基于无线传感网络的温室环境低功耗监测系统设计.pdf

吉 林 农 业 大 学 学 报 2 0 2 2 4 4 4 4 9 5 5 0 4 h t t p x u e b a o j l a u e d u c n E m a i l j l n d x b v i p s i n a c o m J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 基 于 无 线 传 感 网 络 的 温 室 环 境 低 功 耗 监 测 系 统 设 计 刘 斌 1 孙 艺 哲 1 李 秀 杰 2 宫 鹤 1 1 吉 林 农 业 大 学 信 息 技 术 学 院 长 春 1 3 0 1 1 8 2 中 国 电 力 工 程 顾 问 集 团 东 北 电 力 设 计 院 有 限 公 司 长 春 1 3 0 0 2 2 摘 要 温 室 环 境 信 息 的 快 速 准 确 获 取 是 设 施 农 业 精 准 调 控 的 基 础 文 章 对 温 室 环 境 数 据 监 测 技 术 现 状 进 行 了 分 析 提 出 了 基 于 Z i g B e e 和 N B I o T 的 温 室 低 功 耗 无 线 传 感 网 络 环 境 数 据 采 集 系 统 阐 明 了 系 统 硬 件 选 型 技 术 指 标 和 软 硬 件 结 合 的 低 功 耗 实 现 方 案 通 过 优 化 多 传 感 器 的 任 务 调 度 动 态 切 换 和 节 点 休 眠 周 期 的 自 适 应 设 置 从 而 实 现 温 室 环 境 数 据 连 续 监 测 延 长 节 点 使 用 寿 命 针 对 室 外 开 阔 区 域 和 温 室 内 2 种 环 境 中 无 线 信 号 接 收 强 度 数 据 传 输 丢 包 率 与 节 点 传 输 距 离 开 展 单 跳 组 网 对 比 试 验 探 究 温 室 内 无 线 传 感 节 点 间 的 有 效 通 信 距 离 对 系 统 进 行 了 实 地 数 据 采 集 试 验 并 从 服 务 器 软 件 获 取 数 据 进 行 分 析 结 果 表 明 系 统 长 时 工 作 状 态 下 使 用 稳 定 可 靠 可 有 效 满 足 温 室 环 境 监 测 管 理 使 用 需 求 关 键 词 温 室 环 境 N B I o T 无 线 传 感 网 络 低 功 耗 通 信 距 离 中 图 分 类 号 S 1 2 6 S 6 2 5 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 1 0 0 0 5 6 8 4 2 0 2 2 0 4 0 4 9 5 1 0 D O I 1 0 1 3 3 2 7 j j j l a u 2 0 2 0 4 8 3 2 引 用 格 式 刘 斌 孙 艺 哲 李 秀 杰 等 基 于 无 线 传 感 网 络 的 温 室 环 境 低 功 耗 监 测 系 统 设 计 J 吉 林 农 业 大 学 学 报 2 0 2 2 4 4 4 4 9 5 5 0 4 D e s i g n o f L o w P o w e r C o n s u m p t i o n M o n i t o r i n g S y s t e m f o r G r e e n h o u s e E n v i r o n m e n t B a s e d o n W i r e l e s s S e n s o r N e t w o r k L I U B i n 1 S U N Y i z h e 1 L I X i u j i e 2 G O N G H e 1 1 C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y C h a n g c h u n 1 3 0 1 1 8 C h i n a 2 N o r t h e a s t E l e c t r i c P o w e r D e s i g n I n s t i t u t e C o L t d o f C h i n a P o w e r E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g G r o u p C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2 