基于多網融合和節(jié)點定位技術的無線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計.pdf

書書書牛萍娟，程 崢，田海濤，等基于多網融合和節(jié)點定位技術的無線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計江蘇農業(yè)科學，（）：基于多網融合和節(jié)點定位技術的無線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計牛萍娟，程 崢，田海濤，徐芳海，李舒舒（天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院，天津；天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津；天津工業(yè)大學大功率半導體照明應用系統(tǒng)教育部工程中心，天津）摘要：針對目前溫室大棚環(huán)境調控方式落后、生產效率低的問題，設計了一種無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由終端設備、智能網關、手機這個部分組成。采用完成智能網關設計，將溫室內各種設備如電燈、卷簾機、加熱器、加濕器、各類傳感器等通過、紅外連接起來，并設計一種基于安卓（）平臺的人機交互界面，實現監(jiān)控功能。提出指紋庫定位方法的改進策略，在終端節(jié)點內的協議棧中加入卡爾曼濾波算法，在線定位階段加入貝葉斯概率定位法，實現無線網內定位功能。說明該系統(tǒng)運行可靠、靈敏度高、數據傳輸丟包率低、性價比高，能較好地滿足溫室智能監(jiān)控的應用需求。關鍵詞：溫室；智能網關；多網融合；安卓（）；定位；手機；智能監(jiān)控系統(tǒng)中圖分類號：； 文獻標志碼： 文章編號：（）收稿日期：基金項目：國家火炬計劃（編號：）；中小企業(yè)發(fā)展專項資金中歐國際合作項目（編號：）。作者簡介：牛萍娟（），女，河北石家莊人，博士，教授，主要從事新型半導體發(fā)光器件、驅動電路和半導體照明應用系統(tǒng)等研究。：。通信作者：程 崢（），男，河北唐山人，碩士研究生，從事農業(yè)物聯網、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究。：。隨著農業(yè)現代化的飛速發(fā)展，溫室環(huán)境監(jiān)控成為國內外研究的熱點之一。溫室大棚作為一種現代農業(yè)生產的輔助手段，不僅可以改善溫室氣候、減少外界季變化和惡劣氣候對溫室大棚內植物的影響，還可以調節(jié)溫室大棚內的環(huán)境為植物生長的最佳環(huán)境。物聯網的技術日新月異，物聯網的應用也趨于廣泛，設備的控制方式逐漸脫離了傳統(tǒng)的人工控制，趨向于無線控制。溫室內擁有眾多的智能設備，如電子顯示屏、各類傳感器、電燈開關、門禁電磁鎖等，各設備之間的相互獨立，給溫室管理員帶來了極大的不便。多網融合的溫室監(jiān)控系統(tǒng)可以兼容各種網絡接口的設備，對室內各種設備進行集中控制，并且具備無線網內定位功能。本系統(tǒng)融合通信、計算機、自動控制等技術為一體，集服務性、管理性于一體，溫室管理員能夠更便捷地通過手機控制溫室內的各種設備，并掌握設備的使用狀況。 系統(tǒng)總體設計溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)由終端設備單元、智能網關單元、系統(tǒng)管理單元個部分組成。終端設備包括室內照明設備、卷簾機、加熱器、智能傳感器等，它們通過、紅外、的接口向智能網關傳送環(huán)境信息或者接收各類指令，傳感器節(jié)點同時作為室內定位的信標節(jié)點，在室內檢測盲點的位置。智能網關通過上傳室內環(huán)境信息，解析來自的控制信息，向各個終端設備發(fā)送控制指令，并與室內的傳感器節(jié)點組成星形網絡，以太網接口將室內的環(huán)境信息、設備使用狀態(tài)通過上傳到溫室設備管理中心。系統(tǒng)管理單元包括安卓（）手機和室內觸摸平板，它們運行的均為基于平臺的上位機軟件，用戶可根據界面操控室內各個設備，并獲得室內的環(huán)境信息，實現方便快捷的管理功能。整個系統(tǒng)如圖所示。 指紋庫定位方法及其改進 指紋庫定位方法在個擁有多個傳感器節(jié)點的網絡里，所有信標節(jié)點的位置都是已知的。