第 28 卷第 1 期 2017 年 2 月中原工学院学报 JOURNALOFZHONGYUAN UNIVERSITY OFTECHNOLOGY Vol.28 No.1 Feb.,2017 文章编号 : (2017) 基于智云平台的农业光强监测平台的设计与实现

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葵干
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1 第 28 卷第 1 期 2017 年 2 月中原工学院学报 JOURNALOFZHONGYUAN UNIVERSITY OFTECHNOLOGY Vol.28 No.1 Feb.,2017 文章编号 : (2017) 基于智云平台的农业光强监测平台的设计与实现刘金金 ( 中原工学院, 郑州 ) 摘要 : 基于 ZigBee 技术和云服务平台, 设计一种可以远程实时监测农作物光照强度的智能农作物光强监测系统系统由传感节点网关客户端 ( 移动端网页 ) 三大部分组成, 可及时保存和分析数据, 对提高生产效率农作物的产量和质量以及降低生产成本具有重大意义关键词 : ZigBee;CC2530; 云服务平台 ; 光强监测中图分类号 : S126;TP277 文献标志码 : A DOI: /j.issn 我国是一个地少人多的国家降低农业生产成本, 提高农作物产量, 逐步由劳动密集型向自动化信息化智能化迈进, 已经成为我国农业现代化建设的重要战略目标光照强度是影响农作物生长的重要因素之一, 在传统粗放管理方式下, 凭借人的感知能力来管理环境光照强度参数, 时效性和准确性无法得到保障随着计算机和传感器等技术的迅猛发展, 将物联网技术应用于农业监测系统是必然的发展趋势在新型农业生产中, 人们对采集到的光照强度信息加工传输和利用, 为农业生产在各个时期的精准管理和预测预警提供信息支持, 追求以最少的资源消耗获得最大的优质产出, 使农业增长由主要依赖自然条件和自然资源向主要依赖信息资源转变, 使传统意义的不可控产业得以有效控制本文设计的农作物光强监测系统将定时采集农作物生长环境的光照强度值并主动保存分析和上传, 同时将光照强度信息推送至 Android 移动客户端和 Web 网页, 使用户能够随时远程获取光照强度等环境数据农作物光强监测系统可以完全取代通过人的感知能力来管理环境光照强度的方式, 避免由于工作人员的工作疏忽以及准确性问题所造成的各种错误, 为及时准确高效地完成农业生产提供强有力的管理工 [1] 具和手段 1 系统通信流程分析农作物的光强监测系统从传输过程上分为传感节点网关和客户端 (Android,Web), 其通信流程如图 1 所示图 1 农作物光强监测通信流程 (1) 传感器节点通过 ZigBee 网络, 与网关的协调器进行组网 ; 网关的协调器通过串口, 与网关进行数据通信 (2) 底层节点的数据通过 ZigBee 网络将数据传送给协调器协调器通过串口将数据转发给网关服务 ; 通过实时数据推送服务将数据推送给所有连接网关的客户端 ; 通过历史数据存储服务将数据存储到数据中心收稿日期 : 作者简介 : 刘金金 (1988-), 女, 山东青岛人, 硕士, 主要研究方向为物联网技术

2 第１期刘金金基于智云平台的农业光强监测平台的设计与实现３Ａｎｄｏｄ应用通过调用ＺＣｌｏｕｄｓｄｋＡＰＩ的实时数据连接接口实现实时数据的采集通过调用历史数据访问接口实现历史数据的查询８９片实现无线通信方案２ＣＣ２５３０结合了基于２４ＧＨｚ波段的射频ＲａｄｏｆｅｑｕｅｎｃＲＦ收发器和ｙ增强型８０５１内核实现的主要功能包括通过８路１２位ＡＤ口控制传感器模块进行数据采集控制无线Ｏ口响应主机控制ＲＦ模块完成数据收发通过Ｉ其外设丰富体积小巧成本低功耗低因此本设计２硬件层驱动程序设计选择ＣＣ２５３０作为Ｚｅ节点主控芯片ｇｂｅ２１Ｚｅ节点电路ｇｂｅ系统硬件电路包括稳压电源时钟电路复位电路Ｚｅ节点硬件电路采用ＴＩ公司的ＣＣ２５３０芯ｇｂｅ等见图２图２ＣＣ２５３０电路原理图２２光敏传感器本设计采用光敏传感器的硬件原理如图３所示Ｏ口输ＡＤＣ引脚连接ＣＣ２５３０的Ｐ２０口通过该Ｉ出的控制信号控制ＡＤＣ转换得到相应数值光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器具有精度高可靠性好速度快智能非接触等特点光敏传感器的量程为０２００００Ｌｕｘ光谱规模为４００７００ｎｍ准确度为 ±７３光敏传感器的通信协议如表１所示光敏传感器的驱动程序逻辑如图４所示图３光敏传感器硬件原理图

