吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 學 報 2 0 2 2 4 4 4 4 9 5 5 0 4 h t t p x u e b a o j l a u e d u c n E m a i l j l n d x b v i p s i n a c o m J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 的 溫 室 環(huán) 境 低 功 耗 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 設(shè) 計 劉 斌 1 孫 藝 哲 1 李 秀 杰 2 宮 鶴 1 1 吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 信 息 技 術(shù) 學 院 長 春 1 3 0 1 1 8 2 中 國 電 力 工 程 顧 問 集 團 東 北 電 力 設(shè) 計 院 有 限 公 司 長 春 1 3 0 0 2 2 摘 要 溫 室 環(huán) 境 信 息 的 快 速 準 確 獲 取 是 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 精 準 調(diào) 控 的 基 礎(chǔ) 文 章 對 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 監(jiān) 測 技 術(shù) 現(xiàn) 狀 進 行 了 分 析 提 出 了 基 于 Z i g B e e 和 N B I o T 的 溫 室 低 功 耗 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 闡 明 了 系 統(tǒng) 硬 件 選 型 技 術(shù) 指 標 和 軟 硬 件 結(jié) 合 的 低 功 耗 實 現(xiàn) 方 案 通 過 優(yōu) 化 多 傳 感 器 的 任 務(wù) 調(diào) 度 動 態(tài) 切 換 和 節(jié) 點 休 眠 周 期 的 自 適 應(yīng) 設(shè) 置 從 而 實 現(xiàn) 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 連 續(xù) 監(jiān) 測 延 長 節(jié) 點 使 用 壽 命 針 對 室 外 開 闊 區(qū) 域 和 溫 室 內(nèi) 2 種 環(huán) 境 中 無 線 信 號 接 收 強 度 數(shù) 據(jù) 傳 輸 丟 包 率 與 節(jié) 點 傳 輸 距 離 開 展 單 跳 組 網(wǎng) 對 比 試 驗 探 究 溫 室 內(nèi) 無 線 傳 感 節(jié) 點 間 的 有 效 通 信 距 離 對 系 統(tǒng) 進 行 了 實 地 數(shù) 據(jù) 采 集 試 驗 并 從 服 務(wù) 器 軟 件 獲 取 數(shù) 據(jù) 進 行 分 析 結(jié) 果 表 明 系 統(tǒng) 長 時 工 作 狀 態(tài) 下 使 用 穩(wěn) 定 可 靠 可 有 效 滿 足 溫 室 環(huán) 境 監(jiān) 測 管 理 使 用 需 求 關(guān) 鍵 詞 溫 室 環(huán) 境 N B I o T 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 低 功 耗 通 信 距 離 中 圖 分 類 號 S 1 2 6 S 6 2 5 文 獻 標 志 碼 A 文 章 編 號 1 0 0 0 5 6 8 4 2 0 2 2 0 4 0 4 9 5 1 0 D O I 1 0 1 3 3 2 7 j j j l a u 2 0 2 0 4 8 3 2 引 用 格 式 劉 斌 孫 藝 哲 李 秀 杰 等 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 的 溫 室 環(huán) 境 低 功 耗 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 設(shè) 計 J 吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 學 報 2 0 2 2 4 4 4 4 9 5 5 0 4 D e s i g n o f L o w P o w e r C o n s u m p t i o n M o n i t o r i n g S y s t e m f o r G r e e n h o u s e E n v i r o n m e n t B a s e d o n W i r e l e s s S e n s o r N e t w o r k L I U B i n 1 S U N Y i z h e 1 L I X i u j i e 2 G O N G H e 1 1 C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y C h a n g c h u n 1 3 0 1 1 8 C h i n a 2 N o r t h e a s t E l e c t r i c P o w e r D e s i g n I n s t i t u t e C o L t d o f C h i n a P o w e r E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g G r o u p C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2 