1、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2014,35(4:109-113Journal of South China Agricultural University http :xuebaoscaueducndoi :107671/jissn1001-411X201404020收稿日期:2013-07-20優(yōu)先出版時(shí)間:2014-06-03優(yōu)先出版網(wǎng)址:http :wwwcnkinet /kcms /doi /107671/jissn1001-411X201404020html 作者簡(jiǎn)介:岳學(xué)軍(1971,女,副教授,博士,農(nóng)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(4:109-113基于GPS 與ZigBee 的果園環(huán)境

2、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)岳學(xué)軍,王葉夫,劉永鑫,徐興,陳樹榮,陳奕希,侯勉聰,燕英偉,全東平,陳柱良(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣東廣州510642摘要:【目的】設(shè)計(jì)果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)【方法】該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程ZigBee-GPS 網(wǎng)關(guān)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN 節(jié)點(diǎn)組合,果園參數(shù)在WSN 、GPS 與Internet 間進(jìn)行采集與傳輸,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離果園環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用CC2530作無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片,GPS 采用ComWay 模塊,由ZigBee 進(jìn)行組網(wǎng)采集環(huán)境信息,通過GPS 網(wǎng)絡(luò)回傳給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),再由決策支持系統(tǒng)進(jìn)行分析發(fā)送指令控制節(jié)點(diǎn)電磁閥通斷從而營(yíng)造一個(gè)適合果樹生長(zhǎng)的環(huán)境【結(jié)果和結(jié)論】試驗(yàn)表明:系統(tǒng)可完

3、成傳感網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳送,實(shí)現(xiàn)不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分管理控制功能系統(tǒng)在果園中運(yùn)行穩(wěn)定并且丟包率低于10%,具有實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值關(guān)鍵詞:果園環(huán)境;GPS ;ZigBee ;遠(yuǎn)程監(jiān)控;決策支持中圖分類號(hào):S121;S6672;S609文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1001-411X (201404-0109-05Orchard environmental monitoring system based on GPS and ZigBeeYUE Xuejun ,WANG Yefu ,LIU Yongxin ,XU Xing ,CHEN Shurong ,CHEN Yi

4、xi ,HOU Miancong ,YAN Yingwei ,QUAN Dongping ,CHEN Zhuliang(College of Engineering ,South China Agricultural University ,Guangzhou 510642,China Abstract :【Objective 】To design an environmental monitoring and decision support system based on wire-less sensor network (WSN 【Method 】The system was assem

5、bled by ZigBee-GPS gateway and wireless sensor nodes ,which could monitor remote dynamic of orchard environmentCC2530was used as wireless data transceiver chip for ZigBee sensor nodes ,and ComWay GPS modem was selectedEcological infor-mation was collected and transmitted for cooperation in a remote

6、PC through ZigBee and GPS networks accordinglyIrrigation processes were arranged by a decision software【esult and conclusion 】Data could be transferred between system sensor networks and mobile communication network according to the systemMeanwhile ,protocol conversion between different types of sen

7、sor networks and integrant sensor network managements could be completedFurther observations showed that the average packet loss rate was lower than 10%This system could be suitable for orchard applicationsKey words :orchard environment ;GPS ;ZigBee ;remote monitoring ;decision support 水果是中國(guó)種植業(yè)中排在糧食

8、、蔬菜之后的第3大產(chǎn)業(yè),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位1-2傳統(tǒng)的果園多處于偏遠(yuǎn)地區(qū),存在人煙稀少、交通不便、地形復(fù)雜、維護(hù)不便、工作環(huán)境惡劣等問題果園的管理也大多依靠人工完成,效率低下、工作量大、管理粗放3中小型果園設(shè)施落后配套設(shè)施不齊,可靠性差,果樹灌溉只信賴果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行漫灌或渠灌稍大規(guī)模果園的管理多是對(duì)環(huán)境單因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)、 控制,不能做到環(huán)境的綜合監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)4-5果樹正常的生長(zhǎng)需要一定的環(huán)境條件環(huán)境條件不僅直接關(guān)系到果樹本身的生長(zhǎng)狀況,而且影響到果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)果園環(huán)境重要參數(shù)主要有溫濕度(土壤、環(huán)境、光照、土壤pH 、營(yíng)養(yǎng)液成分含量等6,對(duì)環(huán)境各重要參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和綜合調(diào)控成為當(dāng)前果園