3 90 中原工学院学报 2017 年第 28 卷表 1 光敏传感器的通信协议属性参数权限说明数值 A0 读浮点型,0.1 精度上报状态 D0 读 / 写 Bit0 表示上传状态光敏传感器驱动程序的部分代码如下 : staticuint8d0=1; // 默认打开主动上报功能 staticfloata0=0.0; //A0 为存储光强值 staticuint16v0=30; //V0 为上报时间间隔, 默认为 30s 图 4 光敏传感器的程序逻辑 staticuint16f_usmyreportinterval=5; // 上报时间间隔 staticfloatf_flightnessval=0.0; // 缓存光强值 voidsensor_init(void) // 传感器硬件初始化 phs_init(); // 启动定时器, 使用 osal 提供的接口 osal_rand() 在 0-9s 之间随机触发事件 :osal_ start_timerex(sapi_taskid,my_report_evt, (uint16)((osal_rand()%10) 1000)); voidphs_init(void) // 初始化传感器 node_uart_init(); P2SEL &= ~0x01; //P2_0 配置为通用 IO P2DIR = 0x01; //P2_0 用作输出 phs_update(); // 更新光强值, 保存到变量 f_ flightnessval 中值 uint16update_v0(char pval) // 更新 V0 // 将字符串变量 pval 解析转换为整型变量赋值 f_usmyreportinterval= atoi(pval); V0 = f_usmyreportinterval; returnv0; floatupdate_a0(void) // 更新 A0 值 uint16adcvalue; adcvalue= HalAdcRead(HAL_ADC_CHN _ AIN1, HAL_ADC_RESOLUTION_8); A0 = (float)((1 - adcvalue/256.0) )- 1680; returna0; 3 系统软件设计 3.1 Zigbee 节点软件设计节点采用 TI 公司的 ZStack 协议栈其分层软件结构内部集成了一个基于事件驱动机制的小型系统, 并提供各种硬件模块驱动应用程序接口 API 和各种 [4] 服务扩展集在节点程序设计时, 通过移植 ZStack

4 第 1 期刘金金 : 基于智云平台的农业光强监测平台的设计与实现 91 协议栈, 只需少许修改或配置就可完成节点初始化和组建网络任务基于 ZStack 协议栈, 开发者可以把更多精力集中于应用层程序的设计在星型拓扑结构中,ZigBee 网络设备的节点类型 [5] 只有终端节点和协调器节点协调器节点设在上电初始化硬件驱动和 MAC 层之后, 可首先扫描信道, 并选择信号强度最强的信道, 建立一个 PAN 网络和一个 PANID, 随后接收终端节点的入网请求, 在完成组网后开始数据传输并执行相应的操作终端节点也设在上电初始化硬件驱动和 MAC 层之后, 首先选择一个 PAN 网络并发出入网请求, 等到协调器响应后完成组网任务, 随后接收来自协调器的状态查询并上传数据 3.2 智云数据中心智云数据中心提供海量数据源的接入服务, 具备数据的即时消息推送处理数据仓库存储与数据挖掘等功能传感网络获取的数据通过网关上传至数据中心, 客户端通过访问数据中心实现实时数据显示和历史数据查询管理系统架构为 B/S 架构它通过 Web 浏览器访问登录平台, 对数据中心进行管理和系统运营监控软件系统提供数据推送数据存储数据挖掘等管理功能, 实时显示监测数据 ( 实时动态更新 ), 通过现场视频, 显示实时和历史数据曲线 ( 可以任意选择时间段, 显示单个或多个传感器数据 ), 按照指定时间段导出数据系统支持自动控制策略管理, 包括触发器定时器执行器短信或电话等各个模块的自动控制策略管理, 可以根据指定的传感器或定时器触发指定的执行动作, 监测策略的触发记录等信息 3.3 移动端软件设计实时连接接口用于提供基于智云平台的消息推送服务消息推送服务通过云端建立与客户端之间稳定可靠的长连接, 向客户端提供实时消息推送服务基于 Android 的部分实时连接接口如表 2 所示表 2 基于 Android 的实时连接接口接口函数参数说明功能 new WSNRTConnect(StringmyZCloudID, StringmyZCloudKey) myzcloudid: 智云账号 myzcloudkey: 智云密钥建立实时数据实例, 并初始化智云 ID 及密钥 connect() 无建立实时数据服务连接 disconnect() 无断开实时数据服务连接 setrtconnectlistener() onconnect() onconnectlost(throwablearg0) onmessagearrive(stringmac,byte[] dat) mac: 传感器的 MAC 地址 dat: 发送的消息内容设置监听, 接收实时数据服务推送过来的消息 : onconnect: 连接成功 onconnectlost: 连接失败 onmessagearrive: 数据接收操作历史数据接口是基于智云数据中心提供的智云数据库接口智云数据库采用 Hadoop 后端分布式数据库集群, 可多机房自动冗余备份, 自动读写分离, 开发时不需要关注后端机器及数据库的稳定性网络问题机房灾难单库压力等各种风险传感器数据可以在智云数据库永久保存通过 API 接口可以完成与服务器的数据连接数据访问存储数据使用等任务基于 Android 的部分历史数据接口如表 3 所示部分 MainActivity.java 代码如下 : publicclass MainActivityextends Activityim plementsionwsndatalistener privatezapplication mapplication; // 创建 ZApplication 实例 private WSNRTConnectwRTConnect; // 创建 WSNRTConnect 实例 private WSNHistory whistory; WSNHistory 实例硬件地址 // 创建 // 设置登录 ID/KEY, 传感器 protectedvoidoncreate(bundlesavedinstances tate) super.oncreate(savedinstancestate); setcontentview(r.layout.main); mapplication = (ZApplication)getApplication();

