0 引言

　　云存儲(chǔ)作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)手段，為人們提供方便的數(shù)據(jù)在線服務(wù)[1]，它具有成本低、效率高、多應(yīng)用環(huán)境以及高安全性的特點(diǎn)[2]。433 MHz比2.4 GHz傳播距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)，因而被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。WiFi速率快、傳輸量大，能夠通過(guò)無(wú)線連接的方式與公網(wǎng)通信。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，將WiFi與433 MHz通信結(jié)合使用，不僅可以遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，也能將其上傳至云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和使用，因此特別適合于遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　課題以51單片機(jī)、溫濕度傳感器、433 MHz通信模塊組成數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，即從節(jié)點(diǎn)；以STM32、433 MHz通信模塊、WiFi模塊組成數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)，即主節(jié)點(diǎn)。主、從節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)，從節(jié)點(diǎn)將傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)433 MHz通信模塊發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)匯總處理后通過(guò)WiFi模塊與云服務(wù)器建立通信，實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)模型及關(guān)鍵問(wèn)題分析

　　1.1 系統(tǒng)應(yīng)用模型

　　整個(gè)農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用模型如圖1所示。系統(tǒng)分為4部分，分別是主節(jié)點(diǎn)、從節(jié)點(diǎn)、路由器及云服務(wù)器。其中從節(jié)點(diǎn)分布在農(nóng)田區(qū)域內(nèi)，負(fù)責(zé)測(cè)量環(huán)境參數(shù)（溫濕度），隨后通過(guò)433 MHz通信模塊發(fā)送。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)433 MHz通信模塊接收數(shù)據(jù)，根據(jù)寫(xiě)入的程序算法處理數(shù)據(jù)并通過(guò)WiFi發(fā)送給路由器，最后由路由器將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器存儲(chǔ)并處理，結(jié)果反映到手機(jī)或Web上，實(shí)現(xiàn)農(nóng)戶對(duì)農(nóng)田的監(jiān)控。農(nóng)戶可隨時(shí)查看云服務(wù)器上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或通過(guò)云服務(wù)器發(fā)送的短信或郵件進(jìn)行跟蹤，即時(shí)了解農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況并做出應(yīng)對(duì)措施，以此避免不必要的損失。

圖1  系統(tǒng)應(yīng)用模型

　　1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題分析

　　在大面積農(nóng)田種植的應(yīng)用背景中，利用射頻通信組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用以測(cè)量農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)，其中涉及到的一個(gè)主要技術(shù)問(wèn)題是如何克服通信距離障礙。

　　首先，根據(jù)無(wú)線通信自由空間損耗可以得出通信距離、通信頻率與傳播損耗的關(guān)系：

　　其中，傳播損耗Los又可由通信模塊的發(fā)射功率P(dBm)以及接收靈敏度Sin(dBm)計(jì)算得來(lái)：

　　查看系統(tǒng)所用的433 MHz通信模塊的技術(shù)參數(shù)并帶入式(2)，得出傳播損耗Los為135 dBm，帶入式(1)可得最大理論通信距離約為300 km。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于大氣以及障礙物對(duì)無(wú)線電波的阻擋，實(shí)際傳播損耗要遠(yuǎn)低于理論值。根據(jù)式(1)可知，大氣以及障礙物對(duì)無(wú)線電波每增加6 dBm的損耗，通信距離便會(huì)減小1倍，因此要保證遠(yuǎn)距離傳輸有兩種可行性方案：一為增加通信芯片的發(fā)射功率，但會(huì)增加系統(tǒng)功耗；二為配備增益天線，將電磁波集中輻射，此種方法更適合低功耗通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，在實(shí)際情況下，系統(tǒng)的433 MHz通信在空曠條件以最大發(fā)射功率下配備5 dBi增益天線能夠達(dá)到3.69 km的通信距離，完全滿足大面積農(nóng)田的通信距離要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。從節(jié)點(diǎn)以51單片機(jī)為核心，主要連接傳感器和433 MHz通信模塊。主節(jié)點(diǎn)以STM32為核心，主要連接433 MHz通信模塊、WiFi模塊。主、從節(jié)點(diǎn)各有電源電路，提供DC5V/3.3V。其中，433 MHz通信模塊用以建立主、從節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，51單片機(jī)可以通過(guò)模擬SPI總線控制該模塊；WiFi模塊用以與路由器建立無(wú)線通信，從而間接建立主節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器的通信，STM32可以通過(guò)串口和AT指令控制該模塊，串口波特率為115 200 b/s。

圖2  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　電源電路如圖3所示，采用電源管理芯片RT7272B進(jìn)行設(shè)計(jì)。該電路使用電源適配器輸入DC 9 V，輸出DC 5 V，再經(jīng)AMS1117穩(wěn)壓芯片最終輸出DC 3.3 V。

圖3  電源電路原理圖

　　電源電路中，輸出電壓Vout與R64、R65有關(guān)，三者滿足的關(guān)系式為：

　　在電路中，需要注意保險(xiǎn)絲（Fuse，F(xiàn)U）和瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppression，TVS）的選型。FU的額定電壓等于或者大于電源的額定電壓，額定電流應(yīng)為電源流額定電流的75%。TVS的額定電壓與電源的額定電壓滿足關(guān)系式1.2Vout≤VTVS≤1.5Vout。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)通信軟件的設(shè)計(jì)

　　在由主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的WSN中，主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)互相發(fā)送命令/應(yīng)答數(shù)據(jù)包。主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)通信程序如圖4所示。

