dunkels等開發(fā)的LwIP協(xié)議棧和uIP協(xié)議棧等。當(dāng)然還可以使用硬件協(xié)議棧即選擇自帶硬件TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)卡芯片，如W5500以太網(wǎng)芯片。本設(shè)計(jì)采用的方案是在嵌入式微控制器上移植uIP協(xié)議棧[9]。

4 Web Service設(shè)計(jì)

如何將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)匯聚并經(jīng)濾波、融合過的數(shù)據(jù)提供給眾多用戶訪問也是大田種植區(qū)域內(nèi)氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。Web Service通過為用戶提供一組網(wǎng)頁(yè)有效地解決了上述問題。Web應(yīng)用程序一般都是B/S架構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server)架構(gòu)。B/S結(jié)構(gòu)的程序開發(fā)、部署簡(jiǎn)單，用戶易學(xué)易用，且網(wǎng)關(guān)升級(jí)時(shí)也不影響應(yīng)用集成。根據(jù)大田氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求及特點(diǎn)，構(gòu)建如圖4所示的Web Service服務(wù)器[10]。

圖4 Web和應(yīng)用程序服務(wù)器

大田氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前臺(tái)采用JSP語言編寫，通過JSP程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容讀出來顯示在主頁(yè)上，接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從客戶端輸入的氣象信息并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容改變時(shí)，前臺(tái)頁(yè)面顯示的信息也應(yīng)隨之變化。后臺(tái)模塊主要通過數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從客戶端輸入的信息并進(jìn)行編號(hào)，同時(shí)管理員也可通過數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)行動(dòng)態(tài)管理。

5 小結(jié)

本系統(tǒng)采用NRF24L01+PA無線傳輸模塊和以太網(wǎng)相結(jié)合的通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)大田氣象環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果顯示，大田氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。本系統(tǒng)不僅適用于對(duì)大田氣象環(huán)境的監(jiān)控，還可用于其他眾多場(chǎng)合，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 伍丹，高紅菊，梁棟，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014(9)：138-141.

[2] 鄭紀(jì)業(yè)，阮懷軍，封文杰，等.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與應(yīng)用領(lǐng)域研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，50(4)：657-668.

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