5 92 中原工学院学报 2017 年第 28 卷表 3 基于 Android 的部分历史数据接口接口函数参数说明功能 new WSNHistory(StringmyZCloudID, StringmyZCloudKey) myzcloudid: 智云账号 myzcloudkey: 智云密钥初始化历史数据对象, 并初始化智云 ID 及密钥 querylast5d(stringchannel) channel: 传感器数据通道查询最近 5d 的历史数据 query(stringchannel,stringstart,stringend) channel: 传感器数据通道 start: 起始时间 end: 结束时间时间为 ISO8601 格式的日期通过起止时间查询指定时间段的历史数据 wrtconnect = mapplication.getwsnrcon nect(); wrtconnect.connect(); // 建立实时连接 whistory = mapplication.getwsnhistory(); // 获取 WSNHistory 实例 publicvoidonclick(viewv) historyquery(); // 当点击按钮时, 调用 his toryquery() 方法 publicvoidhistoryquery() Intentintent= newintent(); intent.putextra( channel, 00:12:4B:00:07: 5E:3D:73_A0 ); intent.setclass (MainActivity.this, Histo rychartactivity.class); startactivity(intent); //Activity 跳转 overridependingtransition (android.r.anim. slide_in_left,android.r.anim.slide_out_right); publicvoidonmessagearrive(stringmac,string tag,stringval) // 处理接收到的数据, 获取光强值 if(mmac.equalsignorecase(mac)) // 判断 MAC 地址 if(tag.equals( A0 )) // 判断参数 floatv = Float.parseFloat(val); photorestextview.settext( 光照度值 : + fnum.format(v)+ Lx ); publicvoidonconnect() // 连接成功 wrtconnect.sendmessage(mmac, A0=?. getbytes()); // 查询光照强度值 Toast.makeText (MainActivity.this, A0 =?,Toast.LENGTH_SHORT).show(); // 弹出 Toast 消息, 提示发送了查询消息 Web 应用编程接口定义与 Android 类似农作物监测的应用设计主要采用实时数据和历史数据 API 接口其部分 JS 代码如下 : $(function() varmyzcloudid = 123 ; // 序列号 varmyzcloudkey = 123 ; // 密钥 varmysensormac= 00:12:4B:00:02:CB:A9: C7 ; // 传感器的 MAC 地址 varchannel= 00:12:4B:00:02:CB:A9:C7_ A0 ; // 数据通道 // 建立对象, 并初始化 varmyhisdata= new WSNHistory(myZCloud ID,myZCloudKey); // 创建数据连接服务对象 varrtc = new WSNRTConnect(myZCloudID, myzcloudkey); rtc.connect(); // 数据推送服务连接 $( # ConnectState ).text( 数据服务连接中... ); rtc.onconnect = function() // 连接成功回调函数 rtc.sendmessage(mysensormac, A0=? ); // 向传感器发送数据 $( #ConnectState ).text( 数据服务连接成功! ); ; rtc.onconnectlost=function() // 数据服务