C h i n a A b s t r a c t A c q u i r i n g d a t a o f g r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t r a p i d l y a n d a c c u r a t e l y i s t h e f o u n d a t i o n o f p r e c i s i o n c o n t r o l o f f a c i l i t y a g r i c u l t u r e T e c h n i q u e s i t u a t i o n o f g r e e n h o u s e m o n i t o r i n g w a s a n a l y z e d i n t h i s p a p e r a n d a l o w c o n s u m p t i o n m o n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n Z i g B e e a n d N B I o T w a s d e s i g n e d T h e s y s t e m i n c l u d e s h a r d w a r e s e n s o r n o d e s a n d r e m o t e s e r v e r s o f t w a r e S e n s o r h a r d w a r e s t r u c t u r e a n d t e c h n i c a l i n d i c a t o r s w e r e p r e s e n t e d a n d l o w p o w e r c o n s u m p t i o n d e s i g n s c h e m e w i t h h a r d w a r e a n d s o f t w a r e i n t e g r a t i o n w a s p r o p o s e d A i m i n g a t p r o l o n g i n g n o d e l i f e t i m e a n d r e a l i z i n g d a t a m o n i t o r i n g c o n t i n u i t y t a s k s c h e d u l i n g a n d d y n a m i c s w i t c h i n g o f t h e m u l t i s e n s o r w e r e o p t i m i z e d I n o r d e r t o e x p l o r e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n q u a l i t y c o n t r a s t t e s t s w e r e c o n d u c t e d i n t h e o p e n a r e a o u t s i d e t h e 基 金 项 目 吉 林 省 科 技 发 展 计 划 项 目 2 0 1 7 0 2 0 4 0 1 7 N Y 2 0 1 7 0 2 0 4 0 3 8 N Y 2 0 1 9 0 3 0 1 0 2 4 N Y 长 春 市 科 技 计 划 项 目 科 技 创 新 双 十 工 程 重 大 科 技 攻 关 项 目 1 8 S S 0 1 8 作 者 简 介 刘 斌 男 在 读 硕 士 研 究 方 向 物 联 网 与 嵌 入 式 技 术 及 应 用 收 稿 日 期 2 0 1 9 0 3 1 2 通 信 作 者吉 林 农 业 大 学 学 报 2 0 2 2 年 8 月 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 2 0 2 2 A u g u s t g r e e n h o u s e C u r v e o f w i r e l e s s s i g n a l r e c e p t i o n s t r e n g t h a n d d a t a l o s s r a t e b