基于WSN和COMWAY协议温室大棚参数远程监控系统设计

张青春，邹士航，王燕

（淮阴工学院电子与电气工程学院，江苏淮安223003）

基于WSN和COMWAY协议温室大棚参数远程监控系统设计

张青春，邹士航，王燕

（淮阴工学院电子与电气工程学院，江苏淮安223003）

针对传统温室大棚参数监控的现状，将WSN、GPRS技术和COMWAY通信协议应用于玻璃温室大棚参数远程监控系统，设计专用WSN节点，实现温室土壤温湿度、空气温湿度和光强监测与控制功能。现场监测数据通过WSN节点、ZigBee-GPRS网关和Internet网络上传到远程计算机进行实时显示和处理。采用COMWAY虚拟串口技术，实现现场调节设备和远程计算机之间的无线对接。经组网调试，系统性能稳定可靠，测量数据准确，具有较高的性价比和推广应用价值。

WSN；GPRS DTU；COMWAY协议；温室大棚；远程监控

0 引言

玻璃温室大棚克服了传统农业对自然环境的依赖性，改变了农业生产方式。本系统利用WSN和GPRS技术，实时监测玻璃温室大棚农作物生长参数，监测数据通过ZigBee-GPRS网关、Internet网络，传输到远程计算机。系统具有测量精度高、安装便捷、可控性强等优点，可以有效克服传统农业环境监控系统的各种缺陷，实现温室环境参数远程实时监控，满足现代农业生产需求，具有一定的实用性和推广应用价值[1-2]。

1 系统方案设计

本系统通过ZigBee无线传感器节点对温室大棚内农作物生长的参数进行实时监测，通过ZigBee网关，将各个节点数据信息发送到近程上位机。在ZigBee网关上增加GPRS DTU设备构成ZigBee-GPRS网关，再通过中国移动基站、Internet网络传输到远程上位机。上位机监测界面显示各节点实时数据，如果数据超出阈值范围，就会发出报警声并显示相应报警的传感器节点，提醒监测人员。现场传感器节点根据所接收到的数据变化和设定不同参数的上下限，开启或者关闭相应的控制装置，从而实现玻璃温室大棚植物生长参数远程监测与现场有效控制。

1.1 系统网络结构图

本系统主要由无线传感器网络节点（负责采集温室内节点附近的温度、湿度和光照强度等数据，当数据超出阈值可启动相应的调节设备）、ZigBee网关（实现近程数据传输）、ZigBee-GPRS网关（实现远距离数据传输）和远、近程计算机（对上传数据进行数据融合处理并显示）等组成[3-4]。系统网络结构图如图1所示。

图1 玻璃温室大棚系统网络结构

1.2 无线传感器网络节点

无线传感器节点包括电源模块、传感器模块、CC2530模块和控制模块4部分[5-6]。

采用9V太阳能电池供电，使用锂电池储存电能，通过电源转换电路输出5V和3.3V电压，为各模块提供所需电源，维持整个监控系统正常运行。

CC2530模块具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，集定时、数据采集于一体，适应2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收发器。其主要功能有：通过8路12位A/D口控制传感器模块进行数据采集；控制无线RF模块完成数据收发；通过I/O口响应主机控制。

无线传感器节点以CC2530模块为核心，将采集数据无线发送给网关，同时将采集数据与设定植物生长参数阈值进行比较，通过控制模块开启或关闭相应的调节设备[3]。无线传感器网络节点如图2所示。

图2 无线传感器网络节点

1.3 网关

1.3.1 ZigBee网关

ZigBee网关由RS232转UART底板、3.3V供电的按键电路和CC2530模块构成。ZigBee网关处理器CC2530主要负责烧写程序、数据信息汇聚、数据收发以及程序测试。RS232转UART底板上RS232转USB接口，方便与具有不同操作系统的计算机进行RS232通信，USB接口可直接与计算机相连，进行近程数据通信，状态灯用来指示是否组网成功和接收数据。

1.3.2 ZigBee-GPRS网关

在ZigBee网关基础上，加一个RS232转TTL模块和一个GPRS DTU模块，构成ZigBee-GPRS网关。RS232转TTL模块的通信采用MAX3232芯片，4个外接引脚中，RXD和TXD分别与RS232转UART底板的P0.2和P0.3引脚相连，VCC供电电压为3.3V，GND接地。通过公对公交叉串口线与WG-8010 GPRS DTU相连，数据经ZigBee-GPRS网关，实现远程通信，结构框图如图3所示。

1.4 WG-8010 GPRS DTU

WG-8010 GPRS DTU内部自带的GPRS模块，完成一次初始化配置后，它可以通过GPRS和Internet网络实现用户设备和服务器的连接功能，从而实现数据传输。