C h i n a A b s t r a c t A c q u i r i n g d a t a o f g r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t r a p i d l y a n d a c c u r a t e l y i s t h e f o u n d a t i o n o f p r e c i s i o n c o n t r o l o f f a c i l i t y a g r i c u l t u r e T e c h n i q u e s i t u a t i o n o f g r e e n h o u s e m o n i t o r i n g w a s a n a l y z e d i n t h i s p a p e r a n d a l o w c o n s u m p t i o n m o n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n Z i g B e e a n d N B I o T w a s d e s i g n e d T h e s y s t e m i n c l u d e s h a r d w a r e s e n s o r n o d e s a n d r e m o t e s e r v e r s o f t w a r e S e n s o r h a r d w a r e s t r u c t u r e a n d t e c h n i c a l i n d i c a t o r s w e r e p r e s e n t e d a n d l o w p o w e r c o n s u m p t i o n d e s i g n s c h e m e w i t h h a r d w a r e a n d s o f t w a r e i n t e g r a t i o n w a s p r o p o s e d A i m i n g a t p r o l o n g i n g n o d e l i f e t i m e a n d r e a l i z i n g d a t a m o n i t o r i n g c o n t i n u i t y t a s k s c h e d u l i n g a n d d y n a m i c s w i t c h i n g o f t h e m u l t i s e n s o r w e r e o p t i m i z e d I n o r d e r t o e x p l o r e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n q u a l i t y c o n t r a s t t e s t s w e r e c o n d u c t e d i n t h e o p e n a r e a o u t s i d e t h e 基 金 項 目 吉 林 省 科 技 發(fā) 展 計 劃 項 目 2 0 1 7 0 2 0 4 0 1 7 N Y 2 0 1 7 0 2 0 4 0 3 8 N Y 2 0 1 9 0 3 0 1 0 2 4 N Y 長 春 市 科 技 計 劃 項 目 科 技 創(chuàng) 新 雙 十 工 程 重 大 科 技 攻 關(guān) 項 目 1 8 S S 0 1 8 作 者 簡 介 劉 斌 男 在 讀 碩 士 研 究 方 向 物 聯(lián) 網(wǎng) 與 嵌 入 式 技 術(shù) 及 應(yīng) 用 收 稿 日 期 2 0 1 9 0 3 1 2 通 信 作 者吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 學 報 2 0 2 2 年 8 月 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 2 0 2 2 A u g u s t g r e e n h o u s e C u r v e o f w i r e l e s s s i g n a l r e c e p t i o n s t r e n g t h a n d d a t a l o s s r a t e b e t w e e n t w o n o d e s i n s i g n a l h o p n e t w o r k w e r e g i v e n a f t e r e x p e r i m e n t a l s t u d y T h e r e s u l t s o f l o n g t i m e r u n n i n g e x p e r i m e n t d e m o n s t r a t e d t h a t t h e s y s t e m s e n s o r n o d e s i n g r e e n h o u s e a r e s t a b l e a n d e f f i c i e n t K e y w o r d s g r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t N B I o T w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k l o w p o w e r c o n s u m p t i o n c o m m u n i c a t i o n d i s t a n c e 我 國 農(nóng) 