e t w e e n t w o n o d e s i n s i g n a l h o p n e t w o r k w e r e g i v e n a f t e r e x p e r i m e n t a l s t u d y T h e r e s u l t s o f l o n g t i m e r u n n i n g e x p e r i m e n t d e m o n s t r a t e d t h a t t h e s y s t e m s e n s o r n o d e s i n g r e e n h o u s e a r e s t a b l e a n d e f f i c i e n t K e y w o r d s g r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t N B I o T w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k l o w p o w e r c o n s u m p t i o n c o m m u n i c a t i o n d i s t a n c e 我 国 农 用 地 跨 度 大 地 形 复 杂 气 候 多 样 而 传 统 农 业 种 植 严 重 依 赖 自 然 环 境 使 得 农 作 物 的 生 长 发 育 受 到 限 制 温 室 大 棚 作 为 设 施 农 业 的 组 成 部 分 具 有 适 用 范 围 广 棚 内 环 境 参 数 可 调 不 受 外 界 影 响 等 优 点 1 2 在 农 业 现 代 化 生 产 过 程 中 发 挥 着 重 要 作 用 其 中 及 时 准 确 地 获 取 温 室 环 境 参 数 从 而 完 成 对 温 室 设 备 的 调 控 对 温 室 蔬 菜 等 作 物 的 生 长 发 育 产 量 起 着 关 键 作 用 3 目 前 国 内 温 室 环 境 数 据 监 测 多 采 用 人 工 方 式 或 有 线 方 式 人 工 方 式 获 取 的 参 数 种 类 少 且 受 主 观 因 素 影 响 采 集 精 度 和 实 时 性 无 法 保 证 而 采 用 有 线 方 式 导 致 温 室 现 场 线 缆 布 线 复 杂 增 加 了 维 护 难 度 和 生 产 成 本 近 几 年 随 着 农 业 物 联 网 的 快 速 发 展 利 用 物 联 网 技 术 传 感 器 技 术 的 监 测 系 统 在 温 室 大 棚 中 得 以 应 用 4 6 杜 尚 丰 等 7 设 计 了 以 嵌 入 式 处 理 器 为 核 心 的 采 集 节 点 对 温 室 环 境 进 行 监 测 并 基 于 W e b 和 A n d r o i d 技 术 实 现 远 程 监 控 王 嘉 宁 等 8 设 计 了 温 室 C O 2 浓 度 监 控 系 统 采 用 红 外 C O 2 测 量 模 块 采 集 数 据 通 过 上 位 机 L a b V I E W 平 台 远 程 监 控 郑 强 等 9 基 于 S 3 C 2 4 4 0 处 理 器 设 计 温 室 环 境 监 测 系统 并通过 W e b 服务器对温室参数监测和控制 上 述 系 统 提 高 了 温 室 环 境 数 据 的 采 集 精 度 但 存 在 信 息 采 集 种 类 单 一 单 点 获 取 数 据 缺 乏 准 确 性 1 0 等 问 题 本 研 究 基 于 无 线 传 感 网 络 设 计 了 一 套 温 室 环 境 低 功 耗 无 线 监 测 系 统 系 统 包 括 硬 件 终 端 和 远 程 服 务 器 硬 件 应 用 Z i g B e e 微 处 理 器 集 成 多 种 高 精 度 传 感 器 对 温 室 内 空 气 温 度 湿 度 光 照 度 二 氧 化 碳 浓 度 土 壤 温 度 水 分 6 种 参 数 进 行 多 因 子 多 点 位 实 时 监 测 通 过 N B I o T 网 关 上 传 数 据 到 服 务 器 软 件 实 现 温 室 信 息 的 远 程 监 测 1 系 统 结 构 及 原 理 1 1 系 统 结 构 基 于 无 线 传 感 网 络 的 温 室 环 境 低 功 耗 监 测 系 统 拓 扑 图 见 图 1 系 统 主 要 功 能 分 为 应 