基于无线传感网络的果园环境信息监测系统研究

李旭花 元涛 刘韬

摘要    影响果树生长的因素有多种，其中至关重要的因素有光照、土壤湿度、温度等，对果园环境信息进行实时监测是实现果园管理现代化的重要手段。基于无线传感网络的果园环境信息监测系统是由不同的传感器收集不同的数据信息，并通过终端发送到协调器，协调器收到终端的环境数据后再通过串口连接至电脑;经过数据处理模块处理后，通过上位机控制软件实时显示环境数据，并且通过显示控制软件远程控制继电器。应用基于无线传感网络的果园环境信息监测系统不仅能够保证果园环境数据的实时性和有效性，也能帮助果农及时对环境变化做出正确的应对决策。

关键词    果园环境信息监测系统;ZigBee;传感器;收集终端;数据传输

中图分类号    TP274         文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）14-0254-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    There are many factors that affect the growth of fruit trees.Among them are vital factors such as light，soil moisture and temperature，etc.Real-time monitoring of orchard environment information is an important way to realize orchard management modernization.The orchard environmental information monitoring system based on wireless sensor network collects different data information from different sensors and sends it to the coordinator through the terminal.The coordinator receives the environmental data from the terminal and connects it to the computer through serial port.After processing by the data processing module，the environment data is displayed in real time by the upper computer control software，and the relay is controlled remotely by the display control software.In this way，it can not only ensure the real-time and effective of orchard environment data，but also help farmers to make the right decisions on the changes of orchard environment in time.

Key words    orchard environment information monitoring system;ZigBee;sensor;collection terminal;data transmission

ZigBee技術是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，具有较好的远程监测性、扩展性和移植性的特点，可实现远程无线传感监测功能，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的电子设备间进行数据传输和典型的有间歇性数据、周期性数据和低反应时间数据的传输[1]。

我国是农业大国，同时在果树的种植方面具有地域分布辽阔、果园环境因子不确定等特点。传统的果树种植产业，一般情况下是依靠果农多年以来的经验，定性地估计各种环境因子，无法在果树种植过程中实时、精准地监测和收集果园环境信息，很难进行统一的集中管理，达到最优化生产的目的。引入ZigBee技术并运用到果园环境信息的监测和管理中，描述影响果树生长环境的时间和空间方面的因素，提高果园的信息化和智慧化程度，实现果园环境信息的及时准确收集，将为“精细农业”打下坚实的基础[2]，是现代农业在信息化应用上的一个重大突破[3]。

基于无线传感网络的果园环境信息监测系统以CC2530芯片为核心，设计收集终端与无线网络架构，实现对空气温度、土壤湿度、烟雾浓度、红外和光照强度等多种环境信息的实时收集、传输和上位机信息处理控制的自动化，具有功耗低、自动化程度高、性能稳定、及时、高效、准确、运行成本低等特点[4-5]。研制基于无线传感网络的果园环境信息监测系统，实现果园环境信息的自动化监测，对尽快推进我国设施农业规模化和产业化，走农业可持续发展道路有着重要的意义[6]。

1    总体结构分析

基于无线传感网络的果园环境信息监测系统分为数据收集、数据传输、上位机信息处理控制3个模块。通过ZigBee技术结合CC2530芯片对果园空气温度、土壤湿度、烟雾浓度、红外和光照强度等各种果树生长环境数据进行实时监测，全面收集果园环境信息和传输信息，并通过上位机软件远程操控继电器，开发相应的显示控制系统。其中，数据收集模块主要由传感器对果园环境温度数据、湿度数据、烟雾数据、红外数据、光照数据等进行实时收集;数据传输模块是由ZigBee协调器接收从终端收集到的5个传感器的数据，再通过串口传输至电脑，由上位机软件显示及控制，并通过电脑发送数据到移动端;上位机信息处理控制模块是远程控制远端继电器，通过上位机发送远程控制继电器的命令，由ZigBee协调器通过协议发送给终端，并做出相应的反应。果园环境信息监测系统总体结构图如图1所示。

2    硬件系统设计

2.1    数据收集终端硬件设计

本系统的数据收集终端通过ZigBee协调器与外部传感器相连，完成数字量和模拟量的输入与输出;有温度、湿度、烟雾、红外、光照等传感器，将这些传感器分别安装在气象架合适的位置，从而准确、科学地收集果园中不同环境因子参数。其中，温度传感器采用单总线结构DS18B20传感器，体积小、耗电低、价格低廉;土壤湿度传感器采用由不锈钢探针构成的FC-28土壤湿度传感器，能够长期埋在土壤和坝内使用，可与数据收集器结合使用;烟雾传感器采用导电率较低的二氧化锡半导体MQ-2烟雾传感器;红外传感器采用由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成、对温度敏感的HC-SR501红外传感器;光照传感器采用硫化隔或硒化隔等半导体制成的光敏电阻，对光线变化十分敏感;继电器采用有2个线圈引脚、1个常开端、1个常闭端、一个公共端的SRD-05VDC-SL-C继电器。

2.2    数据收集终端软件设计

数据收集终端的软件部分对传感器收集的数据通过MSP430的A/D通道进行接收，经过一系列处理之后，通信端口进行打包，再通过CC 2530芯片进行转发。CC 2530芯片的内部存储空间相对较大，有40个引脚，采用QFN 40进行封装，同时兼容ZigBee应用和IEEE802.15.4标准，并且带有增强型8051处理器内核。该芯片工作在2.4 GHzISM频段，在不同的供电方式下都可以保留数据，并且还拥有5个强大的通道DMA、1个8位定时器、1个16位定时器和1个32 kHz“睡眠”情况下的保护功能。数据收集终端CC2530芯片的引脚图如图2所示。

