書書書牛萍娟，程 崢，田海濤，等基于多網(wǎng)融合和節(jié)點定位技術(shù)的無線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，（）：基于多網(wǎng)融合和節(jié)點定位技術(shù)的無線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計牛萍娟，程 崢，田海濤，徐芳海，李舒舒（天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津；天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津；天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程中心，天津）摘要：針對目前溫室大棚環(huán)境調(diào)控方式落后、生產(chǎn)效率低的問題，設(shè)計了一種無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由終端設(shè)備、智能網(wǎng)關(guān)、手機這個部分組成。采用完成智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計，將溫室內(nèi)各種設(shè)備如電燈、卷簾機、加熱器、加濕器、各類傳感器等通過、紅外連接起來，并設(shè)計一種基于安卓（）平臺的人機交互界面，實現(xiàn)監(jiān)控功能。提出指紋庫定位方法的改進策略，在終端節(jié)點內(nèi)的協(xié)議棧中加入卡爾曼濾波算法，在線定位階段加入貝葉斯概率定位法，實現(xiàn)無線網(wǎng)內(nèi)定位功能。說明該系統(tǒng)運行可靠、靈敏度高、數(shù)據(jù)傳輸丟包率低、性價比高，能較好地滿足溫室智能監(jiān)控的應(yīng)用需求。關(guān)鍵詞：溫室；智能網(wǎng)關(guān)；多網(wǎng)融合；安卓（）；定位；手機；智能監(jiān)控系統(tǒng)中圖分類號：； 文獻標志碼： 文章編號：（）收稿日期：基金項目：國家火炬計劃（編號：）；中小企業(yè)發(fā)展專項資金中歐國際合作項目（編號：）。作者簡介：牛萍娟（），女，河北石家莊人，博士，教授，主要從事新型半導(dǎo)體發(fā)光器件、驅(qū)動電路和半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)等研究。：。通信作者：程 崢（），男，河北唐山人，碩士研究生，從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究。：。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，溫室環(huán)境監(jiān)控成為國內(nèi)外研究的熱點之一。溫室大棚作為一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的輔助手段，不僅可以改善溫室氣候、減少外界季變化和惡劣氣候?qū)厥掖笈飪?nèi)植物的影響，還可以調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境為植物生長的最佳環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)日新月異，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也趨于廣泛，設(shè)備的控制方式逐漸脫離了傳統(tǒng)的人工控制，趨向于無線控制。溫室內(nèi)擁有眾多的智能設(shè)備，如電子顯示屏、各類傳感器、電燈開關(guān)、門禁電磁鎖等，各設(shè)備之間的相互獨立，給溫室管理員帶來了極大的不便。多網(wǎng)融合的溫室監(jiān)控系統(tǒng)可以兼容各種網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備，對室內(nèi)各種設(shè)備進行集中控制，并且具備無線網(wǎng)內(nèi)定位功能。本系統(tǒng)融合通信、計算機、自動控制等技術(shù)為一體，集服務(wù)性、管理性于一體，溫室管理員能夠更便捷地通過手機控制溫室內(nèi)的各種設(shè)備，并掌握設(shè)備的使用狀況。 系統(tǒng)總體設(shè)計溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)由終端設(shè)備單元、智能網(wǎng)關(guān)單元、系統(tǒng)管理單元個部分組成。