基于容灾备份的设施温室环境监控系统关键技术的研究

2018-06-07张雪飞王建春孙海波梁新书杜彦芳徐义鑫李凤菊钱春阳吕雄杰

江苏农业科学 2018年10期

张雪飞，王建春，彭凯，孙海波，王艳，梁新书，杜彦芳，徐义鑫，李凤菊，钱春阳，吕雄杰，宋斌，王浩

(1.天津市农业科学院信息研究所，天津 300192； 2.河北工业大学机械学院，天津 300130；3.天津市农业科学院，天津 300192； 4.天津市农业资源与环境研究所，天津 300192)

随着农业现代化进程的加快，温室工程已成为高效农业的一个重要组成部分，温室工程是增强农业综合生产能力、实现现代农业高产增效的重要手段。通常在设施温室内通过布置大量的传感器节点，实现对设施环境空气温度、空气湿度、土壤含水量、土壤温度、CO2浓度等信息的采集，完成设施温室环境的实时监控。监控系统对环境信息进行分析、汇总，并结合设施蔬菜的生长规律得到生长周期内所需的最佳环境条件，从而由系统发出控制指令，启动温室内的通风、加温、补光等设备，人为地控制作物生长的环境条件，最终实现设施温室高效、高质栽培[1-10]。

目前大部分研究主要是针对温室监控系统数据的实时推送、远程调控等技术进行的[11-17]，如侯琛等提出了温室环境监控系统网关多进程调度方法来更好地完成网关的多进程调度[11]，李萍萍等提出温室物联网测控管理系统的开发与数据同步研究[13]。针对系统的稳定性、健壮性及容灾备份考虑很少，由于农业科研的特殊性，科研人员对环境数据的采集、产量监控、病虫害的数据收集获取通常是以作物的茬口为周期，以3～5年的农业数据进行模型分析，采用大数据、云计算等技术对大量数据进行分析，从而获取稳定的基于温室环境数据的模型，并用于指导农业生产。因此，温室环境监控系统对数据传输的稳定性、系统的稳定性有较高的要求。

本研究在前人研究的基础上致力于开展温室监控系统及数据库稳定性、健壮性的研究。系统通过基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议(ZigBee)的多协调器工作机制来降低采用单协调器出现故障的概率，最终保证农业数据的安全。

1 系统设计

1.2 传统的温室监控系统架构设计

优秀的架构设计可有效地减少系统发生故障及瘫痪的概率。传统的温室环境监控系统大多采用串联结构。虽然串联系统的结构设计简单，但是系统的稳定性很差，如图1所示。

该系统的可靠度为

(1)

式中：RS为整个系统的可靠度；Ri为各部件的可靠度，Ri小于1。通过分析可知，串联系统中，部件越多，系统的可靠度越差。系统的关键部件是整个系统运行的关键，决定系统是否能够正常运行。从图1中温室环境监控的整体框图可以看出，ZigBee协调器是基于精简指令集微处理器(advanced RISC machine，简称ARM)的智能网关与终端节点之间的桥梁，一旦该协调器不能正常工作，系统将无法建立基本的通信，底层采集的数据无法上传，上层的控制命令无法下达到终端。

1.2 基于容灾备份的温室环境监控系统架构设计

传统的架构设计已经不能满足温室环境监控系统稳定性能、安全性能方面的要求，本研究基于容灾备份原理，设计了双ZigBee协调器并联的工作模式，完成故障后主备协调器的切换，保证了数据传输的稳定性。其结构原理如图2所示。

2 基于容错机制的多ZigBee协调器并联设计

2.1 ZigBee协调器可靠性分析

本研究设计了基于多ZigBee协调器的并联结构，该并联设计在可靠性上是有冗余的，只要系统中任意1个ZigBee协调器能正常工作，系统就能正常工作。协调器之间是并联模式，但是同一个时刻只能有1个协调器正常工作，通过ZigBee协调器主备切换电路完成协调器的切换。正常情况下，主ZigBee协调器完成上电及无线自组网的工作，当工作中的ZigBee协调器发生故障，不能正常通信后，系统通过心跳检测到该故障，协调器主备切换电路会自动给备用协调器供电，备用协调器上电完成后，检测网络及完成组网的工作，ZigBee终端会自动重新连接到备用的协调器形成的网络中。该设计机制遵循开放-封闭原则，使系统在兼容传统架构设计的同时，又能方便灵活扩展，保证了系统的稳定运行。具体原理如图2所示。

ZigBee并联部分的可靠性：

(2)

式中：Rp(t)为ZigBee并联部分的可靠度；R1为ZigBee主协议器的可靠度；R2为ZigBee备协调器的可靠度。

若采用传统的基于ZigBee的系统，则只存在1个ZigBee协调器，该部分的可靠度为ZigBee协调器的可靠度：

RS(t)=R1。

(3)

