基于物联网技术的食用菌生长监控系统关键技术研究
2020-10-09袁剑锋郑淏
袁剑锋 郑淏
摘 要： 首先，本文在分析对比其他监控系统的基础上，设计了一种基于物联网技术的食用菌生长监控系统。其次，介绍了此监控系统工作的基本设计原理，重点设计了基于ZigBee技术的无线网络拓扑结构、协调器模块设计、ZigBee协议体系架构等，并对网络模块的程序设计从协调器节点程序设计和终点节点程序设计等两方面进行分析。最后，从Zigbee组网通信和图像传输两方面进行了测试验证。通过试验，此监控系统组网成功，且速度快捷，数据图像也能稳定实时传输，与预期目标一致。
关键词： 物联网技术;Zigbee技术;监控系统
中图分类号： TP274 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.009
本文著录格式：袁劍锋，郑淏. 基于物联网技术的食用菌生长监控系统关键技术研究[J]. 软件，2020，41（08）：31-33
【Abstract】： Firstly， this paper proposes an overall design scheme of an edible fungus growth monitoring system based on the Internet of Things technology and the analysis and comparison of other monitoring systems. Secondly， this paper introduces the basic design principle of this monitoring system. The wireless network topology、the coordinator module and ZigBee protocol architecture are mainly designed on the basis of ZigBee technology，and the programming of the network module is analyzed from two aspects： the coordinator node programming and the end node programming. Finally， it is tested and verified from ZigBee network communication and image transmission. Through the test and verification， the edible fungus growth monitoring system based on the Internet of Things technology successfully networked and data image can be transmitted stably in real time， consistent with the expected goal.
【Key words】： Internet of Things technology; Zigbee technology; Monitoring system
0 引言
近些年来，食用菌产业在我们国家取得了较快发展，甚至在全球来讲，已成为食用菌生产消费及出口大国，但根据现有数据分析，我国大多数食用菌生产基地还是依靠大量人工栽培来实现的。在物联网技术日趋成熟的今天，如何利用物联网技术对传统食用菌生产环境和过程进行全程监控、人为调节，进行绿色栽培，实现提质增效，成为大家争相研究的热点[1-2]。国内张宇、李建军等均曾针对食用菌生产中物联网技术的应用进行了研究[3]，都具有一定的借鉴意义。
1 本监控系统整体框架设计
本文提出的基于物联网技术的设施栽培大棚食用菌智能生长监控系统，考虑到了农业物联网工作环境复杂，设施大棚封闭环境对网络信号的影响、采集节点电源供给等因素，综合前人研究成果，本系统决定在各采集节点与总采集节点之间采用Zigbee无线传输模块进行通信。首先，在感应层，通过温湿度、二氧化碳、烟雾、光照等工业级检测传感器及外围网络，获取食用菌设施大棚内的相关信息[4]。第二，在网络层，利用基于IEEE802.15.4网络的zigbee技术将设施大棚内采集到的各类信息实时传输到整个ZigBee网络的核心协调器，同时，为了方便各个串行设别的通信协议的灵活转换，此系统使用SAMSUNG公司基于ARM7TDMI内核的32位处理器S3C4510B搭建了嵌入式可组态串口网关[5]，采集大量的采用了不同串行通信协议的设备的数据信息，并将数据继续向上转发到主控节点。最后，在应用层，接受来自服务器的数据在web端和Android端显示并与应用，从而提高食用菌的产能和品质。系统具有功耗低、实时性好、稳定性高等特点[6]。
2 系统设计中ZigBee技术具体引用
2.1 Zigbee技术介绍
Zigbee技术是物联网技术中用途非常广泛的一种无线传输技术，其具有耗能低、成本低、组网简单、安全性强，功能稳定的特点。从某种程度上来讲，ZigBee技术促进了物联网技术的发展应用。因而适用于在食用菌设施大棚内进行数据的无线传输工作。 Zigbee技术采用IEEE802.15.4通信协议，在技术实现上则有多种方式[7]。本系统搭建了嵌入式可组态串口网关，在国内应用非常广泛，有利于研究人员进行系统开发。
2.2 ZigBee网络拓扑结构
