0、 引言
温室作物的生长环境对温室作物的影响很大,对温室作物生长环境的监测也越来越重要。在温室监测的同时,还要求系统能够在当环境异常时及时准确地报警来提醒用户以减少异常环境对温室作物产生的伤害和损失。农业温室环境的主要监测方式有人工手工记录和电子设备自动记录方式等。电子设备处理和传输采集数据的方式主要为数据保存在设备自身、采集数据通过有线方式传输到计算机及采集数据通过 GPRS 远程传输到服务器等。
随着无线小型组网技术的发展,采用 2. 4G 或433M 等频段短距离局域组网再以 GPRS 远程无线传输的方式在农业温室上的应用也越来越多。这种组网方式体现了一定的优越性同时也暴露了一些问题,如网页用户端不容易完成对采集节点的远程配置; 报警方式不及时、智能; 短距离无线组网和 GPRS远距离无线传输使整个系统无法长时间稳定运行,即当系统出现故障时,无法自我恢复等问题日益突出。
为此,设计了一种基于无线传输的温室远程监测报警系统,主要由采集节点、路由采集节点、网关节点、服务器和用户终端组成。其在服务器上配置了数据库和网页远程服务,用户可以远程实时监测到温室环境作物生长环境数据,并可以远程配置单个采集节点的报警上下限和采集节点的上传时间间隔。同时,建立了多方位的智能报警系统,多种措施保证了系统可靠、稳定运行。
1、 系统总体组成
系统主要有采集节点、路由采集节点、网关节点、服务器及用户终端组成,结构如图 1 所示。采集节点和路由采集节点负责采集温室作物的生长环境信息并汇聚到网关节点,可以由一个或多个路由采集节点组成,也可以没有路由采集节点。网关节点通过GPRS 连接到远程服务器,在服务器端布置数据库和网页服务,用户通过网页或手持终端或 LED 显示屏查看在线实时数据。在网页端,用户可以根据权限完成浏览、下载数据等功能。
2、 系统硬件设计
2. 1 采集节点硬件构成
采集节点主要由微型处理器和 ZigBee 通讯模块两部分组成,如图 2 所示。微型处理器通过各功能传感器采集温室作物生长环境信息,传感器类型主要有环境温度、环境湿度、土壤温度、土壤含水量、光照强度、CO2、土壤 pH 及土壤电导率等,实际应用时应根据不同的作物监测需求添加不同类型传感器。实时时钟为节点提供时间信息。服务器端把采集节点的配置信息保存在掉电不遗失的 E2PROM 存储模块里。传感器节点实时显示采集的数据,当环境参数超过设定的正常警戒值时,节点通过报警单元声光报警。微型处理器采集的各参数信息通过采集节点发送给网关节点,实现采集现场数据的实时上传功能。
路由采集节点的硬件组成和采集节点相同,只是软件设置不同。
2. 2 网关节点硬件构成
网关节点主要有微型处理器、GSM/GPRS 通讯模块和 ZigBee 汇聚节点构成,如图3 所示。微型处理器主要负责 ZigBee 汇聚节点到 GSM/GPRS 模块的数据处理和数据传输。网关节点有两个天线: 一个是GSM / GPRS 天线,一个是 2. 4G ZigBee 天线。
3、 采集节点和网关节点设计
3. 1 采集节点工作流程
采集节点上电初始化,初始化后开始寻找网关节点建立的 PAN 网络并且申请加入; 当采集节点加入到PAN 网络后,节点打开总中断,然后采集各个传感器的数据并且液晶实时显示; 定时器按每秒累计计时;采集节点采集到的各个传感器数据与配置的警戒值参数进行对比,然后判断定时器是否达到配置的上传周期。当未达到配置的上传周期时返回到采集阶段;当定时器计时到了配置的上传周期时,定时器计时清零,采集节点把采集到的数据以点对点短距离无线通讯方式发送到网关节点。采集节点具体工作流程如图 4 所示。
3. 2 采集节点与服务器通讯协议
采集节点和网关 ZigBee 汇聚节点在 TI 的 Z-stack协议栈基础上开发。为了规范与服务器通讯协议,使用采集节点与服务器端的通讯协议如表 1 所示。
数据采集帧的长度在 50byte 以内。如果每隔0. 5h 发送 1 次数据,1 个采集节点 1 个月内的数据流量为2 400byte,则 20 个采集节点、路由采集节点正常工作,每个月大约消耗 47M 的流量。
3. 3 网关节点软件流程
