基于WIFI的温室群多节点数据传输系统设计

陈鸣鸠，林欣铭，俞 龙

（华南农业大学工程学院，广州 510642）

基于WIFI的温室群多节点数据传输系统设计

陈鸣鸠，林欣铭，俞 龙※

（华南农业大学工程学院，广州 510642）

温室群是目前我国南方地区普遍采用的产业化种植模式，其电气化、信息化、智能化的要求越来越高。为了满足大数据传输和温室群信息数据汇聚和入网的需求，本文设计了基于WIFI的温室群多点数据传输系统，采用中继传输技术和自组网技术构建级联网络，有效扩大WIFI网络的覆盖范围。WIFI节点通信测试结果表明：中继数传过程约需16 s，可满足温室群多节点传输应用。

温室群 WIFI节点 中继传输

0 引言

温室群是目前我国南方地区普遍采用的蔬菜、瓜果类作物产业化种植模式。随着微机技术、网络通信技术和计算机软件技术的发展，温室群自动化、信息化技术发展迅速。现有多种类型的温室集群环境监测系统，如基于Zigbee网络的温室环境监测系统[1]、基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统[2]、基于ZigBee和GPRS网络的温室大棚无线监测系统[3]，基于WiFi的温室群环境多参数监测系统设计[4]等。

随着现代化农业的发展，温室群规模越来越大，同时温室群的监测需求也逐步上升，除了温室环境参数的监测外，图像传输和视频监测领域需求也逐步增大。本文提出了基于WIFI的温室群多节点无线级联传感网络方案，采用中继传输技术和自组网技术构建级联网络，有效扩大WIFI网络的覆盖范围。

1 系统设计

温室群多节点无线级联传感网络主要由分布在温室单间内的WIFI传感节点及温室群的汇聚节点组成，如图1所示。标号为1，2的均为温室单间，每个温室单间有一个WIFI传感节点。WIFI传感节点负责定期采集温室单间内的环境参数（如温湿度，光照度，图像等）形成数据包，汇聚节点进行数据汇聚并将数据共享至internet。标号为1的温室单间传感节点处于与汇聚节点通信范围之内；而标号为2的温室单间传感节点处于与汇聚节点通信范围之外，需要寻找附近节点作为中继将数据数传到汇聚节点。

2 WIFI节点设计

WIFI传感节点硬件由处理器模块，WIFI透明传输通信模块，电源模块，数据存储模块和数据采集模块构成。如图2所示。除了没有数据采集模块外，温室群的汇聚节点与WIFI传感节点硬件一致。

图1 温室群WIFI传感网络系统示意图

图2 节点硬件框图

图3 多节点自组网络路由

MCU采用低功耗的32位单片机STM32F103RBT6，该芯片有集成度高、外围模块丰富，处理能力强等特点。WIFI透明传输模块采用的是HLK-RM04转串口模块[6]。该模块是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网（WIFI）3个接口之间的任意透明转换。通过HLK-RM04模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可经过Internet网络传输自己的数据。为用户的串口设备通过网络传输数据提供完整快速的解决方案。

3 WIFI自组网络设计

温室群面积较大，受到WIFI通信距离的限制，WIFI传感节点采用直接或中继传输的方式与汇聚节点通信，如图3所示。在WIFI自组网络过程中，每个WIFI传感节点检测汇聚节点的信号强度。如果传感节点处于汇聚节点通信范围之内，则设立可直接通信标志，如自我标号为1，并记录一级通信链路；如果处于汇聚节点通信范围之外，则查寻附件自我标号为1的传感器节点，如有则将设立二级通信标志，如自我标号为2，并记录二级通信链路；如此类推，构建整个通信网络。

4 WIFI中继算法

WIFI中继算法可将网络边缘节点的数据通过中继节点传输到汇聚节点，达到扩大WIFI网络的覆盖范围的效果。WIFI网络按照主从（即服务器端和客户端）的方式进行通信，中继算法的设计主要是两种模式之间的转化设计，如图4所示。STM32单片机先将WIFI传感节点初始化为服务器模式，使节点处于数据包监听状态，如果节点接收到数据包，将进入数据登记处理过程，包括对数据进行整合、标志相应的启动客户端模式的数据位等。单片机将WIFI模块配置为客户端模式，与汇聚节点建立通信链路，将数据包发送到汇聚节点，然后返回为服务器模式，等待下一周期。如果节点没有收到数据包，则等待数据采集时间中端是否到，到则采集数据并完成发送，否则返回数据监听状态。

图4 节点中继算法流程

5 试验与结果分析

5.1 节点有效通信距离测试

本测试分两种环境进行测试[7]：一个是空旷地带（地点：华南农业大学华山运动场）；另一个障碍地带，以宿舍群（地点：华农华山宿舍区）模拟测试。设置最大发射功率，逐步增加测试距离，有效通信距离以节点稳定接收到数据包为准，具体数据如表1。

