基于物联网和LabVIEW高效环境监测系统设计*

冯友宏，麻金继，杨凌云，谢小娟

(1.安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖241000;2.安徽师范大学国土资源与旅游学院，安徽芜湖241000)

0 引言

物联网是继计算机、互联网之后的第三次信息化革新浪潮，它提供更透彻的度量和感知、更全面的互通互联、更智能的信息化处理，能够有效地促进服务管理与物质生产相结合、数字世界与物理世界相联通，应用范围将遍及环境保护、现代农业、医疗管理、智能交通和智能物流等各个领域［1～4］。作为种植具有较高经济效益的花卉、蔬菜的重要场所，温室能够显著增强农业的抗灾、减灾与反季节生产能力［5］。本文提出了将物联网技术应用于温室生产的监测，即实时精确获得温室环境的各种参数，对于系统掌握植物生长发育规律及其与环境条件的关系，维持温室作物的均衡供应、优质高产和科学研究都具有重要意义。

1 硬件方案设计

整个监控系统由环境采集节点、主控单元(网关)、监控和信息发布单元组成，环境采集模块置于温室大棚现场内采集环境数据，通过无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)将信息发送至主控制模块(网关)，网关中的GPRS模块通过GPRS/GSM将信息发送至上位机和管理人员的手机。监测装置的结构如图1所示。

图1 环境监测装置结构框图Fig 1 Structure block diagram of environment monitoring device

1.1 环境采集节点设计

环境采集节点由环境采集传感器、MCU处理单元、WSNs模块以及电源模块构成。其中，WSNs模块采用Chipcon公司生产的符合Zig Bee技术的2.4GHz射频芯片CC2530［7，8］。该芯片整合了 Zig Bee射频前端、内存和微控制器，具有低功耗、实时、高精度定位的特点。MCU采用美国MicroChip公司生产的PIC16F883单片机，片内带有8 kbyte的程序存储器，256 byte的数据 EEPROM，11路10位A/D转换器以及2个8位和1个16位的定时器/计数器、该单片机的突出的特点是体积小、功耗低、精简指令集、抗干扰性好、可靠性高、有较强的模拟接口，在信息监测中被广泛运用。

1.2 电源模块设计

为了充分利用电池能量，提高电源的转换效率，本方案中的WSNs的电池模块中的电压转换芯片使用的是MAXIM公司的DC/DC高效率电压转换芯片MAX756。要求DC/DC电路的输入电压≥2.2 V(本系统使用2节1.5 V的电池输入)，经过MAX756后提供给采集电路中的MCU芯片PIC16F883和DRF1605H稳定的3.3 V电源电压。电路结构如图2所示。

图2 信息采集和传输模块的电源供给模块电路图Fig 2 Circuit of power supply module in information collection and transmission module

1.3 主控制模块(网关)设计

主控制模块(网关)由WSNs模块、主MCU单元、存储单元、显示报警单元、时钟单元、电源单元，以及将环境数据发送至监控和信息发布模块的GPRS模块构成。主控制模块主MCU单元为STM32，GPRS模块和CC2430均设置有通信接口 RS—232，通信接口 RS—232之间通过 RS—232串口线连接。STM32基于高性能Cortex-M3内核，有丰富的外设且功能强大、性价比高，如1 M采样率的12 bitADC 4 M bit的多路串口等，32 bit的控制器有着接近于16 bit甚至高端8 bit控制器的价格。存储单元使用了基于SD卡读写大容量存储模块，当系统的网络发生拥塞或者供电出现问题时，它能够保存外部采集数据和用户的设置信息。时钟单元提供的精准时钟同时结合外界气候实际变化的特点对信息采集节点授权在不同的时间段(如早晨和傍晚)自动切换不同的采集频率。主控模块(网关)的电路如图3所示。

图3 主控模块(网关)电路Fig 3 Circuit of main control module(gateway)

2 系统软件设计

设计方案中对传统的LEACH(low-energy adaptive clustering hierarchy)路由协议进行了相应的改进，提出了一种基站广播分配簇头的LEACH-B(LEACH-broadcast)路由协议，利用改进的LEACH-B和新的数据发送机制，将监测信息发送到网关，并通过GPRS转发到控制管理中心为决策提供依据。

