为实现用户远程对杀虫灯的监控、调整,设计了一种基于Zigbee和GPRS网络通信技术的杀虫灯远程监控系统。介绍该监控系统的网络结构,分别阐述杀虫灯监控电路、通信控制器及其网络服务器等监控系统部件的软硬件设计,并进行系统试验验证。结果表明:该系统能远程有效监测杀虫灯环境与工作参数,实现了杀虫灯工作状态数据和图像等的采集、存储、上传,蓄电池的自动保护,以及用户远程对杀虫灯的控制和调整。该系统能够加强用户对杀虫灯的管理,提高杀虫灯的工作稳定性和灭虫效果,进而促进农业增产。
Inordertomonitorandadjusttheinsecticidallampremotely,aremotemonitoringsystemofinsecticidallampisproposedonthebasisofZigbeeandGPRStechnology.Thispaperintroducesthenetworkstructureofthismonitoringsystem,thenexpoundsthehardwareandsoftwaredesignsofitscomponentswhichincludetheinsecticidallampmonitoringcircuit,communicationcontrolleranditswebserver,andfinallyconductsasystematicverificationthroughexperiments.Theresultshowsthatthissystemisabletoremotelyandeffectivelymonitortheoperationparametersofthelamp,acquire,storeanduploadthedataofworkingstatusandimages,protectthebatteryautomatically,andallowtheusertocontrolandadjustthelampremotely.Thesystemcanenhanceuser'smanagementoftheinsecticidallamp,improvethestabilityofthelampandtheefficiencyofpestcontrol,andthereforeachievethepurposeofincreasingagriculturalproduction.
在现有研究的基础上,为加强杀虫灯的工作稳定性,以及用户对杀虫灯的集约化、高效化精准管理,笔者提出了一种基于Zigbee和GPRS的杀虫灯远程监控系统。该系统在Zigbee无线组网技术和GPRS网络传输技术的基础上增加了电池工作状态监测和文件系统等功能,通过硬件设计和软件开发,实现了杀虫灯装置电池的自动保护,工作状态与数据和图像等的采集、存储、上传,以及用户远程对杀虫灯的监测、控制,从而大大提高了杀虫灯装置工作的稳定性、控制的便利性及其灭虫的效率。
图1杀虫灯监控系统总体框架Fig.1Overallframeworkofinsecticidallampmonitoringsystem
Zibgee技术是建立在IEEE802.15.4国际标准上的一种双向无线通讯技术,它具有传输距离较短、能耗较小、成本较低、组网简单等特点[12-13]。杀虫灯工作效果较好的布置方式一般为棋盘式,其中各杀虫灯的安装高度约为2m,相互间距在100m左右,这种布局方式在水平方向上的遮蔽物较少,适合无线信号的传输。单个Zigbee全功能设备(fullfuntiondevice,FFD)目前最多可支持上百个节点,其传输距离根据发射功率大小可达上百米甚至上千米,由此可见Zigbee无线通讯方式非常适用于杀虫灯装置间的无线组网。
利用CC2530组成MESH(网状)网络,它是一种高可靠性的Ad-Hoc网络,其中具有路由功能的FFD设备之间可以相互连接,FFD设备之间通过自组织及无线路由功能在扩展Zigbee无线网络覆盖范围的同时也大大提高了整个无线网络的可靠性[14]。
图2ZigbeeMesh网络拓扑结构图Fig.2NetworktopologyofZigbeeMesh
图3CC2530外围电路Fig.3PeripheralcircuitofCC2530chip
图4电池监测电路Fig.4Batterymonitoringcircuit
图5DHT11电路Fig.5CircuitofDHT11
图6CA025C串口摄像头电路Fig.6CircuitofCA025Cserialcamera
在单片机中移植入FatFs文件系统后,单片机通过SDIO外设存取SD卡维护数据库、SPI与CC2530协调节点通信采集数据、串口与GPRS模块通信连接网络。
通信控制器中的MCU主要维护4个txt文件和1个照片文件夹,其中包括Zigbee网络在线成员数据库、在线成员参数数据库、用户指令缓冲数据库和成员日志备份数据库。
持续更新当前Zigbee网络中在线成员的信息,以CC2530芯片IEEE64位地址作为身份标记,供网络服务器对号识别。当在线成员失去连接,通信控制器即通过GPRS模块发送短信通知用户。
图7通信控制器结构框图Fig.7Blockdiagramofcommunicationcontroller
更新、记录一个月以来各在线成员的参数作为备份,并实时采集每个从机的参数并记录以供网络服务器查询。
备份各成员最近15d的工作日志,循环覆盖,以供网络服务器查询。
晚上杀虫灯工作时摄像头定期拍照,照片被存入本地FLASH芯片并上传至通信控制器的照片文件夹覆盖,照片文件夹中仅保存一个月的照片。每天通信控制器定时将照片发送至网络服务器。
图8GPRS模块外围电路Fig.8PeripheralcircuitofGPRSmodule
图9Z-STACK软件控制流程图Fig.9ControlflowchartofZ-STACKsoftware
FatFs是面向小型嵌入式系统的一种通用的FAT文件系统,通过移植FatFs文件系统,本系统可以非常方便地通过STM23F407对SD卡进行文件管理,进行txt数据库与照片文件夹的实时维护。移植FatFs主要需要编写diskio.c中disk_status()、disk_initialize()、disk_read()、disk_write()和disk_ioctl()5个接口函数,编写完成编译通过之后即可调用f_open()(创建或打开文件)、f_lseek()(移动文件指针)、f_puts()(写入文件)、f_close()(关闭文件)以及f_mkdir()(创建文件夹)等API对SD卡中的文件进行操作[15]。
移植了FatFs文件系统后,用户便可以直接在电脑上读取SD卡中的数据,以防网络故障。
图10通信控制器软件流程图Fig.10Softwareflowchartofcommunicationcontroller
前端开发采用Bootstrap3前端框架和PHP脚本语言,PHP脚本实现Web服务器、Mysql数据库与用户浏览器的数据交互,以及网页表格中数据的更新等功能。
图11服务器网络通信示意图Fig.11Schematicofservernetworkcommunication
图12杀虫灯监控系统工作界面Fig.12Workinterfaceofinsecticidallampmonitoringsystem
图13串口摄像头采集到的照片Fig.13Aphototakenbyserialcamera
表1电流、电压数据对比Table1Comparisonofcurrentandvoltagedata