用 地 跨 度 大 地 形 復 雜 氣 候 多 樣 而 傳 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 種 植 嚴 重 依 賴 自 然 環(huán) 境 使 得 農(nóng) 作 物 的 生 長 發(fā) 育 受 到 限 制 溫 室 大 棚 作 為 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 的 組 成 部 分 具 有 適 用 范 圍 廣 棚 內(nèi) 環(huán) 境 參 數(shù) 可 調(diào) 不 受 外 界 影 響 等 優(yōu) 點 1 2 在 農(nóng) 業(yè) 現(xiàn) 代 化 生 產(chǎn) 過 程 中 發(fā) 揮 著 重 要 作 用 其 中 及 時 準 確 地 獲 取 溫 室 環(huán) 境 參 數(shù) 從 而 完 成 對 溫 室 設(shè) 備 的 調(diào) 控 對 溫 室 蔬 菜 等 作 物 的 生 長 發(fā) 育 產(chǎn) 量 起 著 關(guān) 鍵 作 用 3 目 前 國 內(nèi) 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 監(jiān) 測 多 采 用 人 工 方 式 或 有 線 方 式 人 工 方 式 獲 取 的 參 數(shù) 種 類 少 且 受 主 觀 因 素 影 響 采 集 精 度 和 實 時 性 無 法 保 證 而 采 用 有 線 方 式 導 致 溫 室 現(xiàn) 場 線 纜 布 線 復 雜 增 加 了 維 護 難 度 和 生 產(chǎn) 成 本 近 幾 年 隨 著 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 的 快 速 發(fā) 展 利 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 傳 感 器 技 術(shù) 的 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 在 溫 室 大 棚 中 得 以 應(yīng) 用 4 6 杜 尚 豐 等 7 設(shè) 計 了 以 嵌 入 式 處 理 器 為 核 心 的 采 集 節(jié) 點 對 溫 室 環(huán) 境 進 行 監(jiān) 測 并 基 于 W e b 和 A n d r o i d 技 術(shù) 實 現(xiàn) 遠 程 監(jiān) 控 王 嘉 寧 等 8 設(shè) 計 了 溫 室 C O 2 濃 度 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 采 用 紅 外 C O 2 測 量 模 塊 采 集 數(shù) 據(jù) 通 過 上 位 機 L a b V I E W 平 臺 遠 程 監(jiān) 控 鄭 強 等 9 基 于 S 3 C 2 4 4 0 處 理 器 設(shè) 計 溫 室 環(huán) 境 監(jiān) 測 系統(tǒng) 并通過 W e b 服務(wù)器對溫室參數(shù)監(jiān)測和控制 上 述 系 統(tǒng) 提 高 了 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 的 采 集 精 度 但 存 在 信 息 采 集 種 類 單 一 單 點 獲 取 數(shù) 據(jù) 缺 乏 準 確 性 1 0 等 問 題 本 研 究 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 設(shè) 計 了 一 套 溫 室 環(huán) 境 低 功 耗 無 線 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 系 統(tǒng) 包 括 硬 件 終 端 和 遠 程 服 務(wù) 器 硬 件 應(yīng) 用 Z i g B e e 微 處 理 器 集 成 多 種 高 精 度 傳 感 器 對 溫 室 內(nèi) 空 氣 溫 度 濕 度 光 照 度 二 氧 化 碳 濃 度 土 壤 溫 度 水 分 6 種 參 數(shù) 進 行 多 因 子 多 點 位 實 時 監(jiān) 測 通 過 N B I o T 網(wǎng) 關(guān) 上 傳 數(shù) 據(jù) 到 服 務(wù) 器 軟 件 實 現(xiàn) 溫 室 信 息 的 遠 程 監(jiān) 測 1 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 及 原 理 1 1 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 的 溫 室 環(huán) 境 低 功 耗 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 拓 撲 圖 見 圖 1 系 統(tǒng) 主 要 功 能 分 為 應(yīng) 用 Z i g B e e 技 術(shù) 和 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 組 建 溫 室 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 在 溫 室 現(xiàn) 場 安 裝 多 個 采 集 終 端 對 大 棚 內(nèi) 空 氣 溫 濕 度 二 氧 化 碳 濃 度 等 多 種 參 數(shù) 進 行 實 時 采 集 并 匯 聚 到 Z i g B e e 協(xié) 調(diào) 器 采 用 N B I o T 