基于物聯網技術的食用菌生長監控系統關鍵技術研究

袁劍鋒 鄭淏

摘 ?要： 首先，本文在分析對比其他監控系統的基礎上，設計了一種基于物聯網技術的食用菌生長監控系統。其次，介紹了此監控系統工作的基本設計原理，重點設計了基于ZigBee技術的無線網絡拓撲結構、協調器模塊設計、ZigBee協議體系架構等，并對網絡模塊的程序設計從協調器節點程序設計和終點節點程序設計等兩方面進行分析。最后，從Zigbee組網通信和圖像傳輸兩方面進行了測試驗證。通過試驗，此監控系統組網成功，且速度快捷，數據圖像也能穩定實時傳輸，與預期目標一致。

關鍵詞： 物聯網技術;Zigbee技術;監控系統

中圖分類號： TP274 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.009

本文著錄格式：袁劍鋒，鄭淏. 基于物聯網技術的食用菌生長監控系統關鍵技術研究[J]. 軟件，2020，41（08）：31-33

【Abstract】： Firstly， this paper proposes an overall design scheme of an edible fungus growth monitoring system based on the Internet of Things technology and the analysis and comparison of other monitoring systems. Secondly， this paper introduces the basic design principle of this monitoring system. The wireless network topology、the coordinator module and ZigBee protocol architecture are mainly designed on the basis of ZigBee technology，and the programming of the network module is analyzed from two aspects： the coordinator node programming and the end node programming. Finally， it is tested and verified from ZigBee network communication and image transmission. Through the test and verification， the edible fungus growth monitoring system based on the Internet of Things technology successfully networked and data image can be transmitted stably in real time， consistent with the expected goal.

【Key words】： Internet of Things technology; Zigbee technology; Monitoring system

0 ?引言

近些年來，食用菌產業在我們國家取得了較快發展，甚至在全球來講，已成為食用菌生產消費及出口大國，但根據現有數據分析，我國大多數食用菌生產基地還是依靠大量人工栽培來實現的。在物聯網技術日趨成熟的今天，如何利用物聯網技術對傳統食用菌生產環境和過程進行全程監控、人為調節，進行綠色栽培，實現提質增效，成為大家爭相研究的熱點[1-2]。國內張宇、李建軍等均曾針對食用菌生產中物聯網技術的應用進行了研究[3]，都具有一定的借鑒意義。

1 ?本監控系統整體框架設計

本文提出的基于物聯網技術的設施栽培大棚食用菌智能生長監控系統，考慮到了農業物聯網工作環境復雜，設施大棚封閉環境對網絡信號的影響、采集節點電源供給等因素，綜合前人研究成果，本系統決定在各采集節點與總采集節點之間采用Zigbee無線傳輸模塊進行通信。首先，在感應層，通過溫濕度、二氧化碳、煙霧、光照等工業級檢測傳感器及外圍網絡，獲取食用菌設施大棚內的相關信息[4]。第二，在網絡層，利用基于IEEE802.15.4網絡的zigbee技術將設施大棚內采集到的各類信息實時傳輸到整個ZigBee網絡的核心協調器，同時，為了方便各個串行設別的通信協議的靈活轉換，此系統使用SAMSUNG公司基于ARM7TDMI內核的32位處理器S3C4510B搭建了嵌入式可組態串口網關[5]，采集大量的采用了不同串行通信協議的設備的數據信息，并將數據繼續向上轉發到主控節點。最后，在應用層，接受來自服務器的數據在web端和Android端顯示并與應用，從而提高食用菌的產能和品質。系統具有功耗低、實時性好、穩定性高等特點[6]。

2 ?系統設計中ZigBee技術具體引用

2.1 ?Zigbee技術介紹

Zigbee技術是物聯網技術中用途非常廣泛的一種無線傳輸技術，其具有耗能低、成本低、組網簡單、安全性強，功能穩定的特點。從某種程度上來講，ZigBee技術促進了物聯網技術的發展應用。因而適用于在食用菌設施大棚內進行數據的無線傳輸工作。 Zigbee技術采用IEEE802.15.4通信協議，在技術實現上則有多種方式[7]。本系統搭建了嵌入式可組態串口網關，在國內應用非常廣泛，有利于研究人員進行系統開發。

2.2 ?ZigBee網絡拓撲結構

ZigBee無線傳感器網絡在通信過程中通常具有端節點、協調器節點和路由器節點等三種不同的網絡節點。它們分別負責完成數據報信息的采集、創建ZigBee網絡和支撐整個網絡鏈路。其中協調器是ZigBee無線傳感網絡的核心部分，負責創建并管理一個ZigBee網絡，且具有唯一性。路由器節點即我們通常所講的中繼器，支撐整個網絡的鏈路結構。終端節點位于網絡邊緣，即網絡的感知者和執行者。本系統為保證數據通信順暢，在整體設計中采用了星型網絡拓撲結構，來實際決定各設施大棚內的節點數[8]。

