大棚分布式监测系统

大棚分布式监测系统（精选十篇）

大棚分布式监测系统 篇1

无线传感器网络技术当中,Zig Bee技术的低复杂度、低功耗、低成本、网络容量大、可靠性高、适宜的数据传输速率以及双向通信等特点,使Zig Bee技术在智能家居、工业自动化、智能建筑、环境监测、农业等领域得到了广泛的应用。近年来Zig Bee技术在温室大棚环境智能监控方面的应用也引起的人们的关注和研究。

为了提高土地的产出效益,温室大棚技术在我国已经盛行多年,但是目前在农业温室大棚监控领域,使用较多的依旧为传统有线监测型监控系统,这些系统普遍存在安装难度大,布线难度大,需要单独供电和覆盖范围较小等问题。鉴于此本文提出一种基于Zig Bee技术的温室大棚只能监控系统。本系统由无线传感器终端采集节点,Zig Bee协调器和上位机监控系统三部分组成。可通过上位机QT程序实时监测温室大棚中温度、湿度、二氧化碳、光照度等环境参数。

1 系统硬件设计

本系统硬件主要包含无线传感器终端采集节点和Zig Bee协调器这两部分。

终端采集节点通过CC2530搭载温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器,其中温湿度采集采用瑞士Sensirion公司推出的SHT10单片数字温湿度集成传感器,具有超低功耗,自动休眠,稳定性高等特点。光照度采集采用一种超小型表面贴装IC的照度传感器TPS852,它在芯片电路中集成了一个光电二极管和电流放大器,敏感度高,能识别很小的光变化,并且拥有优异的线性输出。二氧化碳采集采用对CO2有着良好的灵敏度和选择性,并且受到温湿度变化的影响较小,拥有良好的稳定性和、再现性的MG811二氧化碳传感器。

协调器节点主要负责网络的发起、参数的设定、信息的管理及维护功能,也可用来协助建立安全层和应用层的绑定。协调器节点主要由处理器模块、RF前端、电源管理模块及各外部接口等组成。其中处理器模块的主控芯片采用CC2530 ,它是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、Zig Bee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(So C)解决方案。结合了领先的RF收发器的优良性能,业界标准的增强型8051 CPU,系统内可编程闪存,8-KB RAM和许多其他强大的功能。能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。具有不同的运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统,运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。RF前端采用TI公司的集成度很高的射频前端芯片CC2591。

2 系统软件软件

本系统软件设计分为3大块 :传感器节点软件设计,协调器软件设计和上位机软件设计,软件设计框图如图1所示。

2.1 Zig Bee 协议栈介绍

协议是一系列的通信标准,通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据发射和接收。协议栈是协议的具体实现形式,可以看成是协议和用户之间的一个接口,开发人员通过使用协议栈来使用这个协议的,进而实现无线数据收发。Zig Bee的协议分为两部分,IEEE 802.15.4定义了PHY(物理层)和MAC(介质访问层)技术规范 ;Zig Bee联盟定义了NWK(网络层)、APS(应用程序支持子层)、APL(应用层)技术规范。Zig Bee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一直,以函数的形式实现,并给用户提供API( 应用层 ),用户可以直接调用。

2.2 Zig Bee 协调器软件设计

Zig Bee协调器是整个网络的主要控制者,负责建立网络,管理网络中的节点和存储网络信息,同时还要通过串口连接实现与上位机的通讯。在本设计中协调器主要负责建立网络,接收由传感器定时发过来的传感器数据并将它输出到串口与上位机程序进行通讯。所以在Sample App_Process Event() 函数中我们主要处理AF_INCOMING_MSG_CMD消息,即射频信息已被下层接收到的消息。此时该消息的处理函数 为Sample App_Message MSGCB( MSGpkt ) ;在该函数中我们将解析收到的射频数据并且分析数据哪种传感器的数据并发送到串口。

2.3 Zig Bee 传感器节点软件设计

作为一个传感器节点,首先需要做的功能就是定时不断的向协调器发送当前环境数据信息,在开启时会寻找网络,当加入网络时,在协议栈中会发出ZDO_STATE_CHANGE消息,告诉Sample App_Process Event() 函数,已经进入网络可正常工作,所以在该消息下编写定时发送SAMPLEAPP_SEND_TEMPHUMI_MSG_EVT事件的函数,并定义该事件的发送频率为SAMPLEAPP_SEND_PER IODIC_MSG_TIMEOUT,从开始的预定义可以发现该事件为5000ms即5s发送一次。

2.4 上位机软件设计

ARM6410嵌入式开 发平台上 利用QT图形化程序设计软件作为上位机监测程序,主要分为两部分功能。第一部分为实时监测功能。用户需要知道当前环境参数,这部分用户需要精确的查看,所以设计为文本数字查看。第二部分为历史查看功能,用户则需要很直观的查看历史过程,所以设计为折线图查看。

