基于6LoWPAN和WLAN的温室大棚智能监测系统*

冯春卫 ，胡国强

(1.杨凌职业技术学院 信息工程学院，杨凌 712100；2.西北农林科技大学 )



基于6LoWPAN和WLAN的温室大棚智能监测系统*

冯春卫1，胡国强2

(1.杨凌职业技术学院 信息工程学院，杨凌 712100；2.西北农林科技大学 )

针对温室大棚智能监控系统管理和扩展能力不足、集中式监控能力差等问题，结合6LoWPAN网络和WLAN的快速演进，在综合考虑温室大棚监测智能化的基础上，设计了一种基于6LoWPAN和WLAN的温室大棚智能监测系统。该系统采用6LoWPAN协议实现无线传感器网络(WSN)与互联网之间的点到点通信，实现了温室大棚内温度、湿度、光照强度、CO2浓度等环境数据的实时监测。试验结果表明，该系统能准确获取监测数据，可满足温室大棚智能监测的需求。

6LoWPAN；WLAN；温室大棚；监测系统

引 言

温室大棚作为智慧农业的主要组成部分，其智能化程度影响着我国农业的飞速发展。现有的温室大棚监控以单片机设备为主，集中监控和扩展能力不足。目前，国内已有专家和学者对大棚内环境监测的课题开展研究，韩建等基于Android与GSM设计并实现了温室大棚远程监控系统；苗凤娟等设计了基于ARM的温室环境数据采集与控制系统；蒋鼎国实现了基于GPRS的温室大棚温湿度监控系统；侯波等运用LabVIEW和GSM实现了温室大棚环境远程监控系统；李军科等基于USB存储与GPRS对温室大棚环境参数进行监测；刘仲鹏等对基于ZigBee协议温室大棚环境监控系统进行了研究，以上研究都是利用各种技术实现温室大棚环境监控系统，还没有研究将6LoWPAN网络应用于温室大棚环境监测。

6LoWPAN网络是由IETF 6LoWPAN工作组定义的新型WSN，其基于标准IEEE 802.15.4，使用16位短地址实现IPv6通信[8]。

本文提出一种基于6LoWPAN网络的温室大棚环境监测系统，该系统将6LoWPAN网络和WLAN应用于温室大棚环境感知和监测。用户可以通过手机WIFI实时获取温室大棚内温度、湿度、光照强度、CO2浓度等环境数据，能够及时发现异常，采取有效措施保证温室大棚作物的产量和品质。

1 系统设计

1.1 系统实现的主要功能

① 温室大棚环境信息的感知和传输，终端用户可以通过基于WIFI的WLAN查看感知的信息。

② 点到点的数据访问和控制，用户不仅可以实时监测环境信息，而且可以对传感器节点进行控制。

③ 监测温室大棚环境异常时及时报警。

1.2 系统的总体架构

如图1所示，系统按功能模块划分为三大部分：

① 6LoWPAN 网络。由6LoWPAN传感节点和边缘路由器组成，用于采集环境数据或者根据后台指令执行具体的操作；

② 传输网络。用于感知数据远程传输，将监测的数据通过互联网进行传输。

③ 数据管理服务器和用户终端。

图1 系统总体架构

6LoWPAN无线传感器网络由不同功能的传感器节点组成，每个节点均可配置IPv6地址，采用树形组网方式。6LoWPAN无线传感器网络通过边缘路由器将监测的数据传输到移动互联网，用户可通过互联网与传感节点进行点到点通信，数据库服务器用于记录传感器节点IP地址及其提供的服务类型[9]，其他用户也可以通过访问数据库服务器获取温室大棚环境信息。