表1 节点的有效通信距离测试

5.2.1 组网延时性能

节点服务器模式和客户端模式之间的转化过程所需的时间是影响网络的延时性主要因素，实测情况如表2所示。

表2 耗时测试

服务器模式和客户端模式之间的转化大约需要16 s，此过程时间的较长是由于每一种模式下单片机都需要重新配置WIFI模块，WIFI模块被配置好后需要一个上电初始的过程。实际应用温室群的数据采集和监测周期一般设定为5 min以上，此过程耗时16 s可以满足实际应用，网络延时影响较小。

5.2.2 中继组网丢包率

中继组网丢包率测试见表3。

表3 丢包率测试

根据表3实测的情况，得知：本设计的使用WIFI模块在90 m的距离内很稳定，不会出现丢包的现象。到了90 m信号开始变弱明显，衰减较大，所以测试的过程中，测试距离只增加5 m，即达到95 m，此时信号开始不稳定，但会出现WIFI断开重连的现象。通信距离达到100 m时，信号极不稳定，断开重连现象出现频繁，但信号连上时数据包发送出现延时约1 s，丢包率还是为零。通信距离达到105 m时，监测得到WIFI信号，但是无法建立连接。

6 结论与讨论

本文提出一种基于WIFI的温室群多节点数据采集系统。

1）结合中继传输技术和自组网，扩大了通信覆盖面积，可扩展应用图像传输和视频监控；

2）中继数传过程约需16 s，可满足温室群多节点传输应用；

3）丢包率与WIFI信号的稳定性有很大的关系，通过测试发现只要在WIFI能够建立通信距离内，丢包率为0，这是WIFI通信的一大优势。

今后进一步研究的工作是对本设计进行多级的联网测试，获取更准确的网络性能数据。

[1]潘韵，孙兰娟.基于Zigbee无线网络的温室环境监测系统的设计与实现[J].计算机与应用化学，2014，31（7）：807-811.

[2]张猛，房俊龙，韩雨.基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计[J].农业工程学报，2013，29（1）：171-176.

[3]李立扬，王华斌，白凤山.基于 ZigBee和GPRS网络的温室大棚无线监测系统设计[J].计算机测量与控制，2012，20（12）：3148-3150.

[4]吴卓葵，张文峰，曾涛，等.基于 WiFi的温室群环境多参数监测系统设计[J].广东农业科学，2010，24（3）：204-207.

[5]刘小军.基于WIFI无线视频传输技术的研究[J].通信电子技术，2012，10（26）：82-85

[6]深圳市海陵特电子有限公司 HLK-RM04应用手册

[7]王卫星，罗锡文，孙道宗，等.茶园信息采集无线传感器网络节点设计[J].农业工程学报，2011，27(5)：169－173.

图6 苗箱移动传动件结构图

3 结语

四轴移箱机构的各轴强度高、动作准确，工作可靠，而且加工和安装的要求较低，在实际生产中应用广泛。GL-CPS4型移箱机构不但具有一般四轴移箱机构的优点，而且因为横向送秧量可变，适应性好，能更好满足高速插秧机对移箱机构的性能要求。

参考文献

[1]苏守礼，姜富，李国兴.插秧机的移箱机构[J].农牧与食品机械，1993(6)：6-8.

[2]杨文珍，杨友东，张毅，等.高速水稻插秧机四轴移箱机构原理设计[J].中国农机化，2005（5）：68-69.

[3]徐飞军，李革，赵匀.水稻插秧机移箱机构的发展研究[J].农机化研究，2008（5）：1-4.

Design of Multi-node Data Acquisition System of Greenhouse Group Based on WIFI

Chen Mingjiu，Lin Xinming，Yu Long※
(College of Engineering of South China Agricultural University,guangzhou guangdong,510642,CHINA)

Greenhouse group is generally used in southern China industrialization planting patterns,the electrification,informationization,intellectualized demand is higher and higher.To achieve greenhouse group concentration of information data gathering,at the same time meet the needs of greenhouse group extended the large data transfer.This paper designed multi-point data acquisition system of greenhouse group based on WIFI.The relay transmission technology and the Ad-hoc network technology,build 3 level network effectively expand the WIFI network coverage.This design the WIFI network communication test results show that 3 level network communications relay transmission stability,relay digital process needs 16 s longest,applied in monitoring cycle longer,less affected.

relay transmission,greenhouse group,WIFI nodes

2013年华南农业大学大学生创新创业训练计划项目：基于无线传感网络的温室智能检测控制系统设计

陈鸣鸠(1993-)，男，本科，主要从事单片机应用开发，通信电源设计。

※通信作者：俞龙(1975-)，男，博士，主要从事嵌入式技术及通信技术在农业中的应用。