盲點信息須要獲取大量的已知節(jié)點和盲點與其之間的信號強度（），并根據特定的測距公式和定位算法綜合估算出盲點的實時坐標信息。定位過程主要有個部分，即測距、定位、修正。指紋庫定位方法過程如下：第步是建立離線定位系統(tǒng)的指紋庫，在定位區(qū)域內劃分成若干個網格，每一個網格點在一定時間內接收幾個固定信標節(jié)點的值作為該點的指紋特征。第步為線上定位操作，采集該盲點在定位區(qū)域內接收各信標節(jié)點的值。然后將采集的實際坐標與指紋庫內的坐標作對比，找到個與指紋庫最接近的定位點。 改進的指紋庫定位方法指紋庫定位方法雖然在一定程度上大大地提高了定位精度，但是定位的穩(wěn)定性和可靠性仍然有明顯的不足。定位環(huán)節(jié)主要有個點須要改進：首先，在室內，由于存在非視距、多重干擾，盲點接收來自信標點的值可能不準確。若想提高定位的準確性，在建立指紋庫的過程中必須對每個網格點的信號作濾波處理。只有建立一個相對準確的指紋庫，才可以使后期的在線定位具有可靠性。指紋庫建立過程中存在多種噪聲干擾，因此在建立庫的過程中加入卡爾曼濾波算法江蘇農業(yè)科學 年第卷第期網絡出版時間：2019-07-29 08:55:44網絡出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/32.1214.S.20190729.0855.113.html消除噪聲，從而提高系統(tǒng)的定位精度。其次，在線定位階段，在將測得的盲點的值與指紋庫的值作對比這個過程中加入貝葉斯定位算法，根據試驗可得定位誤差大大減少。 試驗以及性能分析筆者采用個信標節(jié)點進行試驗，分別對指紋庫建立階段進行卡爾曼濾波操作和不進行處理，以及在在線定位階段采取貝葉斯定位算法和最鄰近定位算法進行處理，試驗結果（表）表明，在指紋庫建立階段加入卡爾曼濾波算法和貝葉斯定位算法可以有效地減小定位誤差，提高系統(tǒng)的整體定位精度。使用卡爾曼濾波和貝葉斯定位算法的平均偏差為，而建立指紋庫的過程不采取任何措施、定位方法為最鄰近算法的平均偏差為，誤差極大。由此可以看出，改進的指紋庫定位方法效果改善明顯，具有實際的推廣意義。表 種處理方法定位結果的比較處理辦法定位算法最大偏差（）最小偏差（）平均偏差（）不處理 鄰近算法不處理 貝葉斯法卡爾曼濾波鄰近算法卡爾曼濾波貝葉斯法 硬件設計本系統(tǒng)硬件由傳感器模塊、通信模塊、智能網關模塊、電源模塊組成。傳感器模塊采集的環(huán)境信息包含室內溫濕度、光照度、濃度、土壤溫濕度等。模塊分為終端節(jié)點和協調器節(jié)點種，終端節(jié)點留有傳感器接口，負責采集環(huán)境信息，并且作為信標節(jié)點檢測盲點的值，協調器負責數據的匯總轉發(fā)。智能網關模塊采用的是基于的內核的，搭載系統(tǒng)，包含模塊、射頻發(fā)射模塊、紅外信號發(fā)射模塊、紅外接收模塊、協調器模塊。電源模塊分為部分：傳感器結點模塊和智能網關模塊，傳感器結點模塊采用和干電池供電種模式，智能網關采用電源和供電種方案，供電均為調試備用供電。 通信模塊通信模塊分為終端節(jié)點和協調器節(jié)點。本次選用的是的芯片，該芯片是一個集成的射頻模塊和內核的微控制器，具備的和的，開發(fā)工具為編譯器。傳感器節(jié)點硬件結構圖如圖所示，各個模塊電路有機地組成了一個整體發(fā)揮作用。作為一個集成協議棧的微控制器，通過接口采集傳感器數據，并通過射頻電路將信號發(fā)送給協調器。該設備同時作為信標節(jié)點，通過配合增益天線檢測盲點的值，在的內核中植入定位算法，確定盲點的位置。 智能網關模塊智能網關是以基于的內核的為核心。該芯片的為、為江蘇農業(yè)科學 年第卷第期，擁有個基本定時器、個通用定時器、路（共個通道）、個、個接口、個串口、個接口、個接口、個位的和個接口。芯片主頻可達，指令周期為微秒級別，處理速度塊。支持的在線仿真調試。芯片外設與集成度高，性能穩(wěn)定，因此選擇此款芯片作為智能網關的。智能網關的硬件結構圖如圖所示，此處的作為協調器與進行串口通信，采集傳感器節(jié)點上傳的環(huán)境變量以及盲節(jié)點的信號強度。射頻電路采用上海漢楓電子科技有限公司的工業(yè)通信解決方案。為一個集成的模塊，內部的集成了協議，自帶通信固件，與進行串口通信。紅外驅動電路由紅外接收管、紅外發(fā)射管、信號放大電路等組成。根據紅外通信相關協議，軟件編碼解碼并通過驅動電路收集和發(fā)送紅外信息。的接口電路由集成的編碼解碼電路、外部接收和發(fā)送天線電路組成。 