終端設(shè)備包括室內(nèi)照明設(shè)備、卷簾機、加熱器、智能傳感器等，它們通過、紅外、的接口向智能網(wǎng)關(guān)傳送環(huán)境信息或者接收各類指令，傳感器節(jié)點同時作為室內(nèi)定位的信標節(jié)點，在室內(nèi)檢測盲點的位置。智能網(wǎng)關(guān)通過上傳室內(nèi)環(huán)境信息，解析來自的控制信息，向各個終端設(shè)備發(fā)送控制指令，并與室內(nèi)的傳感器節(jié)點組成星形網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)接口將室內(nèi)的環(huán)境信息、設(shè)備使用狀態(tài)通過上傳到溫室設(shè)備管理中心。系統(tǒng)管理單元包括安卓（）手機和室內(nèi)觸摸平板，它們運行的均為基于平臺的上位機軟件，用戶可根據(jù)界面操控室內(nèi)各個設(shè)備，并獲得室內(nèi)的環(huán)境信息，實現(xiàn)方便快捷的管理功能。整個系統(tǒng)如圖所示。 指紋庫定位方法及其改進 指紋庫定位方法在個擁有多個傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)里，所有信標節(jié)點的位置都是已知的。盲點信息須要獲取大量的已知節(jié)點和盲點與其之間的信號強度（），并根據(jù)特定的測距公式和定位算法綜合估算出盲點的實時坐標信息。定位過程主要有個部分，即測距、定位、修正。指紋庫定位方法過程如下：第步是建立離線定位系統(tǒng)的指紋庫，在定位區(qū)域內(nèi)劃分成若干個網(wǎng)格，每一個網(wǎng)格點在一定時間內(nèi)接收幾個固定信標節(jié)點的值作為該點的指紋特征。第步為線上定位操作，采集該盲點在定位區(qū)域內(nèi)接收各信標節(jié)點的值。然后將采集的實際坐標與指紋庫內(nèi)的坐標作對比，找到個與指紋庫最接近的定位點。 改進的指紋庫定位方法指紋庫定位方法雖然在一定程度上大大地提高了定位精度，但是定位的穩(wěn)定性和可靠性仍然有明顯的不足。定位環(huán)節(jié)主要有個點須要改進：首先，在室內(nèi)，由于存在非視距、多重干擾，盲點接收來自信標點的值可能不準確。若想提高定位的準確性，在建立指紋庫的過程中必須對每個網(wǎng)格點的信號作濾波處理。只有建立一個相對準確的指紋庫，才可以使后期的在線定位具有可靠性。指紋庫建立過程中存在多種噪聲干擾，因此在建立庫的過程中加入卡爾曼濾波算法江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第卷第期網(wǎng)絡(luò)出版時間：2019-07-29 08:55:44網(wǎng)絡(luò)出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/32.1214.S.20190729.0855.113.html消除噪聲，從而提高系統(tǒng)的定位精度。其次，在線定位階段，在將測得的盲點的值與指紋庫的值作對比這個過程中加入貝葉斯定位算法，根據(jù)試驗可得定位誤差大大減少。 試驗以及性能分析筆者采用個信標節(jié)點進行試驗，分別對指紋庫建立階段進行卡爾曼濾波操作和不進行處理，以及在在線定位階段采取貝葉斯定位算法和最鄰近定位算法進行處理，試驗結(jié)果（表）表明，在指紋庫建立階段加入卡爾曼濾波算法和貝葉斯定位算法可以有效地減小定位誤差，提高系統(tǒng)的整體定位精度。使用卡爾曼濾波和貝葉斯定位算法的平均偏差為，而建立指紋庫的過程不采取任何措施、定位方法為最鄰近算法的平均偏差為，誤差極大。由此可以看出，改進的指紋庫定位方法效果改善明顯，具有實際的推廣意義。表 種處理方法定位結(jié)果的比較處理辦法定位算法最大偏差（）最小偏差（）平均偏差（）不處理 鄰近算法不處理 貝葉斯法卡爾曼濾波鄰近算法卡爾曼濾波貝葉斯法 硬件設(shè)計本系統(tǒng)硬件由傳感器模塊、通信模塊、智能網(wǎng)關(guān)模塊、電源模塊組成。傳感器模塊采集的環(huán)境信息包含室內(nèi)溫濕度、光照度、濃度、土壤溫濕度等。模塊分為終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點種，終端節(jié)點留有傳感器接口，負責(zé)采集環(huán)境信息，并且作為信標節(jié)點檢測盲點的值，協(xié)調(diào)器負責(zé)數(shù)據(jù)的匯總轉(zhuǎn)發(fā)。智能網(wǎng)關(guān)模塊采用的是基于的內(nèi)核的，搭載系統(tǒng)，包含模塊、射頻發(fā)射模塊、紅外信號發(fā)射模塊、紅外接收模塊、協(xié)調(diào)器模塊。電源模塊分為部分：傳感器結(jié)點模塊和智能網(wǎng)關(guān)模塊，傳感器結(jié)點模塊采用和干電池供電種模式，智能網(wǎng)關(guān)采用電源和供電種方案，供電均為調(diào)試備用供電。 