2.1 改进的路由协议

由于此监控网路中网关节点的供电是市电，通过电源电路供给，但信息采集节点的能量通常无法得到补充，传统的LEACH协议中簇头的选择方法是:每个信息采集节点随机选择0～1之间的一个值，如果选定的值小于某一个阈值T(n)，那么这个节点成为簇首节点，继而通过广播告知整个网络，网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的簇［8，9］。为了进一步减少信息采集节点的能耗，在LEACH-B路由协议中，对于簇头的选择是通过网关节点广播信息和信息采集节点的查表查询来完成的:网关节点广播产生随机节点的编号，采集节点收到编号后根据自身的网络信息表格进行查询距离最近且靠近网关方向的簇首加入网络。改进后的协议能有效减少和均衡信息采集节点的能耗，有效地延长了整个网络的生存期，其路由协议如图4所示。

2.2 信息采集节点程序设计

图4 改进的路由协议(LEACH-B)Fig 4 Improved routing protocol(LEACH-B)

由于WSNs节点能量非常有限，使节点的通信带宽处理速度和存储空间均受限制，现有低功耗处理器技术使得数据处理的功耗比数据通信的功耗小得多［9，10］。因此，在传输数据前进行数据预处理是利用有限资源降低节点能量消耗的有效方式。本系统中设计WSNs节点采集的时间间隔是15 min，考虑实际的温室环境会发生变化甚至可能出现剧烈的变化，在每个时刻采样到的值与前面2次采样值的代数平均值进行比较，若超出一定的阈值，则改变发送的频率，节点正常的上传时间间隔是30 min，如果超出一定的阈值则发送的间隔为15 min。通过大量的测试表明:大棚在晴天或多云天气，日出前棚内出现最低温度，但持续时间比较短，最高气温出现在12～13时，14～15时温度开始下降，平均每小时下降3～5℃。夜间，当气温低于地温时，土壤放热成为主导。由于没有外来热量补给，棚外温度又低，大棚处在持续散热过程，从日落到黎明前平均每小时下降1℃左右。因此，大棚气温的显著特点就是昼夜温差大。基于此为了保证精确的信息采集，通过网关的时钟芯片来切换传送间隔，在正常情况下要求信息采集节点是30 min发送一次，但在中午12～13时和下午17～19时网关要求信息采集节点为发送间隔15 min一次。信息采集节点将采集到的信息传送给网关节点，同时接收来自网关节点的调度命令，当没有数据的采集发送和接收时，转入休眠模式，使节点功耗降到最低，其工作流程图如图5所示。

图5 信息采集节点的程序流程图Fig 5 Program flow chart of information collection node

2.3 系统界面设计

本系统上位机界面采用基于LabVIEW开发环境进行软件的开发。上位机软件主要包括信息管理和动态跟踪模块。信息管理由注册、登录、阈值和参数设定、查询、报警、打印报表等功能组成。动态跟踪模块包括监控节点的切换和各节点数据采集的动态实时显示。注册管理可以实现用户的添加、删除和权限管理;阈值和参数设定可以设置不同的温室大棚参数值以适应不同植物的环境生长;数据查询和打印报表可以进行历史数据操作;用户可根据作物的实际情况设定温湿度的上下限值，当温室环境参数值超出设定值，启动故障报警和短信服务功能。上位机软件的动态界面中将实际的监测场合的实物图进行编辑，图中将实际的传感器节点进行标明，管理人员可以通过通道的切换进行实时定位信息监测［5，9］。

3 实验结果

通过系统实际测试，在2012年的10月1日凌晨5:30到上午的10:45，以温度为例可知系统能够正常工作，且对于温度的变化呈现动态的数据传送，在上午7:00～9:00，由于温度变化比较明显(超出系统设定阈值)，发送的数据间隔为15 min，使得监控中心能及时准确了解大棚内的环境信息变化。表1为通道1采集到信息部分数据。

表1 通道1采集到信息部分数据Tab 1 Partial information data collected by channel 1

4 结论

本文采用基于WSNs，GPRS，Internet以及 LabVIEW技术的物联网实现生态环境参数的监测，该系统采用模块化设计，通用性好，可利用不同的传感器监测所需的信息，可用于工厂车间、仓库(房)、国防工程、人防工程等对温湿度要求较高的场所。实验表明:该组网策略和数据传输机制具有监测精度高、运行周期长、使用方便、界面更加人性化的优点，能满足环境监测的要求。

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