2 传感器节点设计

2.1 传感器节点硬件设计

传感器节点由RF收发器、微控制MCU以及传感单元三部分组成，具体设计如图2所示。

选用的处理器内核为ARM Cortex-M3， 此MCU具有高达48 MHz 的时钟速度 ，512 KB 系统内可编程闪存，32 KB 缓存静态 RAM。RF收发器采用支持2.4 GHz的 CC2538芯片，支持规范IEEE 802.15.4 协议。传感单元感知大棚内环境数据后发送到传感节点的MCU处理，处理后经过RF收发器发给边缘路由器。传感器节点通过RF收发器接收边缘路由器的数据包，MCU对数据包进行处理后发送命令给传感单元。

图2 传感器节点硬件架构

2.2 传感器节点软件设计

传感器节点加电后，Contiki系统开始初始化，处于监听边缘路由器的状态。边缘路由器一旦通过6LoWPAN无线传感器网络发送来数据包，传感器节点就对该数据包进行解析。解析结果是监测指令，传感器节点就将当前传感器状态信息通过RF射频模块发送给边缘路由器；解析结果如果是控制指令，传感器节点将会控制所连接的传感器的开关状态，将最终状态信息通过RF射频模块发送给边缘路由器[10]，传感器节点软件设计流程图如图3所示。

图3 传感器节点软件设计流程

3 边缘路由器设计

3.1 边缘路由器硬件设计

6LoWPAN网络边缘路由器连接互联网和WSN网络，其主要功能是实现WSN和互联网的相互通信。文章采用双MCU架构来实现，即将6LoWPAN传感节点和Linux开发板用串口连接起来，具体设计如图4所示。

图4 边缘器节点硬件架构

6LoWPAN传感节点的硬件配置跟2.1节中设计的配置一致，开发板MCU为MCIMX6 ARM Cortex-A9 Processors，内存2 GB，Flash为8 GB EMMC，WIFI模块支持IEEE 802.11b/g/n协议。6LoWPAN边缘路由器从WLAN接口接收互联网的数据包，MCU对数据包进行精简处理，并将精简的数据包通过RF收发器发送到支持6LoWPAN的WSN；从RF收发器接收6LoWPAN传感器节点发送的精简数据包还原后通过WLAN将完整的数据包发送到互联网络。

3.2 边缘路由器软件设计

图5 边缘路由器 软件流程

边缘路由器上电初始化之后，处于监听UDP端口信息状态，等待上位机软件发来的数据包。一旦上位机软件发来数据包，先解析数据包，解析后的数据包由边缘路由器的RF射频模块向6LoWPAN无线传感网络发送数据报文。在设置的时间段内，不管6LoWPAN无线传感网络有没有响应边缘路由器[10]，边缘路由器都会将响应状态通过WLAN网络发送给上位机软件，边缘路由器软件设计流程图如图5所示。

3.3 上位机软件和管理数据库设计

温室大棚监测系统上位机软件是基于图形化编程语言LabVIEW开发的，由于数据类型相对单一，采集的数据量少，文章采用Access数据库。上位机和管理数据库按功能模块划分为参数显示、数据查询、报警处理等部分[1]。该系统主要实现WSN和上位机通信功能、对传感器节点的监测和预警、历史测量数据查询和导出功能。

实施过程如下：

安装LabVIEW开发环境，设计人机交互界面。

建立Access数据库，上位机采集来的数据采用表单的形式存储在Access数据库中。

使用LabSQL数据库访问工具包对Access数据库进行访问，LabSQL使用Microsoft ADO对象和数据库查询语言相配合的方法实现对数据库的访问[1]。

4 系统测试

(1) 运行测试

本系统在杨凌现代农业示范园温室大棚进行测试试验，在温室大棚随机布置了1个传感器节点，每个传感器节点分别集成传感器，边缘路由器在在距离传感节点5 m的地方，边缘路由器上联学校的WLAN。测试PC安装了上位机软件，通过WLAN与WSN通信。6LoWPAN传感节点和边缘路由器加电后开始工作，上位机软件运行后开始接收数据[11]，显示结果如图6所示。试验结果表明，该系统能正常监测大棚内环境信息。