通信模塊通信模塊分為終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。本次選用的是的芯片，該芯片是一個集成的射頻模塊和內(nèi)核的微控制器，具備的和的，開發(fā)工具為編譯器。傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖所示，各個模塊電路有機地組成了一個整體發(fā)揮作用。作為一個集成協(xié)議棧的微控制器，通過接口采集傳感器數(shù)據(jù)，并通過射頻電路將信號發(fā)送給協(xié)調(diào)器。該設(shè)備同時作為信標節(jié)點，通過配合增益天線檢測盲點的值，在的內(nèi)核中植入定位算法，確定盲點的位置。 智能網(wǎng)關(guān)模塊智能網(wǎng)關(guān)是以基于的內(nèi)核的為核心。該芯片的為、為江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第卷第期，擁有個基本定時器、個通用定時器、路（共個通道）、個、個接口、個串口、個接口、個接口、個位的和個接口。芯片主頻可達，指令周期為微秒級別，處理速度塊。支持的在線仿真調(diào)試。芯片外設(shè)與集成度高，性能穩(wěn)定，因此選擇此款芯片作為智能網(wǎng)關(guān)的。智能網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖所示，此處的作為協(xié)調(diào)器與進行串口通信，采集傳感器節(jié)點上傳的環(huán)境變量以及盲節(jié)點的信號強度。射頻電路采用上海漢楓電子科技有限公司的工業(yè)通信解決方案。為一個集成的模塊，內(nèi)部的集成了協(xié)議，自帶通信固件，與進行串口通信。紅外驅(qū)動電路由紅外接收管、紅外發(fā)射管、信號放大電路等組成。根據(jù)紅外通信相關(guān)協(xié)議，軟件編碼解碼并通過驅(qū)動電路收集和發(fā)送紅外信息。的接口電路由集成的編碼解碼電路、外部接收和發(fā)送天線電路組成。 軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件由下位機程序和上位機程序部分組成。下位機程序主要包含各傳感器節(jié)點的程序和智能網(wǎng)關(guān)的程序，各傳感器節(jié)點的程序采用針對的編程實現(xiàn)，智能網(wǎng)關(guān)的程序采用搭載的系統(tǒng)實現(xiàn)。上位機程序主要是基于的人機交互界面，采用進行開發(fā)，具有良好的可遷移性和可擴展性。 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計傳感器終端節(jié)點程序流程圖如圖所示。本系統(tǒng)中共設(shè)置個傳感器結(jié)點，它們承擔著采集環(huán)境變量（溫濕度、光照度、濃度、土壤溫濕度）、組網(wǎng)、采集盲點、整理數(shù)據(jù)包并根據(jù)協(xié)議上傳至協(xié)調(diào)器幾大任務(wù)。作為終端節(jié)點在加入網(wǎng)絡(luò)后就進入待命狀態(tài)，在待命狀態(tài)下，除值獲取，所有傳感器停止執(zhí)行采集任務(wù)，利用定時中斷調(diào)用（），定時時長為，將采集到的盲點進行次去極值均值濾波，再調(diào)用（）將盲點的進行卡爾曼濾波。傳感器節(jié)點接收到智能網(wǎng)關(guān)指令時觸發(fā)事件，此事件中包含傳感器數(shù)值讀取函數(shù)、協(xié)議打包函數(shù)、串口發(fā)送緩存函數(shù)。最后調(diào)用（）向智能網(wǎng)關(guān)上傳環(huán)境變量信息、設(shè)備序列號、盲點等。在空閑時刻，為了保障各個傳感器節(jié)點和信道連接穩(wěn)定，須要互相發(fā)送空閑心跳包。在上傳數(shù)據(jù)之前還須對節(jié)點上的各個硬件模塊電路進行檢測，如有故障、供電不足、傳感器數(shù)據(jù)失真等故障須要上傳對應(yīng)的故障碼給智能網(wǎng)關(guān)。 智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計智能網(wǎng)關(guān)軟件流程圖如圖所示。首先初始化系統(tǒng)外設(shè)接口，然后構(gòu)建系統(tǒng)，設(shè)計初始任務(wù)。初始任務(wù)中創(chuàng)建了各個等待任務(wù)，主要根據(jù)客戶端指令執(zhí)行設(shè)備控制等任務(wù)。這些任務(wù)在中作為一個并行的線程執(zhí)行。它們之間的信息通過信號量和郵箱互發(fā)信息，協(xié)調(diào)處理。