图3 ZigBee-GPRS网关结构框图

1.4.1 主要功能特性

支持GPRS和GSM；传输模式有COMWAY协议、透传协议等；支持TCP、UDP；100K超大缓存；可以随时在线，支持多种远程唤醒方式；通过短信可实现参数远程配置和查询功能。

1.4.2 GPRS DTU配置

1）安装配置程序。安装、运行GPRS DTU配置软件。配置DTU时，无需插入SIM卡，以防GPRSDTU进入自动连接模式。

2）配置本机串口通信参数。计算机串口号为COM5，波特率为9600b/s，校验位为0。串口COM5被正确打开，即显示“port：COM5 opened”。

3）GPRS通信参数的配置。系统选择COMWAY通信协议，服务器地址为ds.fusionunix.com，端口号为9000。本系统DTU模块ID号为306521200057，选择自动连接工作模式；DTU串口通信参数：波特率为9600b/s，数据位为8，停止位为1，校验位为0。这些参数必须和连接的ZigBee网关的串口通信参数完全相同，才能保证ZigBee网关、GPRS DTU和上位机的正常通信。

4）设置DTU进入配置模式并读取配置信息。将DTU连接计算机串口，在DTU上电之前，点击“DTU进入配置模式”；然后上电，DTU启动后自动进入配置模式；再点击“读取DTU模块配置”，读取DTU设定的参数。

5）通过短信发送AT指令配置。GPRS DTU也可以通过手机短信配置，一条手机短信可依次编辑多条AT指令。设置时发送以下指令：+AT^BAUD= 9 600；UTCF=810；SAVE。BAUD表示DTU串口通信速率为9 600 b/s；UTCF表示DTU串口通信格式，此处数据位设为8，停止位为1，校验位为0。

1.5 COMWAY无线串口设置

COMWAY无线串口软件与GPRS DTU配合使用，只需安装COMWAY无线串口软件，然后建立网关串口数据和上位机之间的无线通信信道，就可以接收所有传感节点的数据。无需公网固定IP地址，也不必设置网络端口映射和动态域名。通过设置虚拟串口，可实现现场设备和远程计算机之间的无线对接。具体步骤如下：

1）启动COMWAY无线串口软件登陆到自己设定的账户，添加本设计的DTU设备。例如：GPRSDTU设备序列号为“306521200057”，名称可设为“玻璃温室大棚监控系统”。

2）添加虚拟串口com10，并添加虚拟串口映射到DTU。

3）查看计算机设备管理器所添加的串口为“com10”，即完成虚拟串口设置。

2 传感器与控制模块设计

2.1 温度传感器LM 35D

表1 控制阈值设定表

选用LM35D测量空气温度，将测温传感器与放大电路集成在一起，测温范围为0～100℃，工作电压为4～30V，测量误差为±1℃，最大线性误差为±0.5℃。传感器输出电压与摄氏温标呈线性关系，每升高1℃，则输出电压增加10mV。实际使用时，取工作电压为5.0V，传感器输出接CC2530 P0.2端口[7]。上位机测量数据x与实际温度y有线性关系，经拟合分析得：y=0.140x+5.685。

2.2 湿度传感器AM 1001

选用AM1001测量空气湿度，该传感器输出模拟电压信号，具有精度高、可靠性高、一致性好、带有温度补偿、长期稳定性好、成本低等特点。工作电压为4.75～5.25V，实际使用时，取工作电压为5.0 V。测湿范围为0～100%RH，电压输出为0～3.0V。传感器输出接CC2530 P0.3端口。上位机测量数据x与实际湿度y有线性关系，经拟合分析得：y=0.054x-3.879。

2.3 土壤温湿度传感器SHT10

温湿度传感器SHT10输出数字信号，内部集成测湿元件、测温元件、14位A/D转换模块以及串行接口电路。SHT10有4根连线，DATA引脚与CC2530 P0.1端口相连，确认SCK引脚与CC2530 P1.7端口相连。

土壤温湿度传感器SHT10为已校准数字量输出的复合温湿度传感器，温度测量准确度为14 bit，湿度测量准确度12bit。温度传感器输出x与实际温度y有线性关系：y=0.01x-39.66；湿度传感器输出x与相对湿度y有非线性关系：y=-2.8×10-6x2+ 0.0405x-0.4。

2.4 光强传感器

采用硫化镉光敏电阻φ5mm测量温室光强。入射光增强，电阻减小；反之，电阻增大。将光敏电阻与1 kΩ电阻串联，外加5.0V工作电压，经分压后输出接CC2530 P0.7端口。上位机测量数据x与实际光强y有非线性关系。经拟合成分析，其二次函数为y=0.004x2-0.739x+84.21。

