基于6LoWPAN的植物工厂智能监测系统设计
2019-10-11于鹏澎潘杰
于鹏澎 潘杰
【摘 要】针对植物工厂对温湿度、CO2浓度、光照等环境参数的智能监测要求,基于6LoWPAN技术设计了植物工厂智能监测系统。通过搭建监测系统总体架构,设计6LoWPAN网关节点和传感器节点硬件电路、软件程序,实现对植物工厂内环境信息的综合、实时、智能监测,提升植物工厂生产信息化水平。
【关键词】植物工厂;6LoWPAN;监测系统
中图分类号: S126文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2019)22-0016-002
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.006
隨着工业发展和城市规模扩张,生态环境不断恶化,传统农业生产方式受到严重挑战,已不能满足人们对高品质作物的需求[1]。以设施园艺、环境科学和电子信息等技术为基础的植物工厂作为最新现代农业生产方式,成为破解这一难题的关键。植物工厂内温湿度、CO2浓度、光照是影响作物生长的主要因素,对其进行实时监测控制是保障作物高效生产的基础[2]。目前,我国植物工厂监测系统多采用独立控制,设备间不互联,缺乏整体性,扩展能力差不满足现代植物工厂综合、实时、智能监测要求[3]。6LoWPAN(IPv6 over Low-power wireless Personal Area Networks)技术实现了IEEE802.15.4无线传感器网络与IPv6网络的无缝连接[4],具有低功耗、地址资源丰富、自主组网、实时性强等优点,可应用于植物工厂智能监测系统中。
1 植物工厂智能监测系统总体架构
植物工厂内作物要保持最佳生长状态,离不开适宜的温湿度、CO2浓度、光照等环境因素。基于6LoWPAN的植物工厂智能监测系统通过实时准确监测环境因素,为内部环境调节提供依据。本文设计的监测系统由PC终端,路由器,6LoWPAN网关和传感器节点组成,具体如图1所示。
其中,传感器节点搭载温湿度、CO2浓度、光照等各类型传感器完成环境数据采集,并将其传输至6LoWPAN网关。网关完成IEEE802.15.4无线IPv6数据与IEEE802.3以太网数据之间的转换,最终实现IPv6用户终端与6LoWPAN网络之间的连接与通信,实现植物工厂环境数据的互联、实时、智能监测。
2 植物工厂智能监测系统硬件设计
2.1 6LoWPAN网关节点硬件设计
6LoWPAN网关是IPv6有线网络与6LoWPAN无线网络间数据通信的接口,具有IEEE802.15.4无线IPv6数据同IEEE802.3以太网数据转换功能,实现IPv6用户终端访问该网关下的6LoWPAN传感器网络。6LoWPAN网关节点硬件结构如图2所示。其中,主控芯片使用TI公司开发的片上系统CC2538,该芯片采用ARM Cortex-3架构,功能完善,具备97dBm的接收灵敏度,可编程输出功率高至7dBm,拥有32K RAM和512K存储器,能够满足植物工厂监测系统数据处理要求[5]。ENC28J60以太网芯片以SPI总线方式与CC2538芯片连接,实现数据传输快速处理。射频收发机模块实现网关节点与网络内传感器节点间数据发送和接收功能。
2.2 传感器节点硬件设计
传感器节点作为植物工厂智能监测系统关键模块,对植物工厂内各种环境参数进行采集并传输至6LoWPAN网关节点。图3为传感器节点硬件框图。传感器节点主控芯片选用TI公司CC2530产品。该芯片集成射频收发技术,搭载增强型80C51内核,配置8KB RAM和256KB存储器[6],具有多种低功耗工作模式,能够以较低成本实现植物工厂环境数据采集、处理和传输。
传感器节点硬件设计中,传感监测电路根据监测环境参数不同选配不同类型传感器。本设计分别选用:(1)DHT11型温湿度传感器:该传感器检测温度、湿度参数,数字量输出,单总线通讯,接口简单,响应快、抗干扰,适用范围广;(2)TGS4160型CO2传感器:该传感器检测CO2浓度,属于电化学型传感器,电压模拟量输出,测量范围广,功耗低,持久耐用;(3)BH1750FVI型光照传感器:该传感器检测光照强度,光谱灵敏度高、测量范围广、可靠性高、功耗低、支持I2C接口。
3 植物工厂智能监测系统软件设计
Contiki是专为LLN (Low power and Lossy networks)网络开发的操作系统,并提供uIPv6协议栈支持,具有处理无线传感器网络数据帧和IPv6网络数据报文的功能[7]。本文设计的监测系统软件基于Contiki操作系统开发,具体分为网关节点软件设计和传感器节点软件设计。
6LoWPAN网关节点通电后,监听UDP端口状态,等待接收远程PC端数据并进行解析处理。依据接收到的内容生成不同指令,在完成数据压缩、报文分片后,网关节点向6LoWPAN网络内的传感器节点发送数据帧。6LoWPAN网关节点等待传感器节点回传采集数据,最后对接收到的数据帧进行重组和解压缩等处理,并封装成IPv6报文传送至PC端,实现植物工厂环境参数实时监测、网络传输,具体流程如图4(a)。
传感器节点通电后,系统进行初始化,完成系统参数配置,等待6LoWPAN网关节点发送指令信息。传感器节点接收到网关节点发送的数据帧后,进行报文重组、解压缩等处理。若收到的指令信息为环境监测,则跳转至环境监测子程序进行环境信息采集;若收到的指令信息为控制指令,则修改传感器参数配置。传感器节点完成环境信息采集和参数配置后,将采集结果和配置参数封装成数据报文,然后进行数据压缩和报文分片,最后将数据帧传送至网关节点。具体流程如图4(b)。
4 结语
本文基于6LoWPAN技术设计了植物工厂智能监测系统,能够实现植物工厂内无线传感器监测网络与IPv6网络的互联互通,实现植物工厂环境参数实时监测,为植物工厂内作物保持最佳生长状态提供保证。
【参考文献】
[1]王冠.基于嵌入式的植物工厂智能监控系统的研究[D].天津理工大学,2015.
[2]高菊玲,孔德志.微型植物工厂的设计[J].科技信息,2012(32):227.
[3]李晨东.基于6LoWPAN技术的温室大棚监控系统的研究与设计[D].东华大学,2016.
[4]王琰琳.基于6LoWPAN的物联网医疗监护系统设计[J].黑龙江科技信息,2017(14):191-192.
[5]景强.基于CC2538无线传感器网络节点设计研究[D].中北大学,2018.
[6]陈克涛,张海辉,张永猛,等.基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2014,42(05):183-188.
[7]田广东,叶鑫.基于Contiki的6LoWPAN边界路由器的设计[J].电子技术应用,2016,42(03):61-63+70.