3 结论

大棚分布式监测系统 篇2

概述

随着国民经济的迅速发展，现代农业得到了长足的进步，温室工程已成为高效农业的一个重要组成部分。计算机自动控制的智能温室自问世以来，已成为现代农业发展的重要手段和措施。温室大棚监测控制系统的功能在于以先进的技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。托普物联网研制的温室大棚监测控制系统是用通用组态软件结合自动化设备在现代农业上的一个典型应用，该系统很好地完成了温室大棚环境监控的各项需求，为此类需求呈现了一个成熟的方案。

一、温室大棚监测控制系统简介

1、系统定义

智能温室监测系统就是根据无线网络获取的植物实时的生长环境信息，如通过各个类型的传感器可监测土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分含量等参数。

该系统利用物联网技术，可实时远程获取温室大棚内部的空气温湿度、土壤水分温度、二氧化碳浓度、光照强度及视频图像，通过模型分析，远程或自动控制湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗、加温补光等设备，保证温室大棚内环境最适宜作物生长，为作物高产、优质、高效、生态、安全创造条件。同时，该系统还可以通过手机、PDA、计算机等信息终端向农户推送实时监测信息、预警信息、农技知识等，实现温室大棚集约化、网络化远程管理，充分发挥物联网技术在设施农业生产中的作用。本系统适用于各种类型的日光温室、连栋温室、智能温室。

2、系统组成

该系统包括：传感终端、通信终端、无线传感网、控制终端、监控中心和应用软件平台。（1）传感终端

温室大棚环境信息感知单元由无线采集终端和各种环境信息传感器组成。环境信息传感器监测空气温湿度、土壤水分温度、光照强度、二氧化碳浓度等多点环境参数，通过无线采集终端以GPRS方式将采集数据传输至监控中心，以指导生产。

（2）通信终端及传感网络建设

温室大棚无线传感通信网络主要由如下两部分组成：温室大棚内部感知节点间的自组织网络建设；温室大棚间及温室大棚与农场监控中心的通信网络建设。前者主要实现传感器数据的采集及传感器与执行控制器间的数据交互。温室大棚环境信息通过内部自组织网络在中继节点汇聚后，将通过温室大棚间及温室大棚与农场监控中心的通信网络实现监控中心对各温室大棚环境信息的监控。

（3）控制终端 温室大棚环境智能控制单元由测控模块、电磁阀、配电控制柜及安装附件组成，通过GPRS模块与管理监控中心连接。根据温室大棚内空气温湿度、土壤温度水分、光照强度及二氧化碳浓度等参数，对环境调节设备进行控制，包括内遮阳、外遮阳、风机、湿帘水泵、顶部通风、电磁阀等设备。

（4）视频监控系统

作为数据信息的有效补充，基于网络技术和视频信号传输技术，对温室大棚内部作物生长状况进行全天候视频监控。该系统由网络型视频服务器、高分辨率摄像头组成，网络型视频服务器主要用以提供视频信号的转换和传输，并实现远程的网络视频服务。在已有Internet上，只要能够上网就可以根据用户权限进行远程的图像访问、实现多点、在线、便捷的监测方式。

（5）监控中心

监控中心由服务器、多业务综合光端机、大屏幕显示系统、UPS及配套网络设备组成，是整个系统的核心。建设管理监控中心的目的是对整个示范园区进行信息化管理并进行成果展示。

（6）应用软件平台

通过应用软件平台可将土壤信息感知设备、空气环境监测感知设备、外部气象感知设备、视频信息感知设备等各种感知设备的基础数据进行统一存储、处理和挖掘，通过中央控制软件的智能决策，形成有效指令，通过声光电报警指导管理人员或者直接控制执行机构的方式调节设施内的小气候环境，为作物生长提供优良的生长环境。

二、功能叙述

温室环境包括非常广泛的内容，但通常所说的温室环境主要指空气与土壤的温湿度、光照、CO2浓度等。计算机通过各种传感器接收各类环境因素信息，通过逻辑运算和判断控制相应温室设备运作以调节温室环境。输出和打印设备可帮助种植者作全面细致的数据分析，保存历史数据。本系统主要具备以下几部分功能： 综合环境控制

采用计算机实现环境参数比较分析，四季连续工况调控系统。，比例调节环境温度、湿度与通风。CO2 发生装置按需比例调节环境CO2浓度，夏季室外屋顶喷淋，在保证室内光照强度的前提下，组合调节环境温度与通风，达到强制降低环境温度的效果。通过计算机对温室各电动执行器进行整体调节，自动调控到作物生长所需求的温、湿、光、水、气等条件，另外通过臭氧消毒净化器对温室进行消毒。肥水灌溉控制