網(wǎng) 關(guān) 將 Z i g B e e 數(shù) 據(jù) 通 過 I n t e r n e t 上 傳 至 遠 程 服 務(wù) 器 用 戶 使 用 電 腦 或 智 能 終 端 對 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 進 行 實 時 遠 程 查 看 考 慮 到 溫 室 現(xiàn) 場 環(huán) 境 和 農(nóng) 作 物 監(jiān) 測 需 求 采 集 終 端 采 用 太 陽 能 供 電 1 2 N B I o T 通 信 原 理 窄 帶 物 聯(lián) 網(wǎng) N a r r o w b a n d i n t e r n e t o f t h i n g s N B I o T 在 L T E 的 基 礎(chǔ) 上 發(fā) 展 而 來 是 物 聯(lián) 網(wǎng) 的 一 個 新 的 重 要 分 支 其 可 直 接 部 署 在 G S M 網(wǎng) 絡(luò) U T M S 網(wǎng) 絡(luò) 或 L T E 網(wǎng) 絡(luò) 1 1 1 2 與 G P R S 網(wǎng) 絡(luò) 相 比 N B I o T 具 備 低 功 耗 強 覆 蓋 大 連 接 低 成 本 的 特 點 1 3 在農(nóng)業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 中 有 著 良 好 的 應(yīng) 用 前 景 1 4 1 5 本 系 統(tǒng) 中 采 用 基 于 電 信 運 營 商 的 N B I o T 模 塊 實 現(xiàn) Z i g B e e 網(wǎng) 絡(luò) 與 遠 程 服 務(wù) 器 之 間 的 數(shù) 據(jù) 通 信 橋 梁 在 溫 室 大 棚 現(xiàn) 場 多 個 采 集 節(jié) 點 將 傳 感 器 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 至 Z i g B e e 協(xié) 調(diào) 器 協(xié) 調(diào) 器 將 數(shù) 據(jù) 編 碼 后 以 A T 指 令 的 方 式 通 過 串 口 將 已 編 碼 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 至 N B I o T 模 塊 N B I o T 模 塊 接 收 到 A T 指 令 提 取 數(shù) 據(jù) 并 封 裝 C o A P 協(xié) 議 后 發(fā) 送 至 N B I o T 基 站 e N o d e e N o d e 通 過 N B I o T 核 心 網(wǎng) 與 N B I o T 開 放 云 平 臺 連 接 云 平 臺 對 收 到 的 數(shù) 據(jù) 進 行 解 析 后 保 存 遠 程 服 務(wù) 器 通 過 消 息 訂 閱 接 口 對 平 臺 數(shù) 據(jù) 進 行 訂 閱 N B I o T 通 信 原 理 見 圖 2 2 系 統(tǒng) 硬 件 2 1 環(huán) 境 采 集 節(jié) 點 硬 件 設(shè) 計 環(huán) 境 采 集 節(jié) 點 由 3 部 分 組 成 主 控 單 元 供 電 單 元 和 傳 感 器 單 元 主 控 單 元 應(yīng) 用 Z i g B e e 微 處 理 器 實 現(xiàn) 應(yīng) 用 程 序 控 制 和 數(shù) 據(jù) 無 線 傳 輸 供 電 單 元 完 成 節(jié) 點 持 續(xù) 供 電 電 平 轉(zhuǎn) 換 和 電 源 管 理 功 圖 1 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 圖 F i g 1 S y s t e m t o p o l o g y 4 9 6劉 斌 等 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 的 溫 室 環(huán) 境 低 功 耗 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 設(shè) 計 吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 學 報 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 能 傳 感 器 單 元 選 用 低 功 耗 傳 感 器 接 收 指 令 對 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 進 行 獲 取 節(jié) 點 硬 件 結(jié) 構(gòu) 見 圖 3 主 控 單 元 中 Z i g B e e 微 處 理 器 采 用 恩 智 浦 N X P 公 司 生 產(chǎn) 的 J N 5 1 6 9 超 低 功 耗 3 2 位 R I S C 高 性 能 無 線 微 控 制 器 該 芯 片 板 載 5 1 2 k B 嵌 入 式 閃 存 3 2 k B R A M 和 4 k B E E P R O M 存 儲 器 集 成 了 2 4 G H z I E E E 8 0 2 1 5 4 兼 容 型 收 發(fā) 器 各 種 模 擬 和 數(shù) 字 外 設(shè) 相 比 C C 2 5 3 0 微 處 理 器 該 處 理 器 在 I E E E 8 0 2 1 5 4 基 礎(chǔ) 上 支 持 較 多 的 無 線 通 信 協(xié) 議 在 傳 輸 距 離 低 功 耗 網(wǎng) 