网关节点上电初始化,初始化后 GSM/GPRS 模块首先注册 GSM,并通过 GPRS 连接服务器,随后 ZigBee汇聚节点创建一个局域 PAN 网络,等待采集节点的加入。当有采集节点请求加入时,网关节点允许其加入并为其分配短地址。然后,网关节点开始监听数据信息,没有监听到数据则返回。如果监听到数据,网关节点判断接收到的数据是采集节点的采集数据还是服务器端的配置指令数据。当收到的数据为采集节点采集数据时,网关节点通过 GPRS 把采集数据发送到带有公网 IP 服务器端的指定端口; 当接受到的数据是服务器配置指令数据时,网关节点以点对点的方式同时发送给所在 PAN 网络的各采集节点。采集节点根据配置指令协议判断是否为配置本节点的指令,如果是则响应相关配置指令,这样就完成了服务器端到采集节点的远程报警上下限和采集时间配置,如图5 所示。
4、 服务器管理端设计
4. 1 远程网页访问
在服务器上布置了温室农作物生长环境监测报警系统,用户通过 B/S 的方式远程查看温室环境实时数据。用户不仅可以通过网页平台还可以通过手持终端、远程 LED 显示屏访问服务器数据库实时数据,实现了多平台的采集节点数据实时显示。
服务器管理端主要完成两方面的工作: 一是接收多个网关节点的 GPRS 的连接请求并监听服务器上特定的端口,监听的端口数据如果符合协议则存储到本地 mysql 数据库; 二是通过 tomcat 启用网页服务,用户通过登录网页远程查看温室作物生长环境的实时数据。前台界面和后台程序通过 java 语言实现,网页服务主要构成如图 6 所示。
4. 2 远程配置的实现
采集节点和路由采集节点数据信息汇聚到网关节点后通过 GPRS 与带有公网 IP 的服务器建立连接,服务器监听网关节点配置的端口内容。采集节点和路由采集节点每隔一段时间向服务器端发送一个心跳包使服务器能够监测到它在线。
当需要对采集节点进行远程配置时,用户终端通过服务器首先找到需要配置的单个节点所在网关节点的 GPRS 连接; 然后“踢出”需要配置的网关节点连接,网关节点重新连接服务器,当连接成功时,服务器能及时找到需要配置的网关节点连接。此时服务器下发需要配置的指令,这样提高了配置的成功率和配置效率。配置指令下发到网关节点,网关节点下发配置指令到所在 PAN 网络子节点,子节点根据指令协议的节点 ID 判断是否为配置本节点的指令,如果是则响应相关指令。配置成功后子节点返回配置成功指令,完成服务器对采集节点的远程报警上下限和上传时间周期配置。
报警上下限配置指令协议如表 2 所示。
采集节点上传间隔的配置协议与报警上下限协议类似,协议里配置最低值和最高值替换为时间间隔,内容为 1byte 的字符。在采集节点把协议字符和实际上传周期做了对应,如 A 代表上传周期为 2min,B 代表 5min 等。
采集节点通过中断的方式响应网关节点发送过来的服务器配置指令。程序首先保存原来的工作状态进入中断入口,开始接收并响应服务器端发送过来的配置指令,然后把最新的配置信息保存在掉电不遗失的 E2PROM 里,最后读取最新的服务器配置参数,并中断返回; 中断结束,采集节点程序继续运行。
5、 系统可靠运行机制
采集节点长期在温度、湿度多变的温室环境下运行,不仅需要近距离组网还需要远程网络传输,设备就容易出现故障和不能持续稳定运行。为避免以上问题,加入了系统可靠运行机制具体方法。
1) 加入了看门狗复位,当采集节点出现故障时,保证了采集节点正常运行,并且发送复位信息给服务器。
2) 采集节点、路由采集节点和网关节点运行 24h后复位,保证了其长时间运行的连续性。
3) 采集节点由于某种原因断网时,采集节点及时重连网关节点建立的 PAN 网络。
4) 当网关节点的 GPRS 由于某种原因断开服务器时,配置网关节点在 2min 内重连服务器,直到连接上为止。
采集节点打开看门狗指令:WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;IE1 | = WDTIE;采集节点要不停的“喂狗”,“喂狗”指令WDTCTL = WDTPW + WDTCNTCL + WDTSSEL;采集节点定时器计时,24h 采集节点自动复位,复位指令WDTCTL = WDTPW;配置网关节点 GSM/GPRS 模块定时复位指令AT^RBTYPE = 参数 A 参数 B参数 A 为 1 时,参数 B 表示没有信号多长时间重启并连接服务器; 此时,网关节点配置 B 为 2,表示2min 没有信号时设备重启并重新连接服务器。
参数 A 为 2 时,参数 B 表示工作多长时间自动重启,此时 B 为 1 440 表示 24h 系统重启。如果时间到了设备仍然在连接状态,则推迟重启直到网关断开GPRS 网络并开始下次计时。
6、 智能报警