图6 系统试验结果

(2) 系统采集数据与实测数据对比实验

系统正常运行后，在2016年4月28日早上8点到晚上18点通过温室大棚环境监测系统采集温度、湿度、光照强度、CO2浓度数据；在大棚中采用V&A公司的TNHY-5每隔1小时实测温度、湿度、光照强度、CO2浓度数据，将采集的数据和实测的数据进行对比分析，以验证传感器采集数据的准确性，实验测试对比结果如图7～10所示。

图7 温度对比实验结果

图8 CO2浓度对比实验结果

图9 湿度对比实验结果

图10 光照强度对比实验结果

由实验测试对比图可知，采集的数据在整个较长的测试过程中持续完整，采集数据中的各点保持在采集节点传感器的正常误差范围内[12]，采集数据与实测数据基本吻合。通过对比实验可知，温室大棚环境监测系统采集精度高，能满足实际需求。

结 语

[1] 郭金梅. 船舱环境监测系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学,2013.

[2] 侯波,徐小华,胡晓飞. 基于LabVIEW和GSM的温室大棚环境远程监控系统设计[J]. 江苏农业科学,2015(1)1:393-395.

[3] 韩剑,莫德清. 基于Android与GSM的温室大棚远程监控系统[J]. 江苏农业科学,2015(4):397-399.

[4] 李军科,吴建军,石祖伟. 基于USB存储与GPRS传输的温室大棚参数监测设计[J]. 中国农机化学报,2015(5):82-86.

[5] 刘仲鹏,刘丽娟,李伟英. 基于ZigBee网络的温室大棚环境监控系统研究[J]. 农机化研究,2014(10):218-222.

[6] 蒋鼎国. 基于GPRS的温室大棚温湿度监控系统的设计[J]. 湖北农业科学,2014(9):2153-2155，2159.

[7] 张伟滨. 基于Zigbee温室大棚远程监控系统研究与实现[D].大庆：东北石油大学,2014.

[8] 薛世帅. 基于IPv6的WSN路由器设计与实现[D].成都：电子科技大学,2013.

[9] 王晓喃,殷旭东. 基于6LoWPAN无线传感器网络的农业环境实时监控系统[J]. 农业工程学报,2010(10):224-228.

[10] 魏燕达,周卫星. 基于6LOWPAN的智能家电监测与控制系统设计与实现[J]. 现代电子技术,2015(14):101-104，108.

[11] 彭占武,王雪,袁洪印. 基于ZigBee的鸡舍环境无线监测系统设计与实现[J]. 中国农机化学报,2015(2):238-241.

[12] 许童羽，王建东，须晖等.基于ZigBee与WiFi的北方日光温室群监控系统设计[J].中国农机化学报，2016(1)：59-64.

冯春卫(讲师)，主要研究方向为智能物联网应用研究；胡国强(工程师)，主要研究方向为智能网络与机器学习。

Greenhouse Intelligent Monitoring System Based on 6LoWPAN and WLAN

Feng Chunwei1,Hu Guoqiang2

(1.College of Animal Science and Technology,Yangling Vocational&Technical College,Yangling 712100,China;2.Northwest A&F University)

To solve the problems of the greenhouse’s intelligent monitoring system such as inadequate management,expansion capacity and poor centralized monitoring capacity,an intelligent monitoring system of greenhouse on the basis of 6LoWPAN and WLAN is proposed.The system adopts 6LoWPA protocol to implement the point to point communication between WSN and Internet,thus the real time monitoring for environmental data of greenhouse is realized,such as the temperature,the humidity,the illumination intensity and the CO2concentration.The test results show that the system can accurately acquire the monitoring data,and thus meet the intelligent monitoring demands of the greenhouse.

6LoWPAN;WLAN;greenhouse;intelligent monitoring

陕西省自然科学基金(项目编号：2014JM2-3029);杨凌职业技术学校科学研究基金项目(项目编号：A2015006)。

TP277

A

�迪娜

2016-07-01)