絡(luò) 穩(wěn) 定 等 方 面 具 有 優(yōu) 勢 1 6 1 7 更適合在溫室大 棚 的 復雜環(huán)境下工作 1 8 為 延 長 節(jié) 點 使 用 壽 命 滿 足 溫 室 信 息 采 集 周 期 長 的 需 求 1 9 供 電 單 元 采 用 太 陽 能 供 電 方 案 供 電 單 元 電 路 中 太 陽 能 控 制 器 的 輸 入 端 接 入 太 陽 能 電 池 板 和 1 8 6 5 0 鋰 電 池 組 實 現(xiàn) 太 陽 能 電 池 板 對 鋰 電 池 組 的 充 電 轉(zhuǎn) 換 同 時 太 陽 能 控 制 器 具 備 充 放 電 保 護 功 能 對 鋰 電 池 組 進 行 過 充 和 過 放 保 護 電 池 電 量 檢 測 電 路 用 于 主 控 芯 片 對 電 池 組 的 電 壓 檢 測 太 陽 能 控 制 器 的 輸 出 端 接 電 平 轉(zhuǎn) 換 模 塊 實 現(xiàn) 1 2 V 電 平 轉(zhuǎn) 5 V 電 平 3 3 V 電 平 從 而 給 主 控 芯 片 和 傳 感 器 供 電 同 時 對 主 控 制 器 和 傳 感 器 進 行 獨 立 供 電 策 略 當 傳 感 器 工 作 時 主 控 芯 片 通 過 控 制 降 壓 模 塊 使 能 端 對 傳 感 器 進 行 供 電 當 傳 感 器 不 工 作 時 主 控 芯 片 進 行 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 等 其 他 任 務(wù) 時 則 關(guān) 閉 傳 感 器 供 電 圖 4 為 硬 件 節(jié) 點 實 物 圖 考 慮 溫 室 果 蔬 生 長 相 關(guān) 的 環(huán) 境 參 數(shù) 類 型 及 變 化 范 圍 主 要 對 溫 室 內(nèi) 果 蔬 作 物 生 長 密 切 相 關(guān) 的 空 氣 溫 濕 度 二 氧 化 碳 濃 度 光 照 強 度 及 土 壤 溫 度 水 分 幾 類 數(shù) 據(jù) 進 行 實 時 監(jiān) 測 表 1 為 相 關(guān) 傳 感 器 的 性 能 指 標 圖 2 N B I o T 通 信 原 理 圖 F i g 2 P r o c e s s o f N B I o T c o m m u n i c a t i o n 圖 3 節(jié) 點 硬 件 結(jié) 構(gòu) 圖 F i g 3 S t r u c t u r e o f a c q u i s i t i o n n o d e h a r d w a r e 圖 4 節(jié) 點 硬 件 實 物 圖 F i g 4 P h o t o o f a c q u i s i t i o n n o d e 表 1 相 關(guān) 傳 感 器 性 能 指 標 T a b l e 1 I n d i c a t o r s o f r e l a t e d s e n s o r p e r f o r m a n c e 相 關(guān) 性 能 指 標 工 作 電 壓 V 測 量 功 耗 m W 測 量 范 圍 測 量 精 度 響 應(yīng) 時 間 s 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 3 3 3 溫 度 4 0 1 2 3 相 對 濕 度 0 1 0 0 溫 度 0 3 相 對 濕 度 2 0 溫 度 5 相 對 濕 度 8 光 照 度 傳 感 器 5 5 0 2 0 0 0 0 0 l x 1 0 5 r d g C O 2 傳 感 器 3 3 3 5 0 2 0 0 0 p p m 5 0 p p m 2 土 壤 水 分 及 溫 度 傳 感 器 3 3 4 0 水 分 0 1 0 0 溫 度 4 0 8 0 水 分 3 5 溫 度 0 5 1 4 9 7吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 學 報 2 0 2 2 年 8 月 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 2 0 2 2 A u g u s t 2 2 N B I o T 網(wǎng) 關(guān) 節(jié) 點 硬 件 設(shè) 計 N B I o T 網(wǎng) 關(guān) 節(jié) 點 通 過 串 口 接 收 采 集 節(jié) 點 發(fā) 送 的 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 將 數(shù) 據(jù) 封 裝 整 合 后 發(fā) 送 至 遠 程 服 務(wù) 器 節(jié) 點 的 電 路 設(shè) 計 包 括 J N 5 1 6 9 模 塊 和 B C 9 5 模 塊 電 路 見 圖 5 U 1 為 J N 5 1 6 9 主 控 芯 片 去 耦 電 容 C 4 用 于 去 除 電 源 噪 聲 提 高 芯 片 的 抗 干 擾 能 力 按 鍵 S 1 和 阻 容 R 3 C 3 組 成 主 控 芯 片 的 上 電 與 按 鍵 復 位 電 路 S 3 為 編 程 按 鍵 用 于 J N 5 1 6 9 的 程 序 下 載 和 代 碼 調(diào) 試 P 1 為 D S 3 2 3 1 時 鐘 模 塊 采 用 I 2 C 接 口 與 主 控 芯 片 通 信 從 而 提 供 系 統(tǒng) 時 鐘 U 2 為 B C 9 5 模 塊 通 過 串 口 與 J N 5 1 6 9 進 行 數(shù) 據(jù) 傳 輸 電 容 C 1 和 C 2 同 樣 用 于 去 除 電 源 噪 聲 J 1 和 電 容 C 5 C 8 組 成 B C 9 