基于RS485串口的作物生长环境因子监测无线网络的设计

摘要:采用RS485串口,设计了转换电路,实现了采集数据由模拟信号转换为标准Modbus RTU格式的数字信号;采用ZigBee无线网络实现了数据的上传;对ZigBee无线网络的通信距离进行了理论估算和生产基地测试,估算值为1 691.99 m。晴天的通信距离是1 680 m,误差为7.09%;由于ZigBee无线网络受雨天的影响,通信距离是1 520 m,误差为10.16%。

关键词:RS485串口;ZigBee无线网络;监测;作物生长;环境因子

中图分类号:TP277;TN92文献标识码:A文章编号:0439-8114(2014)10-2421-03

Designing Wireless Network for Monitoring Environmental Factor of Crop

Growth Based on RS485

XIAO Qian-hu,WENG Shao-jie,HE Fang,XIA Ze-hao,ZHANG Wen-qing

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Hainan University,Haikou 570228,China)

Abstract:A circuit was designed to convent analog signal to Modbus RTU format digital signals with with RS485 serial port.Wireless network used ZigBee to transmit data. The communication distance of the ZigBee wireless network was studied theoretically and tested in production base. The estimated distance was 1 691.99 m. The tested distance was 1 680 m with 7.09% error in sunny day.Because of the influence of rain,the tested communication distance was 1 520 m with 10.16% error.

Key words: RS485 serial port;ZigBee wireless network;monitor;crop growth;environment factor

基金项目:国家星火计划项目(S2011E200025);2013年海南省研究生创新课题项目(s22)

作物生长环境因子如土壤温湿度、空气温湿度、光照度等,对作物生长有着重要的影响。近年来,国内外对作物生长环境因子的采集方式、数据传输方式及上位机监测有许多研究报道,采用无线传感器网络的采集和传输方式得到了快速的发展[1-3]。根据检测参数的不同,分为地上参数检测传感器网络和无线地下参数检测传感器网络。李莉等[4]开发出了基于无线传感器网络的温室环境监测系统,该系统采用GRPS与远程管理中心通信,实现了温室的温度、湿度和光照度等6个参数的监测。Akyildiz等[5]开发了一种检测高尔夫球场的近地表土壤水分的传感器网络系统,设计了采集节点、汇聚节点和网关节点。目前,采集方式多以电流或电压输出的传感器为主,导致连接模块过多,系统的扩展性和灵活性不足。针对此不足,采用RS485串口通信、标准Modbus RTU数据格式以及ZigBee无线网络,设计了监测作物生长环境因子的无线传感器网络,以供参考。

1网络结构

1.1 网络构成原理

网络主要由采集节点、路由节点和汇聚节点构成,结构如图1所示。传感器芯片和转换电路构成了采集模块,完成现场数据的采集。传感器芯片采集的数据以标准的4~20 mA电流或者0~5 V电压输出到转换电路。转换电路中的A/D模块,将电流或电压模拟信号转换成Modbus RTU数字信号,然后经RS485串口输出到ZigBee路由。ZigBee路由端口也是RS485串口,每个ZigBee路由节点携带多个采集模块,实现对作物生长环境因子监测,所有的ZigBee路由通过无线网络传输到ZigBee汇聚节点,然后通过GPRS/Internet传输到上位机。

1.2转换电路的设计

采集模块中的转换电路,将传感器芯片输出的模拟电流或者电压信号转换成标准Modbus RTU的数字信号,转换电路图如图2所示。在转换电路中,采用12位的A/D转换精度,并对信号和电源进行了隔离。每个RS485串口可携带255个采集传感器。所有的相关参数保存在非易失的存储器EEPROM中。数据采用Modbus RTU协议进行格式转换,将模拟信号转换为数字信号。

1.3网络的通信

整个网络的建立由ZigBee协调器发起,其余节点主动寻找网络号,并根据预设的网络号加入相应的网络,每个终端设备都有全网惟一的设备地址。设备地址和网络地址是区分采集设备和无线网络的ID。整个网络的数据包括查询指令和上传采集数据方向相反。上位机是局域网的IP地址,在交换机上采用端口映射的方式,实现数据的交换。ZigBee无线网络中,采用数据透传方式,进行数据传输。上位下达的查询指令以及下位机上传的采集数据。采集的数据是Modbus RTU格式,由设备地址、功能码、采集原始值和校验码构成。数据流通的环节依次为采集模块、RS485串口、ZigBee、GPRS、Internet、DriverForGprs、KVCom和KingView。

