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(亳州职业技术学院a.信息工程系;b.智能工程系,安徽 亳州 236800)

0 引 言

良好的生长环境是保证中药材质量的必要条件，目前对中药材的生长环境信息的采集一是靠人为经验判断，存在费时费力、数据不精确等缺点；二是采用有线的采集设施，存在布线安装困难、扩展性差、维护成本高等问题[1]，不利于广泛推广。作为新一代信息技术，物联网为中药材生长环境信息采集的获取提供了一个崭新的思路。很多学者已开展物联网在中药材领域应用的相关研究工作，文献[2]研究了基于北斗和物联网的中药材种植监测平台；文献[3]利用RFID与WSN技术对中药材溯源开展研究；文献[4]利用物联网防碰撞技术对中药溯源进行研究；文献[5]运用RFID技术实现道地中药材质量监控和溯源；文献[6]利用物联网构建了甘肃平凉中药材信息化建设模型；文献[7]设计了基于物联网的贵州苗药交易云平台。上述研究主要体现在物联网技术在中药材溯源和信息化方面的研究, 有关中药材生长环境数据采集方面的研究还比较少。为了实时掌握中药材生长环境信息，设计了基于物联网的中药材生长环境信息采集系统,其不仅可实现对药田空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、土壤的PH值等环境参数的实时采集，还可以提高中药材种植的精确控制和科学管理水平。

1 系统总体设计

系统由数据采集、数据传输和数据存储管理三个模块组成，系统总体结构如图1所示。ZigBee终端节点接空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、土壤酸碱度等传感器，负责对生长环境信息的采集及传输；路由节点除了本身采集和发送药田信息外,还要存储和转发一些终端节点发送过来的数据进行；协调器作一个汇聚节点, 接收所有传感器节点的采集信息，并将全部的信息都聚集到一起, 对数据进行融合处理后，通过RS232总线与 PC机相连，将传感器采集到的数据传输至 PC机，PC 机接收数据后对数据进行进一步的存储与处理。

图1 系统总体结构设计

2 系统硬件设计

考虑到系统的需求和中药材生长环境信息采集的特点，节点硬件设计采用模块化的设计思想，ZigBee节点包括终端节点、路由节点和协调器节点电路的设计。传感路由节点采用CC2530作为主控芯片。CC2530是TI公司的公司针对2.4-GHzISM频带推出的第二代支持IEE802.15.4和ZigBee 应用协议的一款片上系统(SOC)集成芯片，其内部集成了高性能的 8051 内核。路由节点和协调器节点的电路由传感器终端节点电路在功能上进行弱化得到。

2.1 终端节点设计

终端节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块4个部分组成[8]，如图 2 所示。传感器模块负责中药材生长环境信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理传感单元采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据。能量供应模块负责为传感器节点提供运行所需要的能量。

2.2 传感器的选取

传感器是系统数据的重要来源，数据的准确性和实时性直接关系到终端数据的准确性[9]。在系统设计时，考虑精度、灵敏度、扩展性、可靠性、响应速度等因素，系统使用的传感器相关参数如表1所示。

表1 传感器相关参数

2.3 调节器设计

协调器节点是整个ZigBee网络的核心，负责整个网络的建立、启动及维护。其结构与终端节点基本相同，不同之处是删除传感器模块，增加了串口模块，其结构如图3所示。在无线传感网络中，协调器的能量供应模块有USB直接供电。

图2 终端节点组成结构

图3 协调器节点组成结构

3 系统软件实现

3.1 路由节点算法设计

ZigBee网络常用的路由算法Cluster-Tree算法、AODVjr算法和Cluster-Tree&AODVjr算法。与其它算法相比，Cluster-Tree路由算法查找目的节点的速度快，且在缩短时延和数据聚合方面有比较明显的优势。

ZigBee网络组网时，采用分布式寻址方式分配网络地址[10]。对请求加入Zig Bee网络的节点进行地址分配时涉及三个参数：最大子节点数Cm，每个父节点最多拥有的子节点数量；最大路由器数Rm，子节点最多可作为路由器节点的个数；网络最大深度Lm。在Zig Bee 网络中，父节点根据子节点的网终深度d以及子节点接入父节点的顺序来进行地址分配，分配的规则[11]如下:

(1)当新加入的节点可进行路由时，则父节点为其分配如下的地址：

An=Ap+Cskip(d).(n-1)+1,n∈[1,Rm]

(1)

(2)当新加入的节点不能实现路由时，则父节点为其分配如下的地址：

An=Ap+Cskip(d).Rm+n,n∈[1,Cm-Rm]

(2)

图4 协调器端程序流程图

其中：

Cskip(d)=

(3)

Ap为父节点的地址，An为子节点n的地址。

Cluster-tree路由算法依靠父子关系进行。假设一个路由器向网络地址为D的目标地址发送数据包，路由器将首先通过式 (4) 判断目标节点是不是该节点的子孙节点。

A

(4)

其中：网络深度为d，路由器的网络地址为A，

若是目标节点是自己的子孙节点，则通过式(5)计算下一跳的地址 N，否则，数据包顺着树结构被转发至父节点。

(5)

3.2 终端和协调器程序设计

终端和协调器开发环境为IAR MCS-517.51A，在基于半开源的 TI Z-Stack 2.3.1协议栈进行程序开发，采用C语言。终端节点程序流程设计如图4所示。路由器除了采集数据以外还负责建立数据路由，路由器和终端节点的应用程序代码一样，其应用程序将不再进行设计。ZigBee网络协调器是整个网络的中心，负责建立，维持和治理网络，从路由节点接收数据，并根据要求发送控制命令，实现相邻节点间的通信。协调器端程序流程设计如图5所示。

图5 终端节点程序流程图

图6 卡尔曼滤波算法流程图

3.3 数据处理算法设计

在进行信息采集数据传送的过程，无线传感器网络中的节点对数据的处理能力有限，会影响信息采集的及时性，降低信息的收集效率。为了减少数据的冗余度,提高数据采集的效率和数据信息传输的准确度，需要对数据进行融合。针对中药材生长环境信息的特点，采用卡尔曼滤波算法[12]对多个传感器采集到的相同类别的数据进行数据融合处理，提高数据采集效率和准确度，算法流程图如图6所示。

3.4 数据获取平台的设计

上位机程序软件主要是用来接收协调器发送过来的数据，并把这些数据按采集时间、数据类型分类好后储存于数据库中。上位机程序采用 Java语言编程语言，后台数据库系统采用SQL Server2014，完成数据信息的存储、查询、分类和统计等功能，并利用较为人性化的界面将数据反馈给管理人员。

4 结 语

为实现中药材生长环境的在线采集，设计了一种基于物联网的中药材生长环境信息采集系统，实现对药田的空气温湿度、土壤温湿度、土壤酸碱度环境参数进行实时采集，提高农业管理的网络化和智能化水平，降低农田管理工作量，能够为中药材种植工作者提供清晰的中药材生长环境信息，为中药材的种植管理决策和知识管理提供有效支持，进而提高中药材的产量和品质提供了思路和解决方案。后继还将在此基础上继续探索相关工作，如根据实际需求扩展二氧化碳浓度、土壤电导率传感器其他传感器，及时掌握药田环境多元信息；优化Zig Bee路由协议，以更好地满足药田信息采集系统对实时性要求高的特点。