5 的 表 貼 S I M 卡 槽 電 路 其 中 電 容 C 5 為 去 耦 電 容 C 6 C 7 和 C 8 3 個 3 3 p 的 電 容 用 于 防 止 信 號 發(fā) 射 干 擾 導 致 的 掉 卡 現(xiàn) 象 J 2 為 表 貼 天 線 接 口 U 3 為 S I M 卡 的 E S D 電 路 對 S I M 卡 的 數(shù) 據(jù) 線 路 進 行 保 護 3 系 統(tǒng) 軟 件 3 1 硬 件 控 制 程 序 設(shè) 計 系 統(tǒng) 無 線 通 信 協(xié) 議 采 用 的 是 N X P 基 于 8 0 2 1 5 4 協(xié) 議 進 一 步 開 發(fā) 的 J e n N e t I P 協(xié) 議 棧 其 具 備 自 組 網(wǎng) 高 可 靠 性 和 可 擴 展 的 網(wǎng) 絡(luò) 架 構(gòu) 可 支 持 5 0 0 個 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 節(jié) 點 滿 足 溫 室 環(huán) 境 下 的 使 用 要 求 J e n N e t I P 網(wǎng) 絡(luò) 中 有 3 種 節(jié) 點 類 型 協(xié) 調(diào) 器 C o o r d i n a t o r 路 由 節(jié) 點 R o u t e r 終 端 節(jié) 點 E n d D e v i c e 作 為 Z i g B e e 網(wǎng) 絡(luò) 的 創(chuàng) 建 者 每 個 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 中 有 且 只 有 一 個 C o o r d i n a t o r 節(jié) 點 本 系 統(tǒng) 中 網(wǎng) 關(guān) 節(jié) 點 Z i g B e e 芯 片 的 網(wǎng) 絡(luò) 身 份 即 為 C o o r d i n a t o r 考 慮 到 節(jié) 點 的 續(xù) 航 和 低 功 耗 采 集 節(jié) 點 網(wǎng) 絡(luò) 身 份 設(shè) 置 為 E n d D e v i c e 3 1 1 采 集 節(jié) 點 環(huán) 境 采 集 節(jié) 點 程 序 包 括 射 頻 通 信 配 置 硬 件 資 源 配 置 多 傳 感 器 采 集 控 制 無 線 數(shù) 據(jù) 收 發(fā) 和 節(jié) 點 休 眠 與 喚 醒 程 序 流 程 見 圖 6 a 其 中 程 序 通 過 配 置 射 頻 通 信 參 數(shù) 來 加 入 Z i g B e e 網(wǎng) 絡(luò) 包 括 網(wǎng) 絡(luò) 通 道 個 域 網(wǎng) I D 設(shè) 備 類 型 路 由 表 大 小 等 參 數(shù) 信 息 硬 件 資 源 配 置 包 括 定 時 器 串 口 I 2 C 總 線 等 外 設(shè) 接 口 和 相 應(yīng) 數(shù) 據(jù) 緩 沖 區(qū) 的 配 置 從 而 完 成 對 傳 感 器 的 讀 寫 節(jié) 點 將 打 包 完 成 的 傳 感 器 采 集 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 給 協(xié) 調(diào) 器 同 時 會 與 上 次 采 集 到 的 數(shù) 據(jù) 進 行 對 比 根 據(jù) 數(shù) 據(jù) 變 化 速 率 重 新 設(shè) 置 節(jié) 點 休 眠 時 間 數(shù) 據(jù) 變 化 速 率 大 則 縮 短 休 眠 時 間 達 到 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 連 續(xù) 性 監(jiān) 測 效 果 采 集 節(jié) 點 連 接 多 個 傳 感 器 傳 感 器 的 通 信 接 口 和 響 應(yīng) 時 間 各 不 相 同 優(yōu) 化 多 傳 感 器 協(xié) 調(diào) 管 理 和 任 務(wù) 調(diào) 度 可 以 提 高 采 集 節(jié) 點 工 作 效 率 同 時 又 降 低 了 系 統(tǒng) 功 耗 在 傳 感 器 采 集 控 制 程 序 中 應(yīng) 用 狀 態(tài) 機 編 程 思 想 單 個 傳 感 器 任 務(wù) 分 為 查 詢 等 待 讀 取 完 成 4 個 狀 態(tài) 初 始 狀 態(tài) 為 查 詢 主 控 芯 片 向 傳 感 器 發(fā) 送 寫 入 命 令 后 任 務(wù) 狀 態(tài) 切 換 為 等 待 當 傳 感 器 收 到 命 令 對 主 控 芯 片 進 行 應(yīng) 答 時 此 時 出 發(fā) 硬 件 事 件 同 時 標 志 位 置 位 此 時 任 務(wù) 切 換 為 讀 取 狀 態(tài) 主 控 芯 片 從 緩 沖 區(qū) 中 獲 取 并 解 析 傳 感 器 數(shù) 據(jù) 后 任 務(wù) 則 為 完 成 狀 態(tài) 程 序 執(zhí) 行 傳 圖 5 網(wǎng) 關(guān) 節(jié) 點 硬 件 電 路 圖 F i g 5 S t r u c t u r e o f g a t e w a y n o d e h a r d w a r e 4 9 8劉 斌 等 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 的 溫 室 環(huán) 境 低 功 耗 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 