9、信息化的重要瓶頸為了能使果樹達(dá)到高產(chǎn)高質(zhì),必須要對(duì)這些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行精確的檢測(cè)和綜合的調(diào)控果園環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)果樹管理的現(xiàn)代化、精細(xì)化有著非常重要的意義7-81總體設(shè)計(jì)方案果園環(huán)境信息采集系統(tǒng)的基本功能是通過各類傳感器和采集設(shè)備實(shí)時(shí)采集果園現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的基本信息,包括土壤含水量、降雨量、氣溫、光照度信息等;這些信息將被實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴霞?jí)系統(tǒng),系統(tǒng)根據(jù)情況作出是否灌溉的決策信息采集的及時(shí)性、可靠性和完整性,是信息采集系統(tǒng)的基本性能要求9-10分布于監(jiān)控區(qū)的ZigBee 節(jié)點(diǎn)間自主組網(wǎng)形成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),每節(jié)點(diǎn)收集自身周圍溫度、濕度、光照強(qiáng)度等信息,然后將數(shù)據(jù)無線傳輸,ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器收集

10、處理后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),ZigBee-GPS 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集后采用GPS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),監(jiān)控中心采集后以界面形式供監(jiān)控人員實(shí)時(shí)進(jìn)行決策和處理系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示 圖1系統(tǒng)框圖Fig1System block diagram2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案21硬件方案設(shè)計(jì)本文采用ZigBee 協(xié)議,WSN 網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、路由器和移動(dòng)終端等組成,溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)經(jīng)WSN 進(jìn)行傳輸、收集和共享等采用串口(UAT 連接ZigBee 協(xié)調(diào)器與GPS 模塊,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案利用本文設(shè)計(jì)的GPS 網(wǎng)關(guān),用戶可以實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的互通,無線網(wǎng)關(guān)可轉(zhuǎn)發(fā)無線傳感器網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)至互聯(lián)網(wǎng)中

11、的PC 主機(jī)系統(tǒng)硬件效果示意圖如圖2所示 圖2系統(tǒng)硬件示意圖Fig2Schematic diagram of the system hardware22GPS 與ZigBee 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)采用基于GSM 的通用無線分組業(yè)務(wù)(Gen-eral packet radio service ,GPS 融合ZigBee 協(xié)議的方法,可面向農(nóng)戶或農(nóng)業(yè)公司提供移動(dòng)分組的IP 連接采用ComWay 公司的DTU 模塊,GPS 無線模塊與單片機(jī)連接如圖3所示23電磁閥水泵閥控制電路設(shè)計(jì)選用TLP521做可控制光電藕合器件,通過三極管8050來驅(qū)動(dòng)DC 5V 的繼電器,通過繼電器的開合來控制電磁閥或水泵的開關(guān)完成

12、的電磁閥控制電路圖如圖4所示011華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第35卷 圖3GPS 與ZigBee 通訊電路Fig3GPS and ZigBee communication circuit圖4電磁閥控制電路圖Fig4Control circuit of solenoid valve3系統(tǒng)的軟件開發(fā)31ZigBee 節(jié)點(diǎn)軟件流程程序正常啟動(dòng)時(shí),打開串口,設(shè)置好ZigBee 協(xié)調(diào)器的信道和PAN ID 號(hào),初始化協(xié)調(diào)器,連接GPS 服務(wù)器當(dāng)串口接收到來自ZigBee 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)包,進(jìn)行解析并且處理相關(guān)數(shù)據(jù),再通過互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器主機(jī);主機(jī)同樣也可以通過指令控制ZigBee 協(xié)調(diào)器或者節(jié)點(diǎn)ZigBee 節(jié)點(diǎn)總

