1、華南農業大學學報2014,35(4:109-113Journal of South China Agricultural University http :xuebaoscaueducndoi :107671/jissn1001-411X201404020收稿日期:2013-07-20優先出版時間:2014-06-03優先出版網址:http :wwwcnkinet /kcms /doi /107671/jissn1001-411X201404020html 作者簡介:岳學軍(1971,女,副教授,博士,農華南農業大學學報,2014,35(4:109-113基于GPS 與ZigBee 的果園環境

2、監測系統岳學軍,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(華南農業大學工程學院,廣東廣州510642摘要:【目的】設計果園環境監測系統【方法】該系統由遠程ZigBee-GPS 網關與無線傳感器網絡(WSN 節點組合,果園參數在WSN 、GPS 與Internet 間進行采集與傳輸,實現遠距離果園環境實時監測節點采用CC2530作無線數據收發芯片,GPS 采用ComWay 模塊,由ZigBee 進行組網采集環境信息,通過GPS 網絡回傳給上位機實現實時監測,再由決策支持系統進行分析發送指令控制節點電磁閥通斷從而營造一個適合果樹生長的環境【結果和結論】試驗表明:系統可完

3、成傳感網與移動通信網絡之間的數據傳送,實現不同類型感知網絡之間的協議轉換以及對傳感器網絡的部分管理控制功能系統在果園中運行穩定并且丟包率低于10%,具有實踐應用價值關鍵詞:果園環境;GPS ;ZigBee ;遠程監控;決策支持中圖分類號:S121;S6672;S609文獻標志碼:A文章編號: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 水果是中國種植業中排在糧食

8、、蔬菜之后的第3大產業,在國民經濟中占有非常重要的地位1-2傳統的果園多處于偏遠地區,存在人煙稀少、交通不便、地形復雜、維護不便、工作環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中小型果園設施落后配套設施不齊,可靠性差,果樹灌溉只信賴果農經驗進行漫灌或渠灌稍大規模果園的管理多是對環境單因素進行監測、 控制,不能做到環境的綜合監測和調節4-5果樹正常的生長需要一定的環境條件環境條件不僅直接關系到果樹本身的生長狀況,而且影響到果實的產量和品質果園環境重要參數主要有溫濕度(土壤、環境、光照、土壤pH 、營養液成分含量等6,對環境各重要參數的實時檢測和綜合調控成為當前果園

9、信息化的重要瓶頸為了能使果樹達到高產高質,必須要對這些環境參數進行精確的檢測和綜合的調控果園環境信息監測系統的設計對實現果樹管理的現代化、精細化有著非常重要的意義7-81總體設計方案果園環境信息采集系統的基本功能是通過各類傳感器和采集設備實時采集果園現場環境的基本信息,包括土壤含水量、降雨量、氣溫、光照度信息等;這些信息將被實時傳輸到上級系統,系統根據情況作出是否灌溉的決策信息采集的及時性、可靠性和完整性,是信息采集系統的基本性能要求9-10分布于監控區的ZigBee 節點間自主組網形成監控網絡,每節點收集自身周圍溫度、濕度、光照強度等信息,然后將數據無線傳輸,ZigBee 網絡中的協調器收集

10、處理后進行轉發,ZigBee-GPS 網關節點收集后采用GPS 網絡進行轉發,監控中心采集后以界面形式供監控人員實時進行決策和處理系統框圖設計如圖1所示 圖1系統框圖Fig1System block diagram2系統硬件設計方案21硬件方案設計本文采用ZigBee 協議,WSN 網絡試驗平臺由節點、協調器、路由器和移動終端等組成,溫度、濕度、光照等數據經WSN 進行傳輸、收集和共享等采用串口(UAT 連接ZigBee 協調器與GPS 模塊,實現整個系統的硬件設計方案利用本文設計的GPS 網關,用戶可以實現無線傳感器網絡與互聯網之間的互通,無線網關可轉發無線傳感器網節點采集到的數據至互聯網中

11、的PC 主機系統硬件效果示意圖如圖2所示 圖2系統硬件示意圖Fig2Schematic diagram of the system hardware22GPS 與ZigBee 網關設計網關采用基于GSM 的通用無線分組業務(Gen-eral packet radio service ,GPS 融合ZigBee 協議的方法,可面向農戶或農業公司提供移動分組的IP 連接采用ComWay 公司的DTU 模塊,GPS 無線模塊與單片機連接如圖3所示23電磁閥水泵閥控制電路設計選用TLP521做可控制光電藕合器件,通過三極管8050來驅動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完成

12、的電磁閥控制電路圖如圖4所示011華南農業大學學報第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系統的軟件開發31ZigBee 節點軟件流程程序正常啟動時,打開串口,設置好ZigBee 協調器的信道和PAN ID 號,初始化協調器,連接GPS 服務器當串口接收到來自ZigBee 協調器數據包,進行解析并且處理相關數據,再通過互聯網轉發至服務器主機;主機同樣也可以通過指令控制ZigBee 協調器或者節點ZigBee 節點總

13、流程如圖5所示 圖5ZigBee 節點運行流程Fig5General program flowchart of ZigBee node32上位機管理平臺設計321實時顯示模塊上位機實時顯示節點土壤溫濕度和光照等傳感數據,本上位機軟件可設置自動采集的時間間隔,掉線靈敏度單位為s ,若網絡中某個節點意外停止工作,上位機會在所設置掉線靈敏度時間內重新自組網絡,提高系統運行穩定性與可靠性自動采集時間間隔默認為5s ,具體數值可任意設置實時顯示模塊工作如圖6所示圖6活動節點實時顯示圖Fig6eal-time display of active nodes322拓撲結構顯示功能系統的傳感網絡在設計中,還設