2.3    数据传输模块

2.3.1    节点架构设计。果园环境信息监测系统无线传感器网络由1个协调器节点和1个终端节点组成。环境数据信息由不同的传感器进行收集，通过数据收集标准化接口发送至协调器节点，经存储器和控制器处理后，再由协调器节点通过串口将数据上传至电脑，最后由上位机显示控制软件处理并显示出果园环境信息。果园环境信息监测系统节点架构图如图3所示。

整個系统主要负责数据的收集、传输和处理等，核心板主要负责无线收发，底板主要引出引脚、支持传感器的接入以及芯片程序的烧写，并且为整个模块供电。

2.3.2    具体传输过程。读取串口数据前，先进行串口的初始化工作，打开串口并设置波特率。数据发送时主要使用socket函数。数据显示时先判断协调器发送多少字节，将其放入缓冲变量中记录下来，避免几次操作之间相隔时间过长而导致缓存不一致，再将数据放入数组中。由于要访问UI资源，还需要使用invoke方式同步UI，并按ASCII规则转换成字符串，最后将转换好的字符放入文本框中。

数据存储时，用户单击“文件”按钮会自动跳转到先前设置好的存储位置，获取数据和当前时间一起存储。继电器按钮响应时，先声明发送数据的数组，写好数组要发送的信息，再调用发送。服务器建立时，先创建一个终端节点，再创建并启动一个监听。

果园环境信息监测系统在软件方面使用VS 2012进行编写，有数据实时显示和远程操控终端的继电器2个功能，主要依靠C#的库实现数据接收，通过串口将协调器接收的数据发送到PC端进行显示。

3    软件系统设计

3.1    软件界面设计

串口通讯是一种很简单又很实用的通讯方式。本系统使用的上位机使用的就是串口通讯，可通过上位机和单片机直接发送数据，能显示协调器发送的信息，使果农实时了解果园的环境信息，并且可以远程控制继电器。上位机软件界面如图4所示。

3.2    软件使用分析

软件使用时窗口生成器会自动生成一个可实现串口操作的对话框，并自动选择一个正在使用的串口，点击后即可打开串口，此时数据框中就会显示中断发送的数据。最下方有3个操作按钮，当单击开启或关闭时，即可打开或关闭远端继电器。

3.3    软件APP设计

电脑软件成功创建服务器后，建立并启动一个监听程序，把接收到的数据发送到数据处理模块中做后续处理。建立监听程序时，先将IP读出，再创建套接字设置状态，并启动线程。数据处理程序传输的数据是字符型的，所以选择用正则表达式将其分开。

4    测试分析

利用塔里木大学果园的环境数据对本系统进行通讯距离、无线组网、软件稳定性和APP软件的测试。

4.1    通讯距离测试

本系统采用packet sniffer软件来检测丢包率，并将CC 2530的发射功率设置为4.5 dm，经过多次测试后，获得了最稳定、最大的通讯距离，并绘制了丢包率与传输距离关系的曲线图。具体的曲线图如图5所示。

通过测试可以发现，当传输距离>65 m时，丢包率明显上升，所以最好将传输距离控制在60 m以内。

4.2    无线组网及软件稳定性测试

当协调器接通电源时，会自动建立网络，led1会不断闪烁，表示正在建立网络。网络建立完成时，led1会长亮并等待终端的加入。当终端接通电源时，led1也会不断闪烁，表示终端正在搜索网络;当led1常亮时，表示终端加入了协调网络组网。

4.3    APP软件测试

连接好硬件设备，将协调器连接至电脑，开启设备。打开串口后，可以看到数据在框内显示。打开服务器后，可以看见提示“服务器已开启”。打开安卓模拟器后，输入服务器提示的IP，单击连接可看见软件发出一个提示窗口“有客户端连接”，代表APP连接服务器成功，此时就可以实时监测环境数据。测试界面如图6所示。

5    结语

基于无线传感网络的果园环境信息监测系统实现了对多种环境信息数据的实时收集、传输和上位机信息处理控制的自动化，具有及时、高效、准确、运行成本低等特点。该系统可用于分析果树的长势以及环境变化对果树的影响，从而进行综合环境监控和调节，为研究果树生长及时提供精准的环境信息;果农可以实时掌握果园的各项环境指标，采取正确的措施，如合理安排灌溉时间、计划灌溉次数，节省农业资源，极大地降低人力和物力投入，减轻劳动强度，增加经济收入，为区域性管理提供科学的决策依据和可靠的信息，达到发展农业自动化、信息结构化的目的，具有显著的社会效益和经济效益。

6    参考文献

[1] 宗哲英，王帅，王春光，等.基于ZigBee的北方寒冷地区日光温室无线监控系统的研究[J].内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2018，47（6）：480-485.

[2] 吴彬，杨咏钢，李艳芳，等.茶园可视化农业气象信息动态监测预警系统研制及试验[J].计算机测量与控制，2018，26（8）：195-199.

[3] 李双喜，徐识溥，刘勇，等.基于4G无线传感网络的大田土壤环境远程监测系统设计与实现[J].上海农业学报，2018，34（5）：105-110.

[4] 朱建锡，郑涛，费焱，等.无线传感器网络在水产养殖中的应用[J].时代农机，2018，45（7）：186-189.

[5] 廖建尚.基于IPv6和異构无线传感网络智能网关型的农业物联网系统设计[J].江苏农业科学，2018，46（13）：204-211.

[6] 吴凤娇，孙培钦，龙燕，等.基于C#和Access数据库的无线精准灌溉系统软件设计[J].节水灌溉，2018（6）：78-82.