圖4  系統(tǒng)通信程序流程圖

　　首先主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)硬件初始化，隨后主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播，等待相應(yīng)的從節(jié)點(diǎn)接收校驗(yàn)，錯(cuò)誤則任務(wù)結(jié)束，成功則進(jìn)行測(cè)量任務(wù)。主節(jié)點(diǎn)接收并校驗(yàn)數(shù)據(jù)包，成功則處理數(shù)據(jù)包，失敗則要求從節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，重發(fā)超過(guò)5次則主節(jié)點(diǎn)放棄該從節(jié)點(diǎn)。

　　系統(tǒng)使用超文本傳輸協(xié)議(Hyper Text Transport Protocol，HTTP)與云服務(wù)器通信。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置完畢WiFi模塊的通信參數(shù)后，即準(zhǔn)備發(fā)送包含溫濕度數(shù)據(jù)的HTTP請(qǐng)求至云服務(wù)器。云服務(wù)器接收到HTTP請(qǐng)求后，當(dāng)即發(fā)送HTTP回復(fù)給WiFi模塊，主節(jié)點(diǎn)通過(guò)解析HTTP回復(fù)來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否上傳，同時(shí)視情況做出容錯(cuò)措施。

　　3.2 通信分時(shí)復(fù)用程序的設(shè)計(jì)

　　通信分時(shí)復(fù)用(Time Division Multiple Access，TDMA)[3]，即在網(wǎng)絡(luò)通信中采用分時(shí)原理，避免由于信道沖突而造成的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)過(guò)大、網(wǎng)絡(luò)丟包問(wèn)題。系統(tǒng)TDMA程序流程圖如圖5所示。

圖5  分時(shí)復(fù)用程序流程圖

　　系統(tǒng)分時(shí)復(fù)用程序采用STM32的定時(shí)器來(lái)完成。定時(shí)器可以將時(shí)間分段，每一個(gè)時(shí)間段相互獨(dú)立，分別歸屬于每一個(gè)從節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)時(shí)間段中從節(jié)點(diǎn)可以與主節(jié)點(diǎn)互相通信，然后進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間段并統(tǒng)計(jì)已完成通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)通信完畢后，分時(shí)復(fù)用過(guò)程結(jié)束，等待下一段分時(shí)通信的到來(lái)。

　　3.3 數(shù)據(jù)處理算法

　　從節(jié)點(diǎn)分布在農(nóng)田各處。由于每一處小區(qū)域的環(huán)境差異，造成從節(jié)點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)差距較大，如若不做處理，將會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性。為了解決這一問(wèn)題，系統(tǒng)引進(jìn)了基于加權(quán)平均數(shù)[4]的數(shù)據(jù)處理思想。使用加權(quán)平均數(shù)思想處理數(shù)據(jù)的理由有：

　　(1)減少因傳感器故障和小區(qū)域環(huán)境不同而帶來(lái)的測(cè)量異常值的影響。

　　(2)統(tǒng)計(jì)出非正常節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

　　(3)更為精確地反映出農(nóng)田的環(huán)境狀況。

　　加權(quán)平均數(shù)的計(jì)算思想如下：假設(shè)若干區(qū)間[A1，An]，[B1，Bn]…[N1，Nn]，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)落在每一個(gè)區(qū)間的個(gè)數(shù)分別是a，b…n。按照式(4)計(jì)算整體樣本加權(quán)平均值S：

　　根據(jù)上述思想，系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的算法流程圖如圖6所示。STM32首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間劃分，統(tǒng)計(jì)出處于區(qū)間中的樣本數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。隨后算法設(shè)定閾值判斷數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出非正常數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。對(duì)于正常的數(shù)據(jù)則采用加權(quán)平均數(shù)用以估計(jì)整片農(nóng)田的環(huán)境參數(shù)并上傳至云服務(wù)器。

圖6  系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選定為室內(nèi)，系統(tǒng)使用了8個(gè)從節(jié)點(diǎn)分布在各個(gè)角落，每隔30 s采集一次溫濕度并顯示在主節(jié)點(diǎn)的LCD屏幕上，同時(shí)處理數(shù)據(jù)并上傳至云服務(wù)器，最終通過(guò)Web以折線圖的方式推送在網(wǎng)頁(yè)上。

　　4.1 數(shù)據(jù)對(duì)比試驗(yàn)

　　表1給出了系統(tǒng)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地溫度與溫度計(jì)實(shí)際測(cè)得的溫度的對(duì)比，檢測(cè)時(shí)間間隔為6 h。由此看出系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)相比于實(shí)際數(shù)據(jù)略低，但總體相差不大。因此農(nóng)戶可以通過(guò)該系統(tǒng)了解農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的大致情況并酌情做出判斷。

　　4.2 云服務(wù)器上傳與報(bào)警實(shí)驗(yàn)

　　圖7所示為云服務(wù)器上系統(tǒng)所測(cè)連續(xù)一周的溫濕度數(shù)據(jù)的折線圖。

圖7  云服務(wù)器Web端折線圖

　　為了驗(yàn)證報(bào)警功能，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將室內(nèi)濕度調(diào)高，云服務(wù)器報(bào)警。報(bào)警郵件如圖8所示。

圖8  云服務(wù)器報(bào)警郵件

5 結(jié)語(yǔ)

　　本文研究討論了一種基于433 MHz通信的監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合WiFi將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器并存儲(chǔ)。配合系統(tǒng)的通信程序、分時(shí)復(fù)用程序、數(shù)據(jù)處理算法使得通信和數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，同時(shí)云服務(wù)器處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)推送至Web和移動(dòng)端方便實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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