采用计算机肥水灌溉运筹系统。根据作物区的需要，对水培区的营养液成分，PH和EC值进行 综合调控。对基培和土培区主要是根据作物生产需要，设定基质、土壤的水势值，自动调节滴灌、喷灌系统的灌溉时间和次数。紧急状态处理

采用计算机实测环境参数、状态极限值反馈报警保护系统。根据作物的各项参数设定温室环境的极限值和作物生长环境参数极限值报警保护系统，提高了整个系统安全性。信息处理

采用计算机集散控制信息管理系统。信息处理由中心控制计算机完成。主机通过局部数字通讯网络与现场控制机相连，实现远动双向控制及全系统集中数据处理。其功能包括运行实时参数执行器模拟状态显示，历史数据存储、检索，数据平均值报表、曲线显示与打印。

三、温室的环境参数指标

针对本系统所涉及的两栋温室，根据栽培的作物和所处的环境，具体参数如下： 1.葡萄温室

a、在冬季休眠期约90多天需保持温室内温度为5℃。休眠期以后白天需控制温室内温度为25-30℃，夜间需控制在15-18℃。

b、湿度需保持在50-75%不能超过95%。c、光照强度应保持在45000-55000勒克斯

d、二氧化碳浓度在上午日出后到10点左右保持在1000PPM左右。e、PH值保持在7-7.5。

f、EC值离子总浓度保持在1‰-2‰，随时进行调整。2.黄瓜、番茄温室：

a、在苗期需保持温室内温度在13-15℃，定植后白天上午应保持在25-28℃，下午应保持在20-25℃，夜间应保持在15-18℃。

b、湿度黄瓜在白天保持在70-75%，夜间保持在85-90%；番茄白天保持在65-75%，夜间保持在75-85%。c、光照强度番茄应保持在50000勒克斯左右，保证12个小时光照；黄瓜应保持在40000勒克斯左右，保证8-10小时光照。

d、二氧化碳浓度在上午日出后到10点左右保持在1000PPM左右。e、PH值保持在6.5-7.5。

f、EC值离子总浓度保持在1‰-2‰，随时进行调整。

黄瓜和番茄在冬季早春即11月中旬至下年2月上旬期间比较关键。

以上参数在监控软件中进行编写，环境参数超出设定范围时进行相应调节同时产生报警提醒值 班人员注意。

托盘物联网简介

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！

托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。

托普物联网三大系统产品

我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）

托普物联网模块化智能集成系统

托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。

1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。

3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。

4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。

大棚分布式监测系统 篇3

关键词：虚拟仪器；温室；远程监测；传感器；CO2浓度；温度；湿度

中图分类号： TP277.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）10-0389-03

收稿日期：2014-03-31

基金项目：云南省教育厅科学研究基金 （编号：2011C042）。

作者简介：徐小华（1980—），男，四川南充人，硕士，讲师，主要从事模式识别和计算机智能系统研究。 E-mail：969287340@qq.com。农作物生长在很大程度上受遗传性、地域性、季节性等多种因素影响。大部分时间的自然环境都不能满足农作物的正常生长，往往影响农作物产量增加，势必会造成一定的物力、人力、财力浪费。使用科学的大棚栽培技术来达到对作物生长有利的环境因素，有利于提高作物产量和缓解农作物季节矛盾。本研究将计算机技术、传感器技术等多种技术融为一体，研制开发成本低廉、操作简单的温室远程监测系统，旨在为推进我国农业智能化进程提供借鉴。

1虚拟仪器技术

在测试技术领域，美国国家仪器公司首先提出“软件即仪器”的口号，即虚拟仪器，推出了LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench），其直观的流程图编程风格和运行程序平台，开启了虚拟仪器的先河[1]。虚拟仪器代表了当时仪器发展的新方向，是仪器领域的一个突破，如今虚拟仪器技术发展到远程虚拟仪器阶段。将虚拟仪器应用范围拓展到整个Internet/Intranet网上，使信号采集、传输、处理一体化，而且不受地域、环境限制[2-4]。本研究采用LabVIEW、Access、LabSQL软件和数据采集卡、PC机、传感器等硬件相结合来实现温室环境远程监测。

2大棚温室环境远程监测的实现

大棚温室环境远程监测系统总体设计见图1。

2.1传感器选择

根据温室环境，须使用3种类型的传感器。

一般来说农作物生长所需温度为16～28 ℃，故选用三线制Pt100热电阻作为温度传感器，经过温度变送器处理后，转换成4～20 mA直流电流输出。图2是温度传感器和变送器接线方式。

温室相对湿度要求因季节、农作物种类不同有所不同，一般为50%～85%，故选用JYTM-02型湿度传感器作为系统的湿度传感器，测定结果是相对湿度。其主要电气特性电器参数如下：5 V DC 5%的供电电压，10%～95% RH 湿度范围，2 mA工作电流。