用 Z i g B e e 技 术 和 无 线 传 感 网 络 技 术 组 建 温 室 无 线 网 络 在 温 室 现 场 安 装 多 个 采 集 终 端 对 大 棚 内 空 气 温 湿 度 二 氧 化 碳 浓 度 等 多 种 参 数 进 行 实 时 采 集 并 汇 聚 到 Z i g B e e 协 调 器 采 用 N B I o T 网 关 将 Z i g B e e 数 据 通 过 I n t e r n e t 上 传 至 远 程 服 务 器 用 户 使 用 电 脑 或 智 能 终 端 对 温 室 环 境 数 据 进 行 实 时 远 程 查 看 考 虑 到 温 室 现 场 环 境 和 农 作 物 监 测 需 求 采 集 终 端 采 用 太 阳 能 供 电 1 2 N B I o T 通 信 原 理 窄 带 物 联 网 N a r r o w b a n d i n t e r n e t o f t h i n g s N B I o T 在 L T E 的 基 础 上 发 展 而 来 是 物 联 网 的 一 个 新 的 重 要 分 支 其 可 直 接 部 署 在 G S M 网 络 U T M S 网 络 或 L T E 网 络 1 1 1 2 与 G P R S 网 络 相 比 N B I o T 具 备 低 功 耗 强 覆 盖 大 连 接 低 成 本 的 特 点 1 3 在农业 物 联 网 中 有 着 良 好 的 应 用 前 景 1 4 1 5 本 系 统 中 采 用 基 于 电 信 运 营 商 的 N B I o T 模 块 实 现 Z i g B e e 网 络 与 远 程 服 务 器 之 间 的 数 据 通 信 桥 梁 在 温 室 大 棚 现 场 多 个 采 集 节 点 将 传 感 器 数 据 发 送 至 Z i g B e e 协 调 器 协 调 器 将 数 据 编 码 后 以 A T 指 令 的 方 式 通 过 串 口 将 已 编 码 数 据 发 送 至 N B I o T 模 块 N B I o T 模 块 接 收 到 A T 指 令 提 取 数 据 并 封 装 C o A P 协 议 后 发 送 至 N B I o T 基 站 e N o d e e N o d e 通 过 N B I o T 核 心 网 与 N B I o T 开 放 云 平 台 连 接 云 平 台 对 收 到 的 数 据 进 行 解 析 后 保 存 远 程 服 务 器 通 过 消 息 订 阅 接 口 对 平 台 数 据 进 行 订 阅 N B I o T 通 信 原 理 见 图 2 2 系 统 硬 件 2 1 环 境 采 集 节 点 硬 件 设 计 环 境 采 集 节 点 由 3 部 分 组 成 主 控 单 元 供 电 单 元 和 传 感 器 单 元 主 控 单 元 应 用 Z i g B e e 微 处 理 器 实 现 应 用 程 序 控 制 和 数 据 无 线 传 输 供 电 单 元 完 成 节 点 持 续 供 电 电 平 转 换 和 电 源 管 理 功 图 1 系 统 结 构 图 F i g 1 S y s t e m t o p o l o g y 4 9 6刘 斌 等 基 于 无 线 传 感 网 络 的 温 室 环 境 低 功 耗 监 测 系 统 设 计 吉 林 农 业 大 学 学 报 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 能 传 感 器 单 元 选 用 低 功 耗 传 感 器 接 收 指 令 对 温 室 环 境 数 据 进 行 获 取 节 点 硬 件 结 构 见 图 3 主 控 单 元 中 Z i g B e e 微 处 理 器 采 用 恩 智 浦 N X P 公 司 生 产 的 J N 5 1 6 9 超 低 功 耗 3 2 位 R I S C 高 性 能 无 线 微 控 制 器 该 芯 片 板 载 5 1 2 k B 嵌 入 式 闪 存 3 2 k B R A M 和 4 k B E E P R O M 存 储 器 集 成 了 2 4 G H z I E E E 8 0 2 1 5 4 兼 容 型 收 发 器 各 种 模 拟 和 数 字 外 设 相 比 C C 2 5 3 0 微 处 理 器 该 处 理 器 在 I E E E 8 0 2 1 5 4 基 础 上 支 持 较 多 的 无 线 通 信 协 