軟件設計系統(tǒng)軟件由下位機程序和上位機程序部分組成。下位機程序主要包含各傳感器節(jié)點的程序和智能網關的程序，各傳感器節(jié)點的程序采用針對的編程實現，智能網關的程序采用搭載的系統(tǒng)實現。上位機程序主要是基于的人機交互界面，采用進行開發(fā)，具有良好的可遷移性和可擴展性。 傳感器節(jié)點軟件設計傳感器終端節(jié)點程序流程圖如圖所示。本系統(tǒng)中共設置個傳感器結點，它們承擔著采集環(huán)境變量（溫濕度、光照度、濃度、土壤溫濕度）、組網、采集盲點、整理數據包并根據協議上傳至協調器幾大任務。作為終端節(jié)點在加入網絡后就進入待命狀態(tài)，在待命狀態(tài)下，除值獲取，所有傳感器停止執(zhí)行采集任務，利用定時中斷調用（），定時時長為，將采集到的盲點進行次去極值均值濾波，再調用（）將盲點的進行卡爾曼濾波。傳感器節(jié)點接收到智能網關指令時觸發(fā)事件，此事件中包含傳感器數值讀取函數、協議打包函數、串口發(fā)送緩存函數。最后調用（）向智能網關上傳環(huán)境變量信息、設備序列號、盲點等。在空閑時刻，為了保障各個傳感器節(jié)點和信道連接穩(wěn)定，須要互相發(fā)送空閑心跳包。在上傳數據之前還須對節(jié)點上的各個硬件模塊電路進行檢測，如有故障、供電不足、傳感器數據失真等故障須要上傳對應的故障碼給智能網關。 智能網關軟件設計智能網關軟件流程圖如圖所示。首先初始化系統(tǒng)外設接口，然后構建系統(tǒng)，設計初始任務。初始任務中創(chuàng)建了各個等待任務，主要根據客戶端指令執(zhí)行設備控制等任務。這些任務在中作為一個并行的線程執(zhí)行。它們之間的信息通過信號量和郵箱互發(fā)信息，協調處理。整個過程構成了多網融合的智能網關的軟件系統(tǒng)。 客戶端軟件設計客戶端為多網融合的溫室監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互界面，如圖所示，分別為登錄界面、控制模式界面、環(huán)境監(jiān)測界面、定位界面。登錄界面的作用為設定智能網關內部的和端口號，建立連接；控制模式界面是針對室內的各個設備的操作界面；環(huán)境監(jiān)測界面顯示傳感器節(jié)點上傳的環(huán)境信息；定位界面是顯示室內盲點的坐標信息。 系統(tǒng)測試 控制指令下發(fā)測試本次測試選取的地點是天津工業(yè)大學電氣工程與自動化學院植物照明實驗室，以此來模擬溫室大棚的環(huán)境。在與智能網關建立連接的情況下，分別測試加熱器指令（紅外）、電燈指令（的）、卷簾機指令（紅外）、任意種組合指令、種組合指令、次，計算指令碼失效的次數，其中失效率為失效次數占測試次數的百分比。對于相同的紅外指令來看，加熱器指令的失效率比卷簾機的失效率要高，因為加熱器紅外感應的位置距離智能網關較遠。相比之下，電燈的失效率要低一些。組合指令的失效率也明顯高于單個指令的失效率，可能的原因為組合指令之間互相有干擾。江蘇農業(yè)科學 年第卷第期 組網通信測試多網融合的智能網關布置在室內的中央，個傳感器節(jié)點布置在室內的個角落，如圖所示，主要測試不同設備在不同距離的丟包率和誤包率，測試結果如表所示。隨著距離的增加，同一設備的丟包率和誤包率均有所增加，網絡趨向于不穩(wěn)定，但總體上滿足溫室大棚的應用需求。 定位精度測試本次測試選取的環(huán)境為實驗室內個×的空間，該空間放置長桌，個拐角為個傳感器節(jié)點?？臻g表 連接穩(wěn)定性測試類別設備設備設備設備丟包率（）誤包率（）丟包率（）誤包率（）丟包率（）誤包率（）丟包率（）誤包率（）劃分為×的網格，每個網格間距，在網格點放置路由器，即盲點，在個網格點中采樣個網格點進行測試。定位的坐標以及實際位置分布圖如圖所示。小江蘇農業(yè)科學 年第卷第期櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄星星點為定位坐標，黑色的小線段為定位坐標與實際網格點的誤差距離。經計算，選取的個網格點的平均定位距離為。因此可以判定該系統(tǒng)的定位精度為。 結語本研究立足于溫室大棚的應用環(huán)境，不僅利用了多種無線網絡和有線網絡融合的技術，將溫室內常用的設備集中管理，還將網絡和傳感器技術結合，設計了具備室內定位和采集環(huán)境信息雙重功能的節(jié)點，與智能網關結合共同構成了無線溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)。