不同的温室作物或同样的温室作物在不同生长阶段对生长环境的要求不同。为了保证作物生长在适宜的生长环境范围内,需要对作物适宜生长范围之外的环境参数及时智能报警提醒。另外,由于人为或自然的因素使温室环境出现异常时,温室管理人员需要及时得知报警信息以便采取必要的行动措施。
本文采用了本地声光报警、短信报警、网页报警、LED 报警等多种报警方式实现了全方位的报警提醒。当温室环境出现异常时,采集节点首先现场声光报警,提醒现场工作人员,如果 5min 后报警信息仍然存在,则系统确定监测环境确实存在异常。此时采集节点或路由采集节点发送 AT 指令给网关节点,网关节点收到 AT 指令后给设定的用户手机发送报警短信。
当温室管理员不在现场时,远程发送报警短信可以及时报警提醒。在网页平台加入了报警信息的滚动显示,用户通过访问网页平台可以查到报警记录。网页平台可以直观地看到报警信息,正常节点在线时,图标为蓝色; 有报警信息时,图标变红,并指出超范围的报警值。
节点短信报警 AT 指令格式:AT^SMS = 电话号码 节点 ID,异常数据类型,当前采集值,报警下限,报警上限,当前时间\r收到短信内容为 “节点编号 C06,土壤含水量采集值 12. 9% ,报警下限 15% ,报警上限 45% ,当前时间 2013-10-19 16: 50”。
7、 测试与应用
7. 1 传输距离和丢包率测试
在北京通州瑞正园草莓示范基地对采集节点和网关进行了传输距离和丢包测试。经试验验证,本文所设计单个采集节点和网关节点在可视距离 100m 以内时,丢包率几乎为 0; 单个采集节点和网关节点在可视无阻挡的情况下,在 350m 左右可以实现稳定数据传输,在 300m 采集节点可以和网关节点实现断网重连;温室采集节点和网关节点之间有 3 堵 35cm 厚度的承重墙可以实现稳定数据传输。
另外,本文设置实验环境如下: 在9 个并排的温室大棚的最外 2 个温室布置了 2 个采集节点,中间布置了 7 个路由采集节点,大棚之间距离为 3m; 在中间大棚放置网关节点,网关节点天线拉出到温室大棚顶部,使其他采集节点和路由采集节点尽量与网关节点天线可视,通过服务器远程配置每个采集节点和路由采集节点的采集时间间隔为 2min,在服务器数据库上对 2013 年 4 月 2 日 0: 0: 31 至 3 日 23: 59: 11 两天的数据条数进行查询,实际收到 12 641 条数据,正常应该收到12 960 条; 在两天时间内,9 个温室采集节点和路由采集节点在近距离无线组网和远程传输的过程中丢包率为 2. 46% ,考虑到温室作物和墙的阻挡还有远程 GPRS 数据传输的信号稳定性,实际丢包率在允许范围内。
7. 2 采集节点测试
北京通州瑞正园草莓示范基地安装的温室环境监测报警系统从草莓定植期到采收期稳定运行,对采集节点编号为 A88 的采集节点2013 年4 月16 日的采集数据进行整理,实际采集周期为 2min,抽取每隔 0. 5h数据,绘制成曲线图。
由图 8 可以看出,环境温度和环境湿度变化趋势正好相反,即当环境温度升高时环境湿度降低,环境温度降低时环境湿度升高; 土壤温度在一天过程中变化不大,与环境温度变化趋势近似相同; 土壤含水量在一天过程中保持在31. 6% 和32. 8% 之间; 光照强度在早上 10 时和下午 3 时之间达到了最高值; 各个参数的变化过程符合实际环境变化趋势,采集节点采集数据能够正确反映温室的环境参数变化。
另外,当环境参数出现异常或在正常区间之外时,采集节点和网关节点及时为用户本地和远程报警。网关节点监测报警信息存在5min 后,为用户远程发送报警短信并且发送报警数据信息到服务器端。
实验验证,从监测到异常信息确实发生到用户手机收到报警短信,整个过程可以在 1min 之内完成。
8、 结论
本系统完成了采集节点、路由采集节点、网关节点的无线组网和到服务器的无线传输,实现了对温室作物环境信息的智能监测和报警,并且在服务器搭建了数据库和网页服务,用户通过用户终端远程查看温室的实时数据和历史数据。在服务器网页平台成功实现了对单个采集节点的远程报警上下限和采集时间间隔配置,实现了温室环境异常时本地声光报警、短信智能报警等多方位报警方式。加入的采集节点与网关节点的稳定运行机制,可以使出现故障或断网的设备恢复正常运行。搭建的系统在北京郊区多家农民专业合作社得到很好的示范应用,整个系统可以稳定运行,可以满足温室作物环境信息监测和智能报警的需求。
参考文献: [1] 乔晓军,张馨,王成,等. 无线传感器网络在农业中的应用[J]. 农业工程学报,2005,21(2) : 232-234.