议 在 传 输 距 离 低 功 耗 网 络 稳 定 等 方 面 具 有 优 势 1 6 1 7 更适合在温室大 棚 的 复杂环境下工作 1 8 为 延 长 节 点 使 用 寿 命 满 足 温 室 信 息 采 集 周 期 长 的 需 求 1 9 供 电 单 元 采 用 太 阳 能 供 电 方 案 供 电 单 元 电 路 中 太 阳 能 控 制 器 的 输 入 端 接 入 太 阳 能 电 池 板 和 1 8 6 5 0 锂 电 池 组 实 现 太 阳 能 电 池 板 对 锂 电 池 组 的 充 电 转 换 同 时 太 阳 能 控 制 器 具 备 充 放 电 保 护 功 能 对 锂 电 池 组 进 行 过 充 和 过 放 保 护 电 池 电 量 检 测 电 路 用 于 主 控 芯 片 对 电 池 组 的 电 压 检 测 太 阳 能 控 制 器 的 输 出 端 接 电 平 转 换 模 块 实 现 1 2 V 电 平 转 5 V 电 平 3 3 V 电 平 从 而 给 主 控 芯 片 和 传 感 器 供 电 同 时 对 主 控 制 器 和 传 感 器 进 行 独 立 供 电 策 略 当 传 感 器 工 作 时 主 控 芯 片 通 过 控 制 降 压 模 块 使 能 端 对 传 感 器 进 行 供 电 当 传 感 器 不 工 作 时 主 控 芯 片 进 行 数 据 发 送 等 其 他 任 务 时 则 关 闭 传 感 器 供 电 图 4 为 硬 件 节 点 实 物 图 考 虑 温 室 果 蔬 生 长 相 关 的 环 境 参 数 类 型 及 变 化 范 围 主 要 对 温 室 内 果 蔬 作 物 生 长 密 切 相 关 的 空 气 温 湿 度 二 氧 化 碳 浓 度 光 照 强 度 及 土 壤 温 度 水 分 几 类 数 据 进 行 实 时 监 测 表 1 为 相 关 传 感 器 的 性 能 指 标 图 2 N B I o T 通 信 原 理 图 F i g 2 P r o c e s s o f N B I o T c o m m u n i c a t i o n 图 3 节 点 硬 件 结 构 图 F i g 3 S t r u c t u r e o f a c q u i s i t i o n n o d e h a r d w a r e 图 4 节 点 硬 件 实 物 图 F i g 4 P h o t o o f a c q u i s i t i o n n o d e 表 1 相 关 传 感 器 性 能 指 标 T a b l e 1 I n d i c a t o r s o f r e l a t e d s e n s o r p e r f o r m a n c e 相 关 性 能 指 标 工 作 电 压 V 测 量 功 耗 m W 测 量 范 围 测 量 精 度 响 应 时 间 s 空 气 温 湿 度 传 感 器 3 3 3 温 度 4 0 1 2 3 相 对 湿 度 0 1 0 0 温 度 0 3 相 对 湿 度 2 0 温 度 5 相 对 湿 度 8 光 照 度 传 感 器 5 5 0 2 0 0 0 0 0 l x 1 0 5 r d g C O 2 传 感 器 3 3 3 5 0 2 0 0 0 p p m 5 0 p p m 2 土 壤 水 分 及 温 度 传 感 器 3 3 4 0 水 分 0 1 0 0 温 度 4 0 8 0 水 分 3 5 温 度 0 5 1 4 9 7吉 林 农 业 大 学 学 报 2 0 2 2 年 8 月 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 2 0 2 2 A u g u s t 2 2 N B I o T 网 关 节 点 硬 件 设 计 N B I o T 网 关 节 点 通 过 串 口 接 收 采 集 节 点 发 送 的 温 室 环 境 数 据 将 数 据 封 装 整 合 后 发 送 至 远 程 服 务 器 节 点 的 电 路 设 计 包 括 J N 5 1 6 9 模 块 和 B C 9 5 模 块 电 路 见 图 5 U 1 为 J N 5 1 6 9 主 控 芯 片 去 耦 电 容 C 4 用 于 去 除 电 源 噪 声 提 高 芯 片 的 抗 干 扰 能 力 按 键 S 1 和 阻 容 R 3 C 3 组 成 主 控 芯 片 的 上 电 与 按 键 