式中：RS(t)为传统结构下的ZigBee协调器部分的可靠度。

相比于串联系统，多ZigBee协调器并联系统的的可靠度提高了：

ΔR=Rp(t)-RS(t)=1-(1-R1)×(1-R2)-R1。

(4)

假设R1=R2=R，则

ΔR=1-(1-R)×(1-R)-R=R-R2。

(4)

系统的稳定性提高了R-R2，其中R小于1。

2.2 ZigBee主备切换的工作原理

无线传感网络(wireless sensor networks，WSN)协调器组网的过程如图3所示。首先该节点必须是全功能设备(FFD)节点，而且该节点未加入任何网络，才能利用该节点建立一个新的无线传感网络，并且终端节点只能加入1个网络中。

本研究实现了基于并联模式的多ZigBee备份工作机制，因同时只能有1个ZigBee协调器正常工作，终端节点只能加入1个网络中，若该ZigBee协调器发生故障后，通常情况下终端节点不会重新接入其他的网络中，为保证当前的ZigBee协调器发生故障后，终端节点不须要断电重启就能自动加入新上电的ZigBee协调器新组织的网络中，须要先固定ZigBee的16位的个域网标志符(PAN ID)，在f8wConfig.cfg中将变量的-DZDAPP_CONFIG_PAD_ID值进行设置，非0XFFFF即可。

主备ZigBee协调器切换的过程：(1)正常上电的ZigBee协调器组网成功后，设置其PAN ID并记录其PAN ID到智能网关的过程。(2)协调器完成网络搭建后，正常工作。(3)智能网关ARM定时向工作的ZigBee协调器发送心跳消息，ZigBee协调器收到心跳信息后，须给智能网关ARM返回1个应答信息；若智能网关向ZigBee协调器发送的心跳信息达到了预定的次数，而ZigBee协调器没有返回任何应答信号，而转到(4)；否则继续发送心跳消息。(4)智能网关ARM发送指令至协调器电路转换电路，请求切断该ZigBee协调器的电源，为备用的ZigBee协调器上电。(5)备用ZigBee协调器上电完成后，设置之前的PAN ID，其组网完成。(6)图4是主备ZigBee协调器之间完成切换的流程图。

2.3 数据透传机制

主备协调器切换后，重新上电的ZigBee协调器短地址等信息发生了变化，因此不能利用ZigBee自身的标志进行通信。本研究设计了数据的透传机制，ZigBee协调器的作用仅是ZigBee终端节点与智能网关之间的消息中转器。

数据传输过程中遵从如下的规定：(1)ZigBee终端节点与ZigBee协调器之间是点对点的通信，因为协调器的地址始终是固定的。(2)ZigBee协调器与ZigBee终端节点之间采用广播通信，ZigBee协调器在数据传输过程中，不须要携带ZigBee终端节点的短地址。ZigBee协调器与终端节点之间消息传输的具体实现依靠：

2.3.1 ZigBee终端节点的具体实现终端节点在烧录程序时，指定其编号，并且保证该编号是唯一的。ZigBee终端节点上电入网成功后，主动发送其编号信息至ZigBee协调器，ZigBee协调器将该信息中转发送至智能网关ARM，ARM接收到传感器的地址信息后，进行解析，保存对应的终端节点的编号。消息格式如图5所示。

2.3.2 智能网关ARM的具体实现智能网关可实时通过ZigBee协调器发送索取某个ZigBee终端节点上所有的传感器数据信息的指令，具体的消息指令如图6所示。ZigBee终端节点返回的消息如图7所示。

3 试验及测试

以天津市北辰鼎牛农业合作社为例说明具体应用。日光温室长度70 m，室内跨度9.8 m。主栽设施蔬菜为黄瓜。该试验配置了远程服务器及数据库，服务器及数据库位于天津市农业科学院信息研究所19楼机房。

该试验中，在设施温室中，布置了1个环境采集节点。该节点分别带有1个土壤温度及含水量传感器，1个空气温湿度传感器，1个光照度传感器。表1为设施蔬菜环境采集节点所布置的传感器的信息，图8、图9分别是设施环境采集节点和智能网关。

设定的ARM智能网关与ZigBee协调器之间通过心跳来维护链路，每隔5 s发送1次心跳消息到ZigBee协调器，若 5 s 内仍未收到ZigBee协调器的反馈消息，ARM智能网关将再次发送心跳消息，若ARM智能网关发送6次心跳消息后，仍未收到来自ZigBee协调器的确认消息，则ARM智能网关判定该ZigBee协调器不可用，启动转换电路为备用的ZigBee协调器供电，重新完成组网过程。