設(shè) 計 吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 學 報 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 感 器 采 集 任 務(wù) 隊 列 時 如 果 當 前 傳 感 器 處 于 等 待 狀 態(tài) 時 則 程 序 判 斷 相 應(yīng) 標 志 位 是 否 置 位 如 果 標 志 位 置 位 則 程 序 讀 取 傳 感 器 數(shù) 據(jù) 并 更 新 任 務(wù) 為 完 成 狀 態(tài) 如 果 標 志 位 未 置 位 則 判 斷 等 待 是 否 超 時 未 超 時 則 執(zhí) 行 下 一 任 務(wù) 若 超 時 則 重 置 此 任 務(wù) 進 程 圖 6 b 是 多 任 務(wù) 調(diào) 度 流 程 圖 3 1 2 網(wǎng) 關(guān) 節(jié) 點 網(wǎng) 關(guān) 節(jié) 點 的 程 序 流 程 見 圖 7 首 先 程 序 開 始 后 會 進 行 網(wǎng) 絡(luò) 參 數(shù) 初 始 化 配 置 包 括 網(wǎng) 絡(luò) 通 道 個 域 網(wǎng) I D 設(shè) 備 類 型 路 由 表 大 小 等 信 息 然 后 進 行 硬 件 資 源 的 初 始 化 配 置 包 括 串 口 定 時 器 的 初 始 化 初 始 化 完 成 后 節(jié) 點 開 啟 J e n N e t I P 協(xié) 議 棧 根 據(jù) 配 置 參 數(shù) 組 建 Z i g B e e 網(wǎng) 絡(luò) 然 后 程 序 會 進 行 B C 9 5 模 塊 的 配 置 如 N B I o T 頻 段 設(shè) 置 打 開 模 塊 射 頻 電 路 附 著 并 注 冊 網(wǎng) 絡(luò) 等 信 息 接 著 程 序 判 斷 B C 9 5 模 塊 是 否 入 網(wǎng) 成 功 如 果 入 網(wǎng) 不 成 功 程 序 會 返 回 重 新 配 置 B C 9 5 模 塊 直 到 聯(lián) 網(wǎng) 成 功 聯(lián) 網(wǎng) 成 功 后 程 序 進 入 主 循 環(huán) 輪 詢 狀 態(tài) 循 環(huán) 檢 測 并 處 理 事 件 協(xié) 調(diào) 器 的 事 件 類 型 分 為 3 種 協(xié) 議 棧 事 件 數(shù) 據(jù) 事 件 和 硬 件 事 件 當 有 新 的 節(jié) 點 請 求 加 入 網(wǎng) 絡(luò) 時 會 觸 發(fā) 協(xié) 議 棧 事 件 節(jié) 點 入 網(wǎng) 成 功 后 協(xié) 調(diào) 器 會 記 錄 此 節(jié) 點 物 理 地 址 并 更 新 路 由 表 協(xié) 調(diào) 器 收 到 環(huán) 境 采 集 節(jié) 點 發(fā) 送 的 數(shù) 據(jù) 會 觸 發(fā) 數(shù) 據(jù) 事 件 協(xié) 調(diào) 器 對 子 節(jié) 點 發(fā) 送 來 的 數(shù) 據(jù) 進 行 解 析 并 通 過 串 口 將 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 至 B C 9 5 模 塊 B C 9 5 模 塊 將 數(shù) 據(jù) 封 裝 C o A P 協(xié) 議 后 上 傳 運 營 商 平 臺 B C 9 5 模 塊 接 收 到 平 臺 命 令 后 通 過 串 口 發(fā) 送 到 協(xié) 調(diào) 器 并 觸 發(fā) 硬 件 事 件 協(xié) 調(diào) 器 對 串 口 收 到 的 數(shù) 據(jù) 進 行 解 析 并 執(zhí) 行 平 臺 的 命 令 3 2 編 解 碼 插 件 開 發(fā) N B I o T 網(wǎng) 關(guān) 將 接 收 到 的 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 封 裝 為 C o A P 消 息 發(fā) 送 至 運 營 商 開 放 平 臺 運 營 商 平 臺 采 用 J S O N 文 本 格 式 處 理 數(shù) 據(jù) 為 實 現(xiàn) C o A P 消 息 與 J S O N 消 息 格 式 轉(zhuǎn) 換 功 能 需 開 發(fā) 并 上 傳 編 解 碼 插 件 到 運 營 商 平 臺 完 善 消 息 的 處 理 流 程 編 解 碼 插 件 在 W i n d o w s 操 作 系 統(tǒng) 下 E c l i p s e 集 成 開 發(fā) 環(huán) 境 中 采 用 J a v a 語 言 開 發(fā) 并 使 用 M a v e n 工 具 打 包 圖 8 為 編 解 碼 插 件 開 發(fā) 界 面 圖 6 采 集 節(jié) 點 程 序 流 程 F i g 6 E n d D e v i c e p r o g r a m f l o w 4 9 9吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 學 報 2 0 2 2 年 8 月 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 2 0 2 2 A u g u s t 3 3 遠 程 服 務(wù) 器 軟 件 設(shè) 計 遠 程 服 務(wù) 器 軟 件 采 用 B S 框 架 開 發(fā) 主 要 包 括 