13、流程如圖5所示 圖5ZigBee 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程Fig5General program flowchart of ZigBee node32上位機(jī)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)321實(shí)時(shí)顯示模塊上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)土壤溫濕度和光照等傳感數(shù)據(jù),本上位機(jī)軟件可設(shè)置自動(dòng)采集的時(shí)間間隔,掉線靈敏度單位為s ,若網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)意外停止工作,上位機(jī)會(huì)在所設(shè)置掉線靈敏度時(shí)間內(nèi)重新自組網(wǎng)絡(luò),提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性自動(dòng)采集時(shí)間間隔默認(rèn)為5s ,具體數(shù)值可任意設(shè)置實(shí)時(shí)顯示模塊工作如圖6所示圖6活動(dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示圖Fig6eal-time display of active nodes322拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示功能系統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)中,還設(shè)

14、計(jì)了網(wǎng)關(guān)跟終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D顯示功能,在顯示拓樸圖時(shí)也可查詢節(jié)點(diǎn)的鏈接質(zhì)量,并顯示出來,從而使系統(tǒng)對(duì)自身網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè),進(jìn)一步保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性,實(shí)時(shí)顯示的網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)如圖7所示323報(bào)表功能及系統(tǒng)設(shè)置模塊采用CMS1控件,使系統(tǒng)可顯示實(shí)時(shí)或歷史趨勢(shì)圖,將果園環(huán)境中的溫濕度及光敏感度的變化以曲線形式直觀的顯示在屏幕上,便于分析與決策;用戶可根據(jù)個(gè)人需求通過勾選溫度、濕度、光敏感度復(fù)選框查看3個(gè)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)變化曲線圖111第4期岳學(xué)軍,等:基于GPS 與ZigBee 的果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖7網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig7Diagram of network topology監(jiān)控軟件可以

15、設(shè)置自動(dòng)采集時(shí)間間隔,實(shí)時(shí)觀看數(shù)據(jù)更新;可以設(shè)置掉線靈敏度,方便ZigBee自組網(wǎng);可以靈活設(shè)置果園中灌溉設(shè)施啟動(dòng)與停止的時(shí)刻;可設(shè)置服務(wù)器IP地址及端口號(hào),啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接便可以連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)324控制決策系統(tǒng)采集各傳感器參數(shù),根據(jù)各傳感器數(shù)據(jù),進(jìn)行分析給出決策建議本系統(tǒng)對(duì)土壤含水量進(jìn)行閾值判決,力圖將土壤含水量保持在18% 20%的范圍內(nèi)1112試驗(yàn)表明,在本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi),土壤含水量在該范圍內(nèi)合理波動(dòng)由于土壤含水量變化有延時(shí),因此該系統(tǒng)的調(diào)控實(shí)時(shí)性有待提高4系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析試驗(yàn)平臺(tái)包括無線網(wǎng)關(guān)2個(gè)(GPS網(wǎng)關(guān)和以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān),終端采集節(jié)點(diǎn)7個(gè),土壤水分含量傳感器和土壤溫度濕度傳感器若干(

16、可擴(kuò)展,電磁閥若干(可擴(kuò)展在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院的國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系柑橘綜合示范園中進(jìn)行功能測(cè)試,試驗(yàn)表明,系統(tǒng)可完成傳感網(wǎng)與電信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳送、不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換,以及對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的部分管理控制功能經(jīng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)測(cè)試,并針對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)后,在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南亞熱帶果樹資源圃中的柑橘種植區(qū)域,組建并安裝系統(tǒng)再進(jìn)行試驗(yàn)試驗(yàn)表明,系統(tǒng)運(yùn)行情況穩(wěn)定,系統(tǒng)可進(jìn)行溫室環(huán)境參數(shù)采集,并能根據(jù)采集的參數(shù)進(jìn)行分析,給出決策建議華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南亞熱帶果樹資源圃中的柑橘種植區(qū)域,地形為山坡丘陵,柑橘樹按梯田式分布栽種,平均坡度20,橘樹高度2.8m,灌層直徑3m,植株平均間距2.8m用無線龍IO