复 位 电 路 S 3 为 编 程 按 键 用 于 J N 5 1 6 9 的 程 序 下 载 和 代 码 调 试 P 1 为 D S 3 2 3 1 时 钟 模 块 采 用 I 2 C 接 口 与 主 控 芯 片 通 信 从 而 提 供 系 统 时 钟 U 2 为 B C 9 5 模 块 通 过 串 口 与 J N 5 1 6 9 进 行 数 据 传 输 电 容 C 1 和 C 2 同 样 用 于 去 除 电 源 噪 声 J 1 和 电 容 C 5 C 8 组 成 B C 9 5 的 表 贴 S I M 卡 槽 电 路 其 中 电 容 C 5 为 去 耦 电 容 C 6 C 7 和 C 8 3 个 3 3 p 的 电 容 用 于 防 止 信 号 发 射 干 扰 导 致 的 掉 卡 现 象 J 2 为 表 贴 天 线 接 口 U 3 为 S I M 卡 的 E S D 电 路 对 S I M 卡 的 数 据 线 路 进 行 保 护 3 系 统 软 件 3 1 硬 件 控 制 程 序 设 计 系 统 无 线 通 信 协 议 采 用 的 是 N X P 基 于 8 0 2 1 5 4 协 议 进 一 步 开 发 的 J e n N e t I P 协 议 栈 其 具 备 自 组 网 高 可 靠 性 和 可 扩 展 的 网 络 架 构 可 支 持 5 0 0 个 无 线 网 络 节 点 满 足 温 室 环 境 下 的 使 用 要 求 J e n N e t I P 网 络 中 有 3 种 节 点 类 型 协 调 器 C o o r d i n a t o r 路 由 节 点 R o u t e r 终 端 节 点 E n d D e v i c e 作 为 Z i g B e e 网 络 的 创 建 者 每 个 无 线 网 络 中 有 且 只 有 一 个 C o o r d i n a t o r 节 点 本 系 统 中 网 关 节 点 Z i g B e e 芯 片 的 网 络 身 份 即 为 C o o r d i n a t o r 考 虑 到 节 点 的 续 航 和 低 功 耗 采 集 节 点 网 络 身 份 设 置 为 E n d D e v i c e 3 1 1 采 集 节 点 环 境 采 集 节 点 程 序 包 括 射 频 通 信 配 置 硬 件 资 源 配 置 多 传 感 器 采 集 控 制 无 线 数 据 收 发 和 节 点 休 眠 与 唤 醒 程 序 流 程 见 图 6 a 其 中 程 序 通 过 配 置 射 频 通 信 参 数 来 加 入 Z i g B e e 网 络 包 括 网 络 通 道 个 域 网 I D 设 备 类 型 路 由 表 大 小 等 参 数 信 息 硬 件 资 源 配 置 包 括 定 时 器 串 口 I 2 C 总 线 等 外 设 接 口 和 相 应 数 据 缓 冲 区 的 配 置 从 而 完 成 对 传 感 器 的 读 写 节 点 将 打 包 完 成 的 传 感 器 采 集 数 据 发 送 给 协 调 器 同 时 会 与 上 次 采 集 到 的 数 据 进 行 对 比 根 据 数 据 变 化 速 率 重 新 设 置 节 点 休 眠 时 间 数 据 变 化 速 率 大 则 缩 短 休 眠 时 间 达 到 温 室 环 境 数 据 连 续 性 监 测 效 果 采 集 节 点 连 接 多 个 传 感 器 传 感 器 的 通 信 接 口 和 响 应 时 间 各 不 相 同 优 化 多 传 感 器 协 调 管 理 和 任 务 调 度 可 以 提 高 采 集 节 点 工 作 效 率 同 时 又 降 低 了 系 统 功 耗 在 传 感 器 采 集 控 制 程 序 中 应 用 状 态 机 编 程 思 想 单 个 传 感 器 任 务 分 为 查 询 等 待 读 取 完 成 4 个 状 态 初 始 状 态 为 查 询 主 控 芯 片 向 传 感 器 发 送 写 入 命 令 后 任 务 状 态 切 换 为 等 待 当 传 感 器 收 到 命 令 对 主 控 芯 片 进 行 应 答 时 此 时 出 发 硬 件 事 件 同 时 标 志 位 置 位 此 时 任 务 切 换 为 读 取 状 态 主 控 芯 片 从 缓 冲 区 中 获 取 并 解 析 传 感 器 数 据 后 任 务 则 为 完 成 状 态 程 序 执 行 传 图 5 网 关 节 点 硬 件 电 路 图 F i