温室蔬菜溯源数据采集系统的设计与实现

李天华 仲崇哲 魏珉 李清明 侯加林

摘要：为了实现温室蔬菜溯源数据的高效采集与实时传输，解决传统温室蔬菜溯源数据采集系统的繁琐布线问题，设计了基于物联网技术的温室蔬菜溯源数据采集系统。该系统的传感器终端以CC2530 射频单片机为控制核心，并结合空气温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、大气压强传感器、光照强度传感器、水滴流速传感器；协调器网关采用CC2530作为控制核心，并利用GPRS技术将现场检测到的数据实时传送给上位机或移动设备，实现对温室蔬菜生长环境数据的实时采集及远程传输，这不仅可以使消费者及时了解蔬菜的生长状况，还可以为研究人员提供准确的研究数据。

关键词：溯源数据；CC2530；GPRS；无线传输；温室蔬菜

中图分类号：S126文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）07-0142-04

蔬菜是重要的食用农产品之一，随着人们经济收入的增加和生活水平的提高，对蔬菜的需求已逐步从数量型转向质量型[1]，不仅要求其数量充足和周年供应，而且更关心蔬菜的内在质量[2]，因此，蔬菜的质量安全问题在当前显得十分重要和紧迫。建立蔬菜质量溯源系统是完善蔬菜食品安全保障制度的一种新型模式[3]，温室蔬菜溯源数据采集系统在蔬菜质量溯源系统中起着基础性作用。笔者结合农业物联网技术设计了溯源数据采集系统：以TI公司的CC2530无线射频单片机和传感器组构成传感器终端，以CC2530无线射频单片机和GPRS模块构成协调器网关，以ZigBee技术组建无线网络实现数据的无线传输，采用B/S 3层架构建立温室蔬菜溯源数据采集系统上位机。

1温室蔬菜溯源数据采集系统总体方案

温室蔬菜溯源数据采集系统的整个网络由若干个传感器终端、协调器网关、上位机组成。其中传感器终端分布在温室大棚内并搭载土壤温度传感器、空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器、大气压强传感器和水滴流速传感器，实现溯源数据的采集；协调器网关负责汇总传感器终端发来的数据，并通过GPRS模块发送到温室蔬菜溯源数据采集系统上位机，上位机完成数据的处理和显示功能。温室蔬菜溯源数据采集系统总体结构示意图如图1所示。

2温室蔬菜溯源数据采集系统硬件设计

系统的硬件部分主要由传感器终端和协调器网关节点组成。传感器终端由传感器组和CC2530无线射频单片机组成，并基于ZigBee平台实现参数采集和无线数据传输的功能。协调器网关节点由CC2530无线射频单片机和GPRS无线通信模块组成。传感器终端检测到的数据通过ZigBee无线网络传输到协调器网关的CC2530无线射频单片机，并通过串口将数据发送给GPRS无线通信模块，GPRS无线通信模块再通过Internet网关将数据发送给上位机或移动终端，实现数据通过Internet网络在上位机、移动终端之间的通信。

2.1传感器终端设计

空气温湿度采用DHT11温湿度传感器检测。DHT11采用单总线接口传输数据，因此只需将DHT11的DATA引脚与CC2530的I/O口相连接即可[4]。

土壤温度采用单总线的DS18B20温度传感器检测，其DATA 引脚与 CC2530的I/O接口相连就可以完成温度的检测。土壤湿度采用FC-28土壤湿度传感器进行检测，为了获得更加准确的土壤湿度数据，本系统采用模拟量输出，由于CC2530自带可配置的12位ADC，只需将FC-28的A0引脚与CC2530的ADC引脚相连即可。

水滴流速采用YL-83水滴流速传感器测量，其连接方式与FC-28土壤湿度传感器相同。

大气压强采用BMP180大气压强传感器进行测量。BMP180是一款高精度、小体积、超低能耗的压力传感器，可以应用在移动设备中[5]，并可以通过I2C总线直接与各种微处理器相连[6]。

采用 16位串行输出数字式照度传感器 BH1750FVI对温室蔬菜生长环境的光照度进行检测。BH1750FVI 具有与人类视觉灵敏度相似的优良光谱灵敏度特性，测量范围1～6 553 lx，可以测量从黑暗到日光直射环境的宽范围的光照度[7]；内部集成 ADC采用I2C总线接口，直接与 CC2530 I/O 接口相连即可。