2.3 ?ZigBee協調器模塊設計

ZigBee協調器模塊具有三大作用，首先建立星型結構方式的食用菌設施大棚網絡;其實是通過S3C4510B串口電路將終端傳感器節點所采集的信息以數據包形式發送到網關;三是利用射頻天線模塊來完成與終端傳感器節點模塊之間的數據通信。結構模塊圖如圖2所示。

2.4 ?ZigBee協議體系架構

該系統基于IEEE802.15.4標準對協議模塊進行分層管理，感應層、網絡層和應用層之間通過接口相互聯系。程序設計者只需在應用層完成相應的程序開發及操作，不需關心感應層和網絡層的相關服務與工作。本系統采用Z-Stack協議棧對任務進行輪詢式訪問，其任務調度和資源分配由操作系統抽象層OSAL管理[9]。Z-Stack協議棧首先進行系統的初始化，然后啟動OSAL操作系統。在任務輪詢過程中，系統不斷查詢是否有事件發生，如是，則運行相應的event handlers（事件處理函數），如否，則啟動任務輪詢，詢問下一個任務。

2.5 ?ZigBee無線網絡模塊軟件設計

2.5.1 ?協調器節點軟件設計

協調器組網軟件設計是ZigBee無線傳感網絡的核心技術，負責創建并管理一個唯一的ZigBee網絡。協調器設備通電后，第一時間判斷其是否可以作為協調器節點，若是，就開始信道掃描，并選擇最合適的信道通過request語句建立一個新網絡，創建成功后，設置ID和協調器地址，等待子節點的加入[10]。否則組網失敗。協調器組網流程圖如圖3所示。

協調器組網部分程序如下：

ZDApp_Init（ uint16 task_id ）

{

ZDAppTaskID = task_id;

ZDAppNwkAddr.addrMode = Addr32Bit;

ZDAppNwkAddr.addr.shortAddr = INVALID_ NODE_Addr;

NLME_GetExtAddr（）;

ZDAppCheckForHoldKey（）;

ZDO_Init（）;

IfRegister（ （endPointDesc_t *）&ZDApp_epDesc ）;

if defined（ ZDO_USERDESC_RESPONSE ）

ZDApp_InitUserDesc（）;

endif

if （ devState ！= DEV_HOLD ）

{

ZDOInitDevice（ 0 ）;

}

else

{

HalLedBlink （ HAL_LED_4， 0， 40， 600 ）;

}

ZDApp_RegisterCBs（）;

} [11]

協調器在設施食用菌監控生長系統中不僅負責創建和維護網絡，還要維系網關設備和感知節點之間的聯系。協調器與各終端感知節點之間無線通信，而與食用菌設施大棚內各網關則串口相連。組網成功后，協調器要保持工作狀態，時刻進行監控，并開啟接收模式。如接收到網關信息，就請求數據，并分配地址給新加入的網絡節點。同時，協調器給終端節點發送控制指令[12]。

本系統中協調器節點通信負責完成兩項工作：一是負責食用菌設施大棚內環境信息的采集，二是負責向各網關節點發送采集數據指令。

2.5.2 ?終端節點軟件設計

應用層與服務器建立通信并發送控制指令，服務器收到指令后傳遞給到主控節點，主控節點處理器通過協調器，利用Zigbee無線模塊給控制節點發送指令，控制節點處理器啟動繼電器實現對各設備的控制。繼而協調器向網絡層發送入網請求，網絡層判斷是否有空閑地址，若有空閑地址，通過協調器發送鏈接響應給該終端節點，同時為其分配網絡地址，終端節點收到入網成功的信號以后，則入網成功。若地址己滿，則入網失敗。部分程序如下：

SAPI_ProcessZDOMsgs（zdoincomingMsg_t *inMsg）

{

switch（inMsg->clusterID）

{

case NET addr rsp：

{

ZDO_NwkIEEEAddrResp_t *pNETAddrRsp= ZDO_ ParseAddrRsp（inMsg）;

SAPI_FindDeviceConfirm（ZB_IEEE_ SEARCH， ?（uint16*）&pNETAddrRsp->NETAddr，pNETAddrRsp->extAddr）;

}

break;

在設施大棚食用菌生長控制系統中，各類終端節點負責獲得各種環境參數，并將這些環境參數傳送至協調器節點，協調器收到數據之后判斷發送相應的控制指令改善生產環境，保證食用菌在最佳的環境生 ?長[13]。

3 ?系統功能測試與結論

本系統在徐州市豐縣師寨鎮食用菌黑木耳栽培中心進行了實驗，2019年全鎮木耳產能突破4億袋，產值達5億元，帶動全鎮農民人均純收入4000元以上。本系統對ZigBee無線傳感器網絡進行網絡組建及調試試驗，溫濕度傳感器測試實驗順利成功，完成終端節點與協調器之間進行數據傳輸測試。進而，對終端傳感器節點所采集到的圖像是否可以正常上傳至計算機進行測試，結果證明，數據采集、傳輸、分析快速可靠。并且系統功耗低，穩定性好，可以 滿足設施食用菌生長監控的需求。本系統不僅可以應用在食用菌生產過程中，還可以推廣到其他對生產過程需要實時監控的農作物生產中，對促進農業綠色智能化種植具有重要意義。

參考文獻

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