2网络测试与分析

2.1 通讯距离的理论估算

根据802.15.4a信道的特点,IEEE组织在环境中进行了实际测量,构建了基于802.15.4a信道,且适用于2~10 GHz(UWB),100~1 000 MHz的信道传输路径损耗模型,表达式如公式1。

Pr=PtAantGtGrPLo■■(1)

其中,Pr为接收机功率,单位为dBm;Pt为发射机功率,单位为dBm;d为发射机与接收机的距离,单位为m;d0为参考距离等于1 m;Gt为发送天线增益;Gr为接收天线增益;Aant为天线衰减因子,单位为dB;s为损耗计算的标准方差,单位为dB;PL0为参考距离下的损耗大小,单位为dB;fc为参考中心频率等于5 GHz;k为频率影响修正系数。

对公式(1)进行推导,可得通信最大距离,如下公式2。

dmax=10■

(2)

结合郭宏福等[6,7]研究、本系统的ZigBee路由和汇聚节点的硬件参数和测试结果,得出公式的修正参数(表1)。其中,Gt和Gr都等于1。

在ZigBee模块中,将信道分为11~26号通道,每个信道带宽2 MHz,信道间隔5 MHz。WiFi有11个信道,每个信道带宽22 MHz。其中,4个ZigBee信道,即第15、20、25和26信道处于WiFi信道的频带间距上,受到的干扰最少,其余信道落在WiFi信道上。为了减少ZigBee信道被WiFi的干扰,信道可选择上述4个信道之一,本系统采用第25信道。经计算第25信道的中心频率(f)为2.475 GHz,ZigBee路由与汇聚节点的通信距离是1 691.99 m。

2.2生产基地的测试

在实际作物生长环境中,同样也会受到地表地貌、植株密度与高度以及天气等的影响[8]。节点对地面的高度影响信号的强度和丢包率。越贴近地表,损耗越大。郭秀明等[9]在苹果园中测试表明2.4 GHz的无线信号衰减符合对数路径损耗模型,且在高度约为3 m时为最佳布置位置(3 m为苹果树的高度),其次是高度大于2.25 m的位置。李钰等[10]在小麦田中测试表明2.4 GHz无线信号衰减符合对数距离路径损耗模型,随着损耗指数与天线指数呈对数衰减,并且衰减指数随着小麦的长高而增大,建议安装高度略高于成熟植株,约1.2 m。根据研究成果表明,ZigBee发射和接收信号端,要避免植株的茎,尽量高于或者低于枝叶茂盛部位。本测试在种植甘蔗和其他作物的生产基地进行,安装高度高于普通农作物高度,即2 m,分别在晴天和雨天进行通信测试。

2.2.1 传输距离测试ZigBee无线网络通信距离的测试采用网络节点距离逐渐增大的方法进行测试,直到彼此间不能通信。测试结果表明,晴天网络的通信距离较长,相隔较长距离仍能通信,可视距离达1 680 m,与理论最大估算距离的误差为7.09%;雨天的通信距离有较大缩短,可视距离为1 520 m,与理论最大估算距离的误差为10.16%,有较大的误差,主要受到雨水的影响。

2.2.2丢包率分析采用物联网综合分析仪IOTA-1100对网络的丢码率进行测试,测试距离从100 m逐渐增大到1 700 m。数据包的发送采用每秒钟发送14个数据包,发送时长为5 min,然后计数接收到的数据包,计算丢包率。分别在晴天和雨天两种天气条件下试验,节点的信息传输情况晴天、雨天见表2。

3小结

采用传感器芯片和自主设计的转换电路及ZigBee无线网络,设计了基于RS485串口的无线传感器网络。该网络将传统的传感器电流或者电压输出方式变为标准的RS485输出,一个端口可携带255个采集传感器,提高了系统的扩展性和通用性,ZigBee无线网络采用数据透传的方式。采用信道损耗模型,对网络的最大通信距离进行了理论估算。在生产基地对通信距离和丢包率进行了测试,并得出了相应的误差和丢包率。

参考文献:

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[4] 李莉,李海霞,刘卉.基于无线传感器网络的温室环境监测系统[J].农业机械学报,2009,40(Z1):228-230.

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[10] 李钰,高红菊,姜建钊.小麦田中天线高度对2.4GHz无线信道传播特性的影响[J].农业工程学报,2009,25(13):184-189.