整個過程構(gòu)成了多網(wǎng)融合的智能網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)。 客戶端軟件設(shè)計客戶端為多網(wǎng)融合的溫室監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互界面，如圖所示，分別為登錄界面、控制模式界面、環(huán)境監(jiān)測界面、定位界面。登錄界面的作用為設(shè)定智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的和端口號，建立連接；控制模式界面是針對室內(nèi)的各個設(shè)備的操作界面；環(huán)境監(jiān)測界面顯示傳感器節(jié)點上傳的環(huán)境信息；定位界面是顯示室內(nèi)盲點的坐標信息。 系統(tǒng)測試 控制指令下發(fā)測試本次測試選取的地點是天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院植物照明實驗室，以此來模擬溫室大棚的環(huán)境。在與智能網(wǎng)關(guān)建立連接的情況下，分別測試加熱器指令（紅外）、電燈指令（的）、卷簾機指令（紅外）、任意種組合指令、種組合指令、次，計算指令碼失效的次數(shù)，其中失效率為失效次數(shù)占測試次數(shù)的百分比。對于相同的紅外指令來看，加熱器指令的失效率比卷簾機的失效率要高，因為加熱器紅外感應(yīng)的位置距離智能網(wǎng)關(guān)較遠。相比之下，電燈的失效率要低一些。組合指令的失效率也明顯高于單個指令的失效率，可能的原因為組合指令之間互相有干擾。江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第卷第期 組網(wǎng)通信測試多網(wǎng)融合的智能網(wǎng)關(guān)布置在室內(nèi)的中央，個傳感器節(jié)點布置在室內(nèi)的個角落，如圖所示，主要測試不同設(shè)備在不同距離的丟包率和誤包率，測試結(jié)果如表所示。隨著距離的增加，同一設(shè)備的丟包率和誤包率均有所增加，網(wǎng)絡(luò)趨向于不穩(wěn)定，但總體上滿足溫室大棚的應(yīng)用需求。 定位精度測試本次測試選取的環(huán)境為實驗室內(nèi)個×的空間，該空間放置長桌，個拐角為個傳感器節(jié)點。空間表 連接穩(wěn)定性測試類別設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備丟包率（）誤包率（）丟包率（）誤包率（）丟包率（）誤包率（）丟包率（）誤包率（）劃分為×的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格間距，在網(wǎng)格點放置路由器，即盲點，在個網(wǎng)格點中采樣個網(wǎng)格點進行測試。定位的坐標以及實際位置分布圖如圖所示。小江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第卷第期櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄星星點為定位坐標，黑色的小線段為定位坐標與實際網(wǎng)格點的誤差距離。經(jīng)計算，選取的個網(wǎng)格點的平均定位距離為。因此可以判定該系統(tǒng)的定位精度為。 結(jié)語本研究立足于溫室大棚的應(yīng)用環(huán)境，不僅利用了多種無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)融合的技術(shù)，將溫室內(nèi)常用的設(shè)備集中管理，還將網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)結(jié)合，設(shè)計了具備室內(nèi)定位和采集環(huán)境信息雙重功能的節(jié)點，與智能網(wǎng)關(guān)結(jié)合共同構(gòu)成了無線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過大量測試證明，該系統(tǒng)丟包率低、穩(wěn)定性高，具有一定的使用價值，為未來溫室的建設(shè)提供了理論依據(jù)。