17、T1000物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分析儀,TI SmartF Studio7軟件,運(yùn)行于IOT100協(xié)議分析儀中,用于通過調(diào)試器對(duì)TI無線SOC進(jìn)行芯片級(jí)測(cè)試或通信試驗(yàn),測(cè)試果園中無線節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度SSI與丟包率隨著距離變化關(guān)系如下表1所示,在50m的組網(wǎng)范圍內(nèi),丟包率低于10%,滿足應(yīng)用需求表1無線節(jié)點(diǎn)不同距離下的信號(hào)衰減與丟包率Tab1Signal attenuation and packet loss rates of wireless nodes under different distance距離/mSSI/dBm丟包率/%037504603086871127200167800208052424

18、7860287590328350368502540769044837048828052872325683267211華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第35卷 節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度與距離的測(cè)試結(jié)果如圖8所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)擬合得到公式SSI =9.8555Ln d 46.739式中SSI 表示接收信號(hào)強(qiáng)度(dBm ,d 表示通信距離(m ,2=0.9436試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,2接近于1,系統(tǒng)可應(yīng)用于果園環(huán)境中,具有一定的實(shí)踐價(jià)值 圖8節(jié)點(diǎn)信號(hào)衰減曲線Fig8Attenuation curve diagram of node signal5結(jié)論系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)果園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可滿足采集數(shù)據(jù)功能,節(jié)能且

19、功耗低,節(jié)點(diǎn)可根據(jù)果園實(shí)際情況靈活安裝;節(jié)點(diǎn)采集信息基于ZigBee 協(xié)議星形組網(wǎng)完成網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸;搭建ZigBee-GPS 網(wǎng)關(guān),完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與GPS 網(wǎng)絡(luò)、Internet 網(wǎng)絡(luò)間的信息交互,數(shù)據(jù)得到無線傳輸與采集系統(tǒng)試驗(yàn)表明,該系統(tǒng)可以在嶺南地區(qū)果園中應(yīng)用,果園中傳感器參數(shù)可遠(yuǎn)程傳輸?shù)絇C 機(jī)中,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由ZigBee 進(jìn)行組網(wǎng)采集環(huán)境信息,通過GPS 網(wǎng)絡(luò)回傳給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),再由決策支持系統(tǒng)進(jìn)行分析發(fā)送指令控制節(jié)點(diǎn)電磁閥通斷從而營(yíng)造一個(gè)適合果樹生長(zhǎng)的環(huán)境系統(tǒng)可完成傳感網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳送,實(shí)現(xiàn)不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的部

20、分管理控制功能;在果園中運(yùn)行穩(wěn)定并且丟包率低于10%,具有實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值WSN 在農(nóng)業(yè)上的運(yùn)用越來越廣泛,研究也越來越深入13-14,本果園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采集的果園環(huán)境參數(shù)僅包含了溫度、光照和電壓,今后科研工作應(yīng)引入更多種類的傳感器,進(jìn)行更多種類數(shù)據(jù)的采集與傳輸研究;本系統(tǒng)僅對(duì)簡(jiǎn)單星型網(wǎng)組網(wǎng)方式進(jìn)行研究,進(jìn)一步深入研究工作應(yīng)針對(duì)網(wǎng)狀網(wǎng)、樹型網(wǎng)等復(fù)雜組網(wǎng)方式進(jìn)行,復(fù)雜組網(wǎng)方式功能、應(yīng)用范圍與深度可進(jìn)一步擴(kuò)展參考文獻(xiàn):1劉曉光,葛立群中國(guó)水果產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)潛力評(píng)價(jià)及提升途徑J 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2006(4:599-6032彭燕,何東健基于Zigbee 技術(shù)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)J 農(nóng)機(jī)化研究,2009(4:164-1673劉永鑫,洪添勝,岳學(xué)軍,等太陽能低功耗滴灌控制裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(20:20-264張福墁設(shè)施園藝學(xué)M 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2001:15陳其林果園環(huán)境無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D 保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),20106SIGIMIS N ,KING EAdvance