温室蔬菜溯源数据采集系统传感器终端结构框图如图2所示。

2.2协调器网关设计

协调器网关接收到来自传感器终端的数据后，通过GPRS网络将数据以数据包的形式发送到远程上位机或手持设备，实现温室蔬菜生长环境与上位机和移动终端之间的无线数据传输。根据系统所需，协调器网关以美国TI公司生产的 CC2530射频芯片作为控制核心[8]，采用SIMCOM公司生产的工业级双频段GPRS模块作为通讯模块，内置TCP/UDP协议以及增强AT命令集，通过串口即可以完成无线数据的收发。

3温室蔬菜溯源数据采集系统软件设计

溯源数据采集系统软件由上位机软件和下位机软件程序组成。上位机软件采用C#编写，主要完成信息的查询、存储及数据的实时显示等。下位机程序采用模块化编程思想进行，包括主程序、传感器终端采集子程序、无线通信子程序、GPRS 通讯子程序等，采用标准C 语言来编写。

3.1主程序设计

溯源数据采集系统启动后，首先进行初始化，包括传感器初始化、CC2530单片机初始化、GPRS无线通讯模块初始化和建立网络链路[9]。为了减少功耗，设置溯源数据采集系统默认进入低功耗模式，每隔一段时间对温室蔬菜生长的环境信息进行采集，利用单片机内的定时器，定时唤醒单片机和GPRS无线通讯模块，检查是否收到数据。如果没有收到数据，则再次进入休眠模式，等待再一次被唤醒。采集到数据后通过 ZigBee 无线网络传输到协调器网关，通过GPRS模块将数据发送到上位机并进行显示和保存。系统主流程如图 3所示。

3.2协调器程序设计

系统中协调器的作用是组建网络，当设备通电后，初始化并建立网络，为整个系统建立合法的传感器采集节点并接收和发送采集到的数据；组网成功后，协调器又起到数据转移的作用。为了减少功耗，ZigBee 无线通信程序在空闲时处于休眠状态，工作时通过中断的方式被唤醒。协调器软件流程如图4所示。

3.3上位机程序设计

温室蔬菜溯源数据采集系统上位机应用B/S 3层架构，即表现层、应用层、数据层，模块化的系统设计，各层相互分离，最大程度地降低了功能模块的耦合性，如有模块需要改变，只需要修改相应的部分即可，无需对整个系统进行调节。

WEB浏览器为表现层，是用户与系统交互信息的窗口，用于显示数据和接收用户输入的消息，为用户提供可操作的、友好的、可视化的界面[10]。

WEB服务器为应用层，负责根据业务规则处理前端客户层的应用请求，与数据库进行交互，并将结果反馈到表现层。

溯源系统数据库作为数据层，负责处理和管理各种数据，通过访问接口接收与反馈应用层的请求，并最终显示到表现层中。

上位机系统结构示意图如图5所示。

3.4移动设备终端程序设计

温室蔬菜溯源数据采集系统安卓软件采用中文安卓编程软件易安卓进行设计与开发。农业物联网实验平台安卓软件由显示模块和数据存储模块组成。显示模块显示接收到的最新数据，同时也可根据数据库中存储的历史数据生成报表和趋势图。数据储存模块采用SQL数据库，将接收到的数据存储到此数据库中，方便以后读取和查询[11]。图6为移动设备端显示界面。

4系统测试与应用

为了验证整个系统的可靠性和稳定性，利用该系统对山东农业大学园艺科学与工程学院温室番茄进行溯源数据采集。温室蔬菜溯源信息采集系统传感器终端每隔一段时间采集一次土壤温湿度、空气温湿度、大气压强、光照强度和水滴流速数据发给上位机。图7显示的是2015年10月30日8∶00～18∶00的空气温湿度、土壤温湿度、大气压强、光照强度和水滴流速的查询数据。图8显示的是2015年10月30日8∶00～18∶00的空气温湿度、土壤温湿度、大气压强、光照强度和水滴流速的查询数据曲线。

5结论

本研究设计了一种基于物联网的温室蔬菜溯源数据采集系统。该系统严格按照物联网的三层结构设计，借助ZigBee无线通信技术实现采集数据在各模块间的无线传输，通过GPRS 网络实现溯源数据的远程传输。该设计取代了传统有线网络布局，具有组网灵活、结构简单、传输准确性好、功耗低等特点，实现了温室蔬菜生长环境参数的远程实时采集、传输和存储，不仅可以使消费者及时了解蔬菜生长状况，还可以为研究人员提供准确的研究数据，为系统的正常运行提供数据支持。

参考文献：

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