參考文獻：高 尚，陳景波智能溫室控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)中國高新技術(shù)企業(yè)，（）：韓力英，楊宜菩，王 楊，等基于單片機的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中國農(nóng)機化學(xué)報，（）：，廖建尚基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，（）：侯啟真，史秉鑫，劉衍帆基于的定位技術(shù)研究計算機應(yīng)用與軟件，（）：劉小康，郭 杭基于室內(nèi)定位系統(tǒng)的指紋庫優(yōu)化算法計算機工程，（）：安 雷，張國良，湯文俊基于的機器人室內(nèi)卡爾曼濾波定位算法研究計算機工程與應(yīng)用，（）：羅 利，黃 平基于的室內(nèi)定位貝葉斯算法仿真分析產(chǎn)業(yè)與科技論壇，（）：宋文波，王 健基于多網(wǎng)融合技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中國農(nóng)機化學(xué)報，（）：高浩天，朱森林，常 歌，等基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室系統(tǒng)架構(gòu)與實現(xiàn)農(nóng)機化研究，（）：武 征，花新峰基于的校園能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計工業(yè)控制計算機，（）：，雷嘵暉，呂曉蘭，李 雪，等噴桿噴霧機撥禾板固定支架優(yōu)化設(shè)計江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，（）：噴桿噴霧機撥禾板固定支架優(yōu)化設(shè)計雷嘵暉，呂曉蘭，李 雪，張美娜，顧 煬，（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，江蘇南京；南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇南京）摘要：噴桿噴霧機是目前普遍使用的一種大田植保機械，為了增加農(nóng)藥有效利用率和減少霧滴飄失，噴桿多加裝罩蓋裝置。針對噴桿噴霧機生產(chǎn)研發(fā)中出現(xiàn)的損壞問題，以山東綠田農(nóng)業(yè)機械有限公司生產(chǎn)的罩蓋導(dǎo)流式噴霧機撥禾板固定支架為研究對象，利用有限元理論找出固定支架應(yīng)力集中部位，并在其原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，以增強其結(jié)構(gòu)強度。在受損情況最為嚴重的大豆田中，拓撲優(yōu)化后固定支架最大應(yīng)力由原來的降至，降了，機械抗振性也有大幅度的增強。該結(jié)果為企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的撥禾板式噴桿噴霧機提供技術(shù)支持。關(guān)鍵詞：噴桿噴霧機；撥禾板；固定支架；拓撲優(yōu)化；應(yīng)力分析；數(shù)字模型；仿真；優(yōu)化設(shè)計中圖分類號： 文獻標志碼： 文章編號：（）收稿日期：基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金編號：（）。作者簡介：雷嘵暉（），男，河南焦作人，碩士，助理研究員，主要從事植保機械與施藥技術(shù)研究。：（）；：。通信作者：呂曉蘭，博士，研究員，主要從事植保機械與施藥技術(shù)研究。：（）；：。田間施藥是大田作物種植管理中最重要的環(huán)節(jié)，可有效地預(yù)防田間作物病蟲草害的發(fā)生。目前國內(nèi)大田施藥機械主要有種：一種是以無線遙控多旋翼飛行器為載體的航空植保機械，一種是高地隙噴桿噴霧機。航空植保機械多適用于山區(qū)丘陵地區(qū)，以作業(yè)速度快、地形適應(yīng)性強為特點，缺點是農(nóng)藥霧滴易飄失、價格高昂且載藥量少。高地隙噴桿噴霧機以平原作業(yè)為主，高地隙底盤設(shè)計可有效減少機具作業(yè)過程中對作物的碾壓傷害，為提高農(nóng)藥的有效利用率及減少農(nóng)藥霧滴的飄失，噴霧機噴桿多加裝風(fēng)幕裝置和罩蓋裝置。撥禾板導(dǎo)流式噴霧屬于罩蓋噴霧，是一種結(jié)構(gòu)簡單、較風(fēng)幕式噴霧價格便宜、可減少霧滴飄失的噴霧方法。它對高稈和低矮作物都適用。當裝載撥禾板的噴霧機作業(yè)于低矮作物時，撥禾板底端緊貼作物頂部，傾斜噴出的農(nóng)藥藥液會穿透作物冠層；當機具作業(yè)于高稈作物時，撥禾板可以撥開作物冠層，減少上部冠層對農(nóng)藥藥液的攔截，使藥液直接噴施于冠層下部。文獻對撥禾板的安裝傾角及寬度都有詳細的定義，山東綠田農(nóng)業(yè)機械有限公司參考文獻研發(fā)設(shè)計一款撥禾板式噴桿噴霧機，但撥禾板與噴桿之間的固定支架作業(yè)時強度效果欠佳。本研究以山東綠田農(nóng)業(yè)機械有限公司設(shè)計的撥禾板固定支架為研究對象，運用計算機拓撲優(yōu)化理論對其進行優(yōu)化設(shè)計。江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第卷第期