城市绿地智能监控及灌溉系统中软件的设计

2015-09-21张雅琼

电子测试 2015年12期

张雅琼

(榆林学院信息工程学院，陕西榆林，719000）

0 引言

基于无线传感网的智能灌溉系统可实现远程节水灌溉。该系统基于ZigBee无线传感网近距离通信和GPRS远程通信获取绿地信息，将信息在系统上位机显示，上位机分析信息，作出控制决策，远程打开灌溉系统，实现智能节水灌溉。

智能监控及灌溉系统整体框图如图1所示，系统主要由无线传感器网络，GPRS网络和上位机（控制终端）组成。多个带有温湿度传感器的ZigBee节点均匀布撒在绿地，负责实时采集土壤温湿度信息并通过ZigBee终端节点将数据传输给ZigBee路由器节点，路由器节点将数据融合然后传输给ZigBee汇聚节点。ZigBee汇聚节点通过串口连接GPRS模块，该模块将数据通过网络传输给中心控制服务器。服务器将数据存入数据库并进行分析处理，然后得出决策信息。控制命令可通过控制终端发出，由GPRS网络和ZigBee网络传输到路由器节点，该节点控制阀门打开进行自动灌溉。

图1 智能监控灌溉系统整体结构图

每个ZigBee节点负责一个小区域，节点均匀部署可以保证获取的数据有效准确，ZigBee节点短距离通信传输信息功耗小，可采用太阳能电池作为能源，不必更换电池且可延长节点使用寿命。智能监控服务器可以根据收到的监测数据做出决策，发出信令控制电磁阀实施自动灌溉，该智能灌溉系统可以改善现有的半自动及手动灌溉方式的浪费现象。

1 系统软件整体设计

系统软件整体结构图如图2所示。系统中涉及ZigBee节点有三种，且功能各不相同，因此软件均不同，开发选用IAR嵌入式开发环境。上位机软件负责汇集数据并作出控制决策，选用JSP+MySQL作为开发工具。

图2 系统软件总体结构图

2 传感器网络中节点软件设计

传感网中节点采用德州仪器TI公司的CC2530芯片，可以在无线传感网ZigBee网络的Z-Stack协议栈的基础上，使用Windows环境下IAR集成开发环境进行ZigBee节点应用开发并烧写到芯片，也可在德州仪器提供的CC2530现有简单的工程上修改开发系统软件。Z-Stack中的微型操作系统封装在OSAL操作系统抽象层中。系统中的应用以任务的形式存在，即任务驱动方式，任务之间同步、互斥等关系，相互协调工作。如果有事件需要操作系统处理可以设置标志位，并等待。操作系统将会依次轮询各个可调度的任务，如果被轮询的任务有事件需要处理则进行处理，否则轮询下一个任务。

终端节点连接传感器，其职责是获取监测数据并周期性的上传给簇头节点，即路由器节点。软件的任务包括周期性告知簇头节点自己的当前网络状态(包括：短地址，扩展地址)，以及周期性采集土壤温湿度并上传到簇头节点。终端节点的软件工作流程如图3所示。

图3 ZigBee终端节点软件流程图

ZigBee路由器节点连接电磁阀，主要功能是中继监测信息以及接受打开关闭电磁阀的命令。软件的任务有周期性告知汇聚节点当前网络状态(网络状态信息包括：短地址，扩展地址)，以及接收汇聚节点的命令信息，用以打开关闭电磁阀。ZigBee路由器节点处理流程如图4所示。

图4 ZigBee路由器节点软件流程图

图5 ZigBee汇聚节点软件流程图

ZigBee汇聚节点在网络中的作用有：接收网络中路由器节点发出的网络状态信息，分析监测数据并通过GPRS模块上传至上位机，同时通过GPRS模块接收上位机发出的命令并做相应处理。ZigBee汇聚节点软件流程图如图5所示。

3 上位机软件设计

上位机软件是整个系统信息管理和控制核心，是数据处理的重要环节，能够为用户提供准确的信息和快捷的查询手段，大大方便用户使用。监控管理系统采用JSP实现，后台采用MySQL数据库来存储绿地温湿度采集的信息，数据库可存储海量数据，并能进行组织管理，使得数据查询和使用更快速更高效。通过JDBC连接前台页面与后台数据库。上位机软件功能结构图如图6所示。

当接收到无线传感网通过GPRS传输的数据时，经过分析如果发现是监测信息时，更新数据库，并将该信息提交给实时数据显示模块，用户可在上位机观察到绿地的实时温湿度信息。历史数据分析模块是通过数据库中存储的温湿度数据绘出曲线图，分析温湿度走向，供用户分析。设备控制模块功能是根据实时温湿度信息，并根据关联关系和灌溉条件决定是否实施灌溉，并发出相应的打开电磁阀或关闭电磁阀的命令。控制模式选择模块提供给用户选择是自动控制灌溉或者手动控制灌溉。用户管理模块提供给后台管理员添加用户和密码，而用户可以修改密码。合法的用户可通过网络监测绿地并控制。数据库采用的MySQL。数据库记录所有的相关数据，包括用户账号，密码，阀门状态，温湿度信息，设备状态等。