2.5 控制模块

本系统采用下位机传感器节点控制相应调节设备。通过编写程序，设置测量参数上下限，根据实测数据大小，改变CC2530的I/O口输出电平高低，驱动继电器控制模块（驱动电路低电平有效）。

假设某植物适宜生长参数范围：土壤温度为10～30℃，土壤湿度为17%～44%RH，空气温度为15～37℃，空气湿度为40%～70%RH，光照为500～5000 Lux。表1给出植物生长参数超出阈值时的原始值（即上位机监测数据）和对应CC2530 I/O口引脚状态变化，状态为“0”表示开启调节设备，状态为“1”表示关闭调节设备。

3 系统调试

上位机监控软件使用ZigBemPC平台，在Visual Studio 2008（VS2008）开发环境下进行软件设计。在完成传感器节点软件、网关软件和上位机监控软件调试后，并确认已经成功设置GPRS DTU和COMWAY虚拟串口，方可实施系统调试。依次将ZigBee网关、各个传感器节点和GPRS DTU（SIM卡已插入）上电，组网成功后，远程上位机监控界面可显示网络拓扑图、活动节点、实时监测数据和监测数据曲线图。

本系统设计具有参数超限报警和控制功能。根据上位机监测软件设置的阈值范围，一旦有传感器采集的数据超出报警上、下限，监控界面右上角红色报警指示灯将闪烁、计算机发出报警声。正常时界面显示数据均为“黑色”，有传感器节点超限时，该节点数据立即变成“红色”，显示报警传感器节点编号和超出阈值的参数值（土壤温湿度、空气温湿度和光照强度）。报警时，报警传感器节点开启或关闭相应的控制设备，及时调节节点附近环境参数以达到适宜植物生长的正常状态。

4 结束语

采用ZigBee技术构建的无线传感器网络具有低成本、低功耗的优点，同时也克服了传统有线传感器网络数据传输的局限性；在一个节点上集成土壤温湿度、空气温湿度及光照强度多种传感器和继电器控制电路，充分利用CC2530模块的资源，节省了硬件成本；选用GPRS DTU构成ZigBee-GPRS网关，采用COMWAY通信协议，设置虚拟串口，无需公网固定IP地址，也不必设置网络端口映射和动态域名，简化了系统设计，实现了温室大棚参数远程实时监测与有效控制。系统经组网测试，性能稳定可靠，监测数据准确，具有较高的推广应用价值。

[1]孙玉文，沈明霞，陆明州，等.无线传感器网络在农业中的应用研究现状与展望[J].浙江农业学报，2011（3）：639-644.

[2]陈辉.基于ZigBee与GPRS的温室番茄远程智能灌溉系统的研究与实现[D].杭州：浙江大学，2013.

[3]蔡利婷.基于ZigBee和GPRS的远程监控应用研究[D].广州：广东工业大学，2012.

[4]张青春，王伟庚，孙志勇.ZigBee技术在塔吊安全监测预警系统中的应用[J].计算机测量与控制，2014（8）：615-2617.

[5]张青春.基于ZigBee技术的火灾探测报警传感器网络设计[J].中国测试，2013（4）：73-75.

[6]张青春.基于WSN和WSVR算法的火灾预警系统[J].消防科学技术，2012（10）：1075-1077.

[7]张青春.基于CC2530农作物生长参数监测无线传感器节点的设计[J].制造业自动化，2013（1）：44-47.

Design of greenhouse parameters remote monitoring system based on WSN and COMWAY protocol

ZHANG Qingchun，ZOU Shihang，WANG Yan
（Electronic and Electrical Engineering Faculty of Huaiyin Institute of Technology，Huaian 223003，China）

In view of the existing circumstances of traditional greenhouse parameters monitoring status，the WSN，GPRS technology and COMWAY communication protocol have been applied in the remote monitoring system of glass greenhouse parameters.The WSN nodes were designed to monitor and control the temperature and humidity of the soil and the air as well as the light intensity.Field monitoring data were uploaded to a remote computer to be displayed and processed in time through the WSN nodes，ZigBee-GPRS gateway and Internet network.The field regulating equipment was wirelessly docked with the remote computer through the COMWAY virtual serial port.The network debugging indicates that this system is reliable and stable with accurate measurement data，high cost performance and applicable value.

WSN；GPRS DTU；COMWAY protocol；greenhouse；remote monitoring

A文章编号：1674-5124（2015）06-0072-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.017

2014-10-15；

2014-12-09

江苏省淮安市科技创新载体平台建设项目（HAP201107）

江苏省大学生创新实践计划（201311049029）

张青春（1964-），男，教授，研究方向为自动检测技术、无线传感器及其网络技术、智能仪器设计与虚拟仪器技术等。