g 5 S t r u c t u r e o f g a t e w a y n o d e h a r d w a r e 4 9 8刘 斌 等 基 于 无 线 传 感 网 络 的 温 室 环 境 低 功 耗 监 测 系 统 设 计 吉 林 农 业 大 学 学 报 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 感 器 采 集 任 务 队 列 时 如 果 当 前 传 感 器 处 于 等 待 状 态 时 则 程 序 判 断 相 应 标 志 位 是 否 置 位 如 果 标 志 位 置 位 则 程 序 读 取 传 感 器 数 据 并 更 新 任 务 为 完 成 状 态 如 果 标 志 位 未 置 位 则 判 断 等 待 是 否 超 时 未 超 时 则 执 行 下 一 任 务 若 超 时 则 重 置 此 任 务 进 程 图 6 b 是 多 任 务 调 度 流 程 图 3 1 2 网 关 节 点 网 关 节 点 的 程 序 流 程 见 图 7 首 先 程 序 开 始 后 会 进 行 网 络 参 数 初 始 化 配 置 包 括 网 络 通 道 个 域 网 I D 设 备 类 型 路 由 表 大 小 等 信 息 然 后 进 行 硬 件 资 源 的 初 始 化 配 置 包 括 串 口 定 时 器 的 初 始 化 初 始 化 完 成 后 节 点 开 启 J e n N e t I P 协 议 栈 根 据 配 置 参 数 组 建 Z i g B e e 网 络 然 后 程 序 会 进 行 B C 9 5 模 块 的 配 置 如 N B I o T 频 段 设 置 打 开 模 块 射 频 电 路 附 着 并 注 册 网 络 等 信 息 接 着 程 序 判 断 B C 9 5 模 块 是 否 入 网 成 功 如 果 入 网 不 成 功 程 序 会 返 回 重 新 配 置 B C 9 5 模 块 直 到 联 网 成 功 联 网 成 功 后 程 序 进 入 主 循 环 轮 询 状 态 循 环 检 测 并 处 理 事 件 协 调 器 的 事 件 类 型 分 为 3 种 协 议 栈 事 件 数 据 事 件 和 硬 件 事 件 当 有 新 的 节 点 请 求 加 入 网 络 时 会 触 发 协 议 栈 事 件 节 点 入 网 成 功 后 协 调 器 会 记 录 此 节 点 物 理 地 址 并 更 新 路 由 表 协 调 器 收 到 环 境 采 集 节 点 发 送 的 数 据 会 触 发 数 据 事 件 协 调 器 对 子 节 点 发 送 来 的 数 据 进 行 解 析 并 通 过 串 口 将 数 据 发 送 至 B C 9 5 模 块 B C 9 5 模 块 将 数 据 封 装 C o A P 协 议 后 上 传 运 营 商 平 台 B C 9 5 模 块 接 收 到 平 台 命 令 后 通 过 串 口 发 送 到 协 调 器 并 触 发 硬 件 事 件 协 调 器 对 串 口 收 到 的 数 据 进 行 解 析 并 执 行 平 台 的 命 令 3 2 编 解 码 插 件 开 发 N B I o T 网 关 将 接 收 到 的 温 室 环 境 数 据 封 装 为 C o A P 消 息 发 送 至 运 营 商 开 放 平 台 运 营 商 平 台 采 用 J S O N 文 本 格 式 处 理 数 据 为 实 现 C o A P 消 息 与 J S O N 消 息 格 式 转 换 功 能 需 开 发 并 上 传 编 解 码 插 件 到 运 营 商 平 台 完 善 消 息 的 处 理 流 程 编 解 码 插 件 在 W i n d o w s 操 作 系 统 下 E c l i p s e 集 成 开 发 环 境 中 采 用 J a v a 语 言 开 发 并 使 用 M a v e n 工 具 打 包 图 8 为 编 解 码 插 件 开 发 界 面 图 6 采 集 节 点 程 序 流 程 F i g 6 E n d D e v i c e p r o g r a m f l o w 4 9 9吉 林 农 业 大 学 学 报 2 0 2 2 年 8 月 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 2 0 2 2 A u g u s t 3 3 远 程 服 务 器 软 件 设 计 远 程 服 务 器 