經過大量測試證明，該系統(tǒng)丟包率低、穩(wěn)定性高，具有一定的使用價值，為未來溫室的建設提供了理論依據。參考文獻：高 尚，陳景波智能溫室控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)中國高新技術企業(yè)，（）：韓力英，楊宜菩，王 楊，等基于單片機的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設計中國農機化學報，（）：，廖建尚基于物聯網的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計方法農業(yè)工程學報，（）：侯啟真，史秉鑫，劉衍帆基于的定位技術研究計算機應用與軟件，（）：劉小康，郭 杭基于室內定位系統(tǒng)的指紋庫優(yōu)化算法計算機工程，（）：安 雷，張國良，湯文俊基于的機器人室內卡爾曼濾波定位算法研究計算機工程與應用，（）：羅 利，黃 平基于的室內定位貝葉斯算法仿真分析產業(yè)與科技論壇，（）：宋文波，王 健基于多網融合技術的智能農業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)設計中國農機化學報，（）：高浩天，朱森林，常 歌，等基于農業(yè)物聯網的智能溫室系統(tǒng)架構與實現農機化研究，（）：武 征，花新峰基于的校園能耗監(jiān)測數據采集器的設計工業(yè)控制計算機，（）：，雷嘵暉，呂曉蘭，李 雪，等噴桿噴霧機撥禾板固定支架優(yōu)化設計江蘇農業(yè)科學，（）：噴桿噴霧機撥禾板固定支架優(yōu)化設計雷嘵暉，呂曉蘭，李 雪，張美娜，顧 煬，（江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)設施與裝備研究所，江蘇南京；南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇南京）摘要：噴桿噴霧機是目前普遍使用的一種大田植保機械，為了增加農藥有效利用率和減少霧滴飄失，噴桿多加裝罩蓋裝置。針對噴桿噴霧機生產研發(fā)中出現的損壞問題，以山東綠田農業(yè)機械有限公司生產的罩蓋導流式噴霧機撥禾板固定支架為研究對象，利用有限元理論找出固定支架應力集中部位，并在其原有結構基礎上進行拓撲優(yōu)化設計，以增強其結構強度。在受損情況最為嚴重的大豆田中，拓撲優(yōu)化后固定支架最大應力由原來的降至，降了，機械抗振性也有大幅度的增強。該結果為企業(yè)生產優(yōu)質的撥禾板式噴桿噴霧機提供技術支持。關鍵詞：噴桿噴霧機；撥禾板；固定支架；拓撲優(yōu)化；應力分析；數字模型；仿真；優(yōu)化設計中圖分類號： 文獻標志碼： 文章編號：（）收稿日期：基金項目：江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金編號：（）。作者簡介：雷嘵暉（），男，河南焦作人，碩士，助理研究員，主要從事植保機械與施藥技術研究。：（）；：。通信作者：呂曉蘭，博士，研究員，主要從事植保機械與施藥技術研究。：（）；：。田間施藥是大田作物種植管理中最重要的環(huán)節(jié)，可有效地預防田間作物病蟲草害的發(fā)生。目前國內大田施藥機械主要有種：一種是以無線遙控多旋翼飛行器為載體的航空植保機械，一種是高地隙噴桿噴霧機。航空植保機械多適用于山區(qū)丘陵地區(qū)，以作業(yè)速度快、地形適應性強為特點，缺點是農藥霧滴易飄失、價格高昂且載藥量少。高地隙噴桿噴霧機以平原作業(yè)為主，高地隙底盤設計可有效減少機具作業(yè)過程中對作物的碾壓傷害，為提高農藥的有效利用率及減少農藥霧滴的飄失，噴霧機噴桿多加裝風幕裝置和罩蓋裝置。撥禾板導流式噴霧屬于罩蓋噴霧，是一種結構簡單、較風幕式噴霧價格便宜、可減少霧滴飄失的噴霧方法。它對高稈和低矮作物都適用。當裝載撥禾板的噴霧機作業(yè)于低矮作物時，撥禾板底端緊貼作物頂部，傾斜噴出的農藥藥液會穿透作物冠層；當機具作業(yè)于高稈作物時，撥禾板可以撥開作物冠層，減少上部冠層對農藥藥液的攔截，使藥液直接噴施于冠層下部。文獻對撥禾板的安裝傾角及寬度都有詳細的定義，山東綠田農業(yè)機械有限公司參考文獻研發(fā)設計一款撥禾板式噴桿噴霧機，但撥禾板與噴桿之間的固定支架作業(yè)時強度效果欠佳。本研究以山東綠田農業(yè)機械有限公司設計的撥禾板固定支架為研究對象，運用計算機拓撲優(yōu)化理論對其進行優(yōu)化設計。江蘇農業(yè)科學 年第卷第期