第１期刘金金基于智云平台的农业光强监测平台的设计与实现掉线回调函数９３ＣｏｎｎｅｃＳａｅｅｘ数据服务掉线ｃｏｎｍｅｓｓａｇｅａｖｅｆｕｎｃｏｎｍａｃ消息处理回调函数ｆｍａｃｍｙｓｅｎｓｏＭａｃｎｄｅｘｏｆ１接收数据过滤ｓｕｂｓｎｇｎｄｅｘｏｆ１ｎｄｅｘｏｆＬＩｎｅｎｓｅｘ显示接ｇｈｙ收到的原始数据

6 第１期刘金金基于智云平台的农业光强监测平台的设计与实现掉线回调函数９３ＣｏｎｎｅｃＳａｅｅｘ数据服务掉线ｃｏｎｍｅｓｓａｇｅａｖｅｆｕｎｃｏｎｍａｃ消息处理回调函数ｆｍａｃｍｙｓｅｎｓｏＭａｃｎｄｅｘｏｆ１接收数据过滤ｓｕｂｓｎｇｎｄｅｘｏｆ１ｎｄｅｘｏｆＬＩｎｅｎｓｅｘ显示接ｇｈｙ收到的原始数据４运行结果设置Ａｎｄｏｄ终端设备接入互联网或者与智云网关设备在同一个局域网内进入农作物光强监测系统主界面主界面弹出连接网关成功Ｔｏａｓ消息后在屏幕中间实时显示当前光照强度值见图５点击屏幕右上角历史数据查询按钮可以查询近５ｄ的光照强度值并以数据曲线的形式显示见图６图５光照强度值实时显示图６历史数据查询

7 94 5 结语中原工学院学报 2017 年第 28 卷智能管理系统 [J]. 农业工程,2013,3(2): [2] 王强, 范延滨. 基于 ZigBee 技术的智能家庭照明系统基于 ZigBee 技术和光敏传感器, 实现了一种无线通信实时采集光照强度的智能监测系统, 满足了农业现代化发展的相应需求以分布式云平台作为服务器端, 结合移动端软件, 不同用户可随时添加查看多个项目的数据信息, 使系统具有部署灵活便于管理和易于扩展等优点参考文献 : [1] 宣传忠, 武佩, 马彦华, 等. 基于物联网技术的设施农业 [J]. 工业控制计算机,2016,29(10):12-13,16. [3] JanjaiS,WatanR,NunezM.AStatisticalApproachfor EstimatingDifuseIluminanceonVerticalSurfaces [J]. BuildingandEnvironment,2009,44(10): [4] 章伟聪, 俞新武, 李忠成. 基于 CC2530 及 ZigBee 协议栈设计无线网络传感器节点 [J]. 计算机系统应用,2011,20 (7): ,120. [5] Farahani,Shahin.ZigBee WirelessNetworksandTrans ceivers[m].oxford:newnes,2008:9-12. ( 责任编辑 : 王长通 ) 犆狉狅狆犐犾狌犿犻狀犪狋犻狅狀犐狀狋犲狀狊犻狋狔犕狅狀犻狋狅狉犻狀犵犛狔狊狋犲犿犅犪狊犲犱狅狀犐狅犜犪狀犱犆犾狅狌犱犘犾犪狋犳狅狉犿 LIUJin jin (ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China) 犃犫狊狋狉犪犮狋 : Inordertomeettheneedsofcropsiluminationintensitymonitorinmodernagriculture,ain teligentcropsiluminationintensitymonitoringsystemisdesignedbasedonzigbeeandcloudplatform which canmonitorthecropsiluminationintensity withlongdistanceandrealtime.thesystem consistsofthree parts,sensornodes,gatewayandclients(mobilephoneandwebsite).itcouldsaveandanalyzedatawithout delay,andithasimportantimplicationsinenhancingproductivity,increasingquantityandqualityofcrops,and reducingproductcosts. 犓犲狔狑狅狉犱狊 : Zigbee;CC2530;cloudplatform;iluminationintensitymonitor

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