软 件 采 用 B S 框 架 开 发 主 要 包 括 用 户 交 互 界 面 W e b 服 务 器 数 据 库 系 统 几 部 分 设 计 W e b 服 务 器 完 成 网 络 接 入 和 信 息 服 务 功 能 通 过 调 用 运 营 商 云 平 台 订 阅 接 口 请 求 N B I o T 网 关 上 传 的 数 据 并 解 析 用 户 操 作 实 现 前 后 端 交 互 数 据 库 采 用 M y S Q L 开 发 完 成 温 室 环 境 数 据 的 存 储 和 管 理 本 系 统 中 数 据 结 构 简 单 信 息 量 小 M y S Q L 具 有 轻 量 快 速 的 特 点 完 全 满 足 系 统 使 用 要 求 2 0 2 1 图 9 为 用 户 使 用 界 面 设 计 简 洁 实 用 方 便 具 备 温 室 管 理 节 点 管 理 数 据 管 理 等 功 能 图 7 网 关 节 点 程 序 流 程 F i g 7 G a t e w a y n o d e p r o g r a m f l o w 图 8 编 解 码 插 件 开 发 界 面 F i g 8 D e v e l o p m e n t i n t e r f a c e o f c o d e c p l u g i n 5 0 0刘 斌 等 基 于 无 线 传 感 网 络 的 温 室 环 境 低 功 耗 监 测 系 统 设 计 吉 林 农 业 大 学 学 报 J o u r n a l o f J i l i n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 4 系 统 测 试 4 1 信 号 强 度 衰 减 测 试 无 线 信 号 的 传 输 质 量 节 点 的 通 信 距 离 和 工 作 环 境 密 切 相 关 2 2 选 取 合 适 的 节 点 传 输 距 离 能 够 保 证 无 线 网 络 中 数 据 传 输 的 有 效 性 提 高 采 集 系 统 的 工 作 效 率 2 3 2 4 为 探 究 温 室 内 无 线 传 输 的 有 效 通 信 距 离 在 室 外 和 温 室 内 2 种 环 境 下 进 行 了 对 比 试 验 图 1 0 为 2 个 Z i g B e e 节 点 采 用 单 跳 组 网 方 式 进 行 通 讯 时 测 得 的 信 号 强 度 随 传 输 距 离 变 化 曲 线 图 1 0 a 测 试 环 境 为 室 外 开 阔 地 带 且 节 点 间 无 障 碍 物 阻 隔 情 况 下 测 得 图 1 0 b 测 试 环 境 为 吉 林 农 业 大 学 温 室 大 棚 基 地 内 蔬 菜 日 光 温 室 里 该 温 室 面 积 为 9 0 7 5 m 2 半 拱 形 节 能 日 光 温 室 种 植 作 物 为 西 红 柿 测 试 期 间 果 蔬 植 株 处 于 完 熟 期 测 试 时 为 避 免 天 线 增 益 对 结 果 的 影 响 发 送 节 点 和 接 收 节 点 都 采 用 5 d B i 增 益 的 天 线 2 种 环 境 下 的 Z i g B e e 节 点 离 地 面 高 1 5 m 且 天 线 方 向 保 持 一 致 测 量 方 法 为 发 送 节 点 位 置 保 持 不 变 并 每 隔 5 s 向 接 收 节 点 发 送 数 据 接 收 节 点 每 移 动 2 m 接 收 多 组 数 据 并 记 录 R S S I 值 由 图 1 0 可 见 R S S I 值 随 收 发 节 点 距 离 的 增 加 而 逐 渐 减 小 由 图 1 0 a 可 见 室 外 开 阔 区 域 下 节 点 距 离 在 0 8 0 m 时 R S S I 值 变 化 最 为 明 显 从 1 0 d B m 迅 速 下 降 到 5 3 d B m 而 在 8 0 2 6 0 m 随 着 节 点 距 离 的 增 加 R S S I 值 的 变 化 呈 缓 慢 趋 势 从 5 3 d B m 下 降 到 8 0 d B m 当 传 输 距 离 增 加 到 约 图 9 用 户 使 用 界 面 F i g 9 U s e r i n t e r f a c e a 室 外 b 室 内 图 1 0 无 线 通 信 性 能 测 试 结 果 F i g 1 0 R e s u l t s o f w i r e l e s s