ZigBee无线传感器网络在通信过程中通常具有端节点、协调器节点和路由器节点等三种不同的网络节点。它们分别负责完成数据报信息的采集、创建ZigBee网络和支撑整个网络链路。其中协调器是ZigBee无线传感网络的核心部分，负责创建并管理一个ZigBee网络，且具有唯一性。路由器节点即我们通常所讲的中继器，支撑整个网络的链路结构。终端节点位于网络边缘，即网络的感知者和执行者。本系统为保证数据通信顺畅，在整体设计中采用了星型网络拓扑结构，来实际决定各设施大棚内的节点数[8]。
2.3 ZigBee协调器模块设计
ZigBee协调器模块具有三大作用，首先建立星型结构方式的食用菌设施大棚网络;其实是通过S3C4510B串口电路将终端传感器节点所采集的信息以数据包形式发送到网关;三是利用射频天线模块来完成与终端传感器节点模块之间的数据通信。结构模块图如图2所示。
2.4 ZigBee协议体系架构
该系统基于IEEE802.15.4标准对协议模块进行分层管理，感应层、网络层和应用层之间通过接口相互联系。程序设计者只需在应用层完成相应的程序开发及操作，不需关心感应层和网络层的相关服务与工作。本系统采用Z-Stack协议栈对任务进行轮询式访问，其任务调度和资源分配由操作系统抽象层OSAL管理[9]。Z-Stack协议栈首先进行系统的初始化，然后启动OSAL操作系统。在任务轮询过程中，系统不断查询是否有事件发生，如是，则运行相应的event handlers（事件处理函数），如否，则启动任务轮询，询问下一个任务。
2.5 ZigBee无线网络模块软件设计
2.5.1 協调器节点软件设计
协调器组网软件设计是ZigBee无线传感网络的核心技术，负责创建并管理一个唯一的ZigBee网络。协调器设备通电后，第一时间判断其是否可以作为协调器节点，若是，就开始信道扫描，并选择最合适的信道通过request语句建立一个新网络，创建成功后，设置ID和协调器地址，等待子节点的加入[10]。否则组网失败。协调器组网流程图如图3所示。
协调器组网部分程序如下：
ZDApp_Init（ uint16 task_id ）
{
ZDAppTaskID = task_id;
ZDAppNwkAddr.addrMode = Addr32Bit;
ZDAppNwkAddr.addr.shortAddr = INVALID_ NODE_Addr;
NLME_GetExtAddr（）;
ZDAppCheckForHoldKey（）;
ZDO_Init（）;
IfRegister（ （endPointDesc_t *）&ZDApp_epDesc ）;
if defined（ ZDO_USERDESC_RESPONSE ）
ZDApp_InitUserDesc（）;
endif
if （ devState ！= DEV_HOLD ）
{
ZDOInitDevice（ 0 ）;
}
else
{
HalLedBlink （ HAL_LED_4， 0， 40， 600 ）;
}
ZDApp_RegisterCBs（）;
} [11]
协调器在设施食用菌监控生长系统中不仅负责创建和维护网络，还要维系网关设备和感知节点之间的联系。协调器与各终端感知节点之间无线通信，而与食用菌设施大棚内各网关则串口相连。组网成功后，协调器要保持工作状态，时刻进行监控，并开启接收模式。如接收到网关信息，就请求数据，并分配地址给新加入的网络节点。同时，协调器给终端节点发送控制指令[12]。
本系统中协调器节点通信负责完成两项工作：一是负责食用菌设施大棚内环境信息的采集，二是负责向各网关节点发送采集数据指令。
2.5.2 终端节点软件设计
应用层与服务器建立通信并发送控制指令，服务器收到指令后传递给到主控节点，主控节点处理器通过协调器，利用Zigbee无线模块给控制节点发送指令，控制节点处理器启动继电器实现对各设备的控制。继而协调器向网络层发送入网请求，网络层判断是否有空闲地址，若有空闲地址，通过协调器发送链接响应给该终端节点，同时为其分配网络地址，终端节点收到入网成功的信号以后，则入网成功。若地址己满，则入网失败。部分程序如下：
SAPI_ProcessZDOMsgs（zdoincomingMsg_t *inMsg）
{
switch（inMsg->clusterID）
{
case NET addr rsp：
{
ZDO_NwkIEEEAddrResp_t *pNETAddrRsp= ZDO_ ParseAddrRsp（inMsg）;
SAPI_FindDeviceConfirm（ZB_IEEE_ SEARCH， （uint16*）&pNETAddrRsp->NETAddr，pNETAddrRsp->extAddr）;
}
break;
在设施大棚食用菌生长控制系统中，各类终端节点负责获得各种环境参数，并将这些环境参数传送至协调器节点，协调器收到数据之后判断发送相应的控制指令改善生产环境，保证食用菌在最佳的环境生 长[13]。
3 系统功能测试与结论
本系统在徐州市丰县师寨镇食用菌黑木耳栽培中心进行了实验，2019年全镇木耳产能突破4亿袋，产值达5亿元，带动全镇农民人均纯收入4000元以上。本系统对ZigBee无线传感器网络进行网络组建及调试试验，温湿度传感器测试实验顺利成功，完成终端节点与协调器之间进行数据传输测试。进而，对终端传感器节点所采集到的图像是否可以正常上传至计算机进行测试，结果证明，数据采集、传输、分析快速可靠。并且系统功耗低，稳定性好，可以 满足设施食用菌生长监控的需求。本系统不仅可以应用在食用菌生产过程中，还可以推广到其他对生产过程需要实时监控的农作物生产中，对促进农业绿色智能化种植具有重要意义。
参考文献
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