14、計了網關跟終端節點的網絡拓撲圖顯示功能,在顯示拓樸圖時也可查詢節點的鏈接質量,并顯示出來,從而使系統對自身網絡結構也進行實時運行監測,進一步保證系統運行的穩定性與可靠性,實時顯示的網拓樸結構如圖7所示323報表功能及系統設置模塊采用CMS1控件,使系統可顯示實時或歷史趨勢圖,將果園環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;用戶可根據個人需求通過勾選溫度、濕度、光敏感度復選框查看3個環境參數的實時變化曲線圖111第4期岳學軍,等:基于GPS 與ZigBee 的果園環境監測系統圖7網絡拓撲圖Fig7Diagram of network topology監控軟件可以

15、設置自動采集時間間隔,實時觀看數據更新;可以設置掉線靈敏度,方便ZigBee自組網;可以靈活設置果園中灌溉設施啟動與停止的時刻;可設置服務器IP地址及端口號,啟動網絡連接便可以連接ZigBee網絡324控制決策系統采集各傳感器參數,根據各傳感器數據,進行分析給出決策建議本系統對土壤含水量進行閾值判決,力圖將土壤含水量保持在18% 20%的范圍內1112試驗表明,在本系統監測范圍內,土壤含水量在該范圍內合理波動由于土壤含水量變化有延時,因此該系統的調控實時性有待提高4系統測試與結果分析試驗平臺包括無線網關2個(GPS網關和以太網網關,終端采集節點7個,土壤水分含量傳感器和土壤溫度濕度傳感器若干(

16、可擴展,電磁閥若干(可擴展在華南農業大學工程學院的國家現代農業技術體系柑橘綜合示范園中進行功能測試,試驗表明,系統可完成傳感網與電信網絡之間的數據傳送、不同類型感知網絡之間的協議轉換,以及對傳感器網絡的部分管理控制功能經實驗室系統測試,并針對出現的問題進行改進后,在華南農業大學南亞熱帶果樹資源圃中的柑橘種植區域,組建并安裝系統再進行試驗試驗表明,系統運行情況穩定,系統可進行溫室環境參數采集,并能根據采集的參數進行分析,給出決策建議華南農業大學南亞熱帶果樹資源圃中的柑橘種植區域,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物聯網協議分析儀,TI SmartF Studio7軟件,運行于IOT100協議分析儀中,用于通過調試器對TI無線SOC進行芯片級測試或通信試驗,測試果園中無線節點接收信號強度SSI與丟包率隨著距離變化關系如下表1所示,在50m的組網范圍內,丟包率低于10%,滿足應用需求表1無線節點不同距離下的信號衰減與丟包率Tab1Signal attenuation and packet loss rates of wireless nodes under different distance距離/mSSI/dBm丟包率/%037504603086871127200167800208052424

18、7860287590328350368502540769044837048828052872325683267211華南農業大學學報第35卷 節點接收信號強度與距離的測試結果如圖8所示,試驗數據經擬合得到公式SSI =9.8555Ln d 46.739式中SSI 表示接收信號強度(dBm ,d 表示通信距離(m ,2=0.9436試驗數據表明,2接近于1,系統可應用于果園環境中,具有一定的實踐價值 圖8節點信號衰減曲線Fig8Attenuation curve diagram of node signal5結論系統測試結果表明,本文所設計果園監測系統中各節點結構簡單,可滿足采集數據功能,節能且

19、功耗低,節點可根據果園實際情況靈活安裝;節點采集信息基于ZigBee 協議星形組網完成網絡中數據傳輸;搭建ZigBee-GPS 網關,完成異構網絡ZigBee 網絡與GPS 網絡、Internet 網絡間的信息交互,數據得到無線傳輸與采集系統試驗表明,該系統可以在嶺南地區果園中應用,果園中傳感器參數可遠程傳輸到PC 機中,實現遠程監測系統由ZigBee 進行組網采集環境信息,通過GPS 網絡回傳給上位機實現實時監測,再由決策支持系統進行分析發送指令控制節點電磁閥通斷從而營造一個適合果樹生長的環境系統可完成傳感網與移動通信網絡之間的數據傳送,實現不同類型感知網絡之間的協議轉換以及對傳感器網絡的部

20、分管理控制功能;在果園中運行穩定并且丟包率低于10%,具有實踐應用價值WSN 在農業上的運用越來越廣泛,研究也越來越深入13-14,本果園監測系統中采集的果園環境參數僅包含了溫度、光照和電壓,今后科研工作應引入更多種類的傳感器,進行更多種類數據的采集與傳輸研究;本系統僅對簡單星型網組網方式進行研究,進一步深入研究工作應針對網狀網、樹型網等復雜組網方式進行,復雜組網方式功能、應用范圍與深度可進一步擴展參考文獻:1劉曉光,葛立群中國水果產業國際競爭潛力評價及提升途徑J 沈陽農業大學學報:社會科學版,2006(4:599-6032彭燕,何東健基于Zigbee 技術的果園生態環境監測系統J 農機化研究,2009(4:164-1673劉永鑫,洪添勝,岳學軍,等太陽能低功耗滴灌控制裝置的設計與實現J 農業工程學報,2012,28(20:20-264張福墁設施園藝學M 北京:中國農業大學出版社,2001:15陳其林果園環境無線監測系統的設計D 保定:河北農業大學,20106SIGIMIS N ,KING EAdvance