用 戶 交 互 界 面 W e b 服 務(wù) 器 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) 幾 部 分 設(shè) 計 W e b 服 務(wù) 器 完 成 網(wǎng) 絡(luò) 接 入 和 信 息 服 務(wù) 功 能 通 過 調(diào) 用 運 營 商 云 平 臺 訂 閱 接 口 請 求 N B I o T 網(wǎng) 關(guān) 上 傳 的 數(shù) 據(jù) 并 解 析 用 戶 操 作 實 現(xiàn) 前 后 端 交 互 數(shù) 據(jù) 庫 采 用 M y S Q L 開 發(fā) 完 成 溫 室 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 的 存 儲 和 管 理 本 系 統(tǒng) 中 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 簡 單 信 息 量 小 M y S Q L 具 有 輕 量 快 速 的 特 點 完 全 滿 足 系 統(tǒng) 使 用 要 求 2 0 2 1 圖 9 為 用 戶 使 用 界 面 設(shè) 計 簡 潔 實 用 方 便 具 備 溫 室 管 理 節(jié) 點 管 理 數(shù) 據(jù) 管 理 等 功 能 圖 7 網(wǎng) 關(guān) 節(jié) 點 程 序 流 程 F i g 7 G a t e w a y n o d e p r o g r a m f l o w 圖 8 編 解 碼 插 件 開 發(fā) 界 面 F i g 8 D e v e l o p m e n t i n t e r f a c e o f c o d e c p l u g i n 5 0 0劉 斌 等 基 于 無 線 傳 感 網(wǎng) 絡(luò) 的 溫 室 環(huán) 境 低 功 耗 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 設(shè) 計 吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 學 報 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 4 系 統(tǒng) 測 試 4 1 信 號 強 度 衰 減 測 試 無 線 信 號 的 傳 輸 質(zhì) 量 節(jié) 點 的 通 信 距 離 和 工 作 環(huán) 境 密 切 相 關(guān) 2 2 選 取 合 適 的 節(jié) 點 傳 輸 距 離 能 夠 保 證 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 中 數(shù) 據(jù) 傳 輸 的 有 效 性 提 高 采 集 系 統(tǒng) 的 工 作 效 率 2 3 2 4 為 探 究 溫 室 內(nèi) 無 線 傳 輸 的 有 效 通 信 距 離 在 室 外 和 溫 室 內(nèi) 2 種 環(huán) 境 下 進 行 了 對 比 試 驗 圖 1 0 為 2 個 Z i g B e e 節(jié) 點 采 用 單 跳 組 網(wǎng) 方 式 進 行 通 訊 時 測 得 的 信 號 強 度 隨 傳 輸 距 離 變 化 曲 線 圖 1 0 a 測 試 環(huán) 境 為 室 外 開 闊 地 帶 且 節(jié) 點 間 無 障 礙 物 阻 隔 情 況 下 測 得 圖 1 0 b 測 試 環(huán) 境 為 吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 溫 室 大 棚 基 地 內(nèi) 蔬 菜 日 光 溫 室 里 該 溫 室 面 積 為 9 0 7 5 m 2 半 拱 形 節(jié) 能 日 光 溫 室 種 植 作 物 為 西 紅 柿 測 試 期 間 果 蔬 植 株 處 于 完 熟 期 測 試 時 為 避 免 天 線 增 益 對 結(jié) 果 的 影 響 發(fā) 送 節(jié) 點 和 接 收 節(jié) 點 都 采 用 5 d B i 增 益 的 天 線 2 種 環(huán) 境 下 的 Z i g B e e 節(jié) 點 離 地 面 高 1 5 m 且 天 線 方 向 保 持 一 致 測 量 方 法 為 發(fā) 送 節(jié) 點 位 置 保 持 不 變 并 每 隔 5 s 向 接 收 節(jié) 點 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 接 收 節(jié) 點 每 移 動 2 m 接 收 多 組 數(shù) 據(jù) 并 記 錄 R S S I 值 由 圖 1 0 可 見 R S S I 值 隨 收 發(fā) 節(jié) 點 距 離 的 增 加 而 逐 漸 減 小 由 圖 1 0 a 可 見 室 外 開 闊 區(qū) 域 下 節(jié) 點 距 離 在 0 8 0 m 時 R S S I 值 變 化 最 為 明 顯 從 1 0 d B m 迅 速 下 降 到 5 3 d B m 而 在 8 0 2 6 0 m 隨 著 節(jié) 點 距 離 的 增 加 R S S I 值 的 變 化 呈 緩 慢 趨 勢 從 5 3 d B m 下 降 到 8 0 d B m 當 傳 輸 距 離 增 加 到 約 圖 9 用 戶 使 用 界 面 F i g 9 U s e r i n t e r f a c e a 室 外 b 室 內(nèi) 圖 1 0 無 線 通 信 性 能 測 試 結(jié) 果 F i g 1 0 R e s u l t s o f w i r e l e s s