植物生长要进行光合作用，温室里必须有合适的CO2浓度。本系统选用美国FIGARO公司生产TGS4160型CO2传感器来测量CO2浓度，系统采用控制钢瓶装的液态CO2气源，用继电器的启闭和控制开启来实现CO2的释放。

2.2系统主要模块

根据系统需求，共设计了5个主要模块，各模块实现方法如下。

2.2.1数据采集模块结合待测参数特征，以及数据采集板的可靠性、精度、性价比等因素，选择美国NI公司生产的数据采集卡USB-6008。它是一种小型、轻便的数据采集设备，其采集单端输入方式、2.5 kHz的采样频率。

2.2.2实时数据显示模块测试数据和时间有重要关系。图3是实时数据显示模块。其实现步骤是：设置曲线开始时间；设置x轴的最小值为0，最大值为10，即显示10 s内的数据；输入空数组到趋势图的History属性将趋势图清空，并通过XScale.Format[5]属性设置x轴显示格式为相对时间，并分别输入到相应的实时曲线属性中。在While循环中通过 XScale.Multiplier 属性设置x轴间隔时间。

2.2.3报警模块报警模块用来显示温度、湿度、CO2浓度是否超过设定报警值的上限或下限。当超限时，前面板相应的灯亮且相应控件闪烁，并通过声音传输给用户。图4是报警模块。

2.2.4数据库管理模块根据LabSQL和Access数据库的特点和开发速度，本研究选取免费的LabSQL软件和Access软件的无缝连接，实现了对数据库管理模块的程序设计。数据库存储模块主要是完成对各测试数据的实时储存。图5是程序存储模块。

系统采用LabSQL软件与Access软件结合的方式完成数据储存模块的设计，其实现步骤为：首先使用“ADO Connection Create. vi”创建1个连接数据库对象，然后使用“ADO Connection Open.vi”打开数据源，与数据库文件建立连接；使用“ADO SQL Execute.vi”执行“Insert into测试（时间，湿度，温度，CO2）values” 语句，写入到数据库中；最后用“ADO Connection Close.vi”把LabVIEW和ODBC数据源断开。其数据查询和删除的实现方式同添加模块的方式相同。

2.2.5远程传输模块网络模式有C/S模型、B/S模型2种。本研究根据系统需求在B/S网络模型下采用DataSocket Actives技术[6-8]，结合开发ActiveX软件和IIS 5.0服务器，实现数据远程传输。通信过程见图6。

服务器网页设计主要步骤如下。

（1）新建工程。选择VB编程软件菜单“Project/Components”，在“Components”对话框中选择“National Instruments CW DS 4.0”和“National Instruments CW UI 6.0”，点击“OK”，这些控件就出现在工具箱上。

nlc202309032305

（2）设计用户界面。

（3）编写代码。以下是控件的部分源代码。

Private Sub Command1_Click（）

CWDS1.ConnectTo “dstp：//xxh/ceshi”，cwdsReadAutoUpdate

End Sub

Private Sub CWDS1_OnDataUpdated（ByVal Data As CWDSLib.CWData）

‘Dim a（0 To 4）

CWSlide1.Value = Data.Value（0）-106

Text1.Text = Format（Data.Value（0））-106

CWSlide2.Value = Data.Value（1）-106

Text2.Text = Format（Data.Value（1））-106

CWSlide3.Value = Data.Value（2）-106

Text3.Text = Format（Data.Value（2））-106

CWSlide4.Value = Data.Value（3）-106

Private Sub CWDS1_OnStatusUpdated（ByVal status As Long，ByVal Error As Long，ByVal Message As String）

Label6.Caption = Message

End Sub

Private Sub disconnectclick（）

CWDSl.Disconnect

CWButtonl.Value = False

End Sub

Private Sub UserControl_Initialize（）

End Sub

End Sub

（4）编译成ActiveX控件。保存程序，编译ActiveX控件并命名。

（5）利用VBA建立网页。

制作好网页后，在服务器端配置好IIS，在运行客户端时输入服务器端地址，自动下载ActiveX控件。其客户端运行效果见图7。

3结语

当系统调试后进行大棚温室环境监测时，采集和传输的数据都能满足要求，表明该系统具有一定的实用价值，能带来一定效益。

参考文献：

[1]殷章桃，坎杂，江英兰，等. 基于虚拟仪器的加工番茄自动分选试验台输送系统[J]. 江苏农业科学，2013，41（3）：374-377.

[2]易驰，文小玲，李凤旭. 基于LabVIEW的温度压力采集系统的设计[J]. 微型机与应用，2013，32（17）：5-8.

[3]顾亚雄，朱翠英，许方华. 基于LabVIEW的单片机多路数据采集系统的设计[J]. 自动化技术与应用，2009，28（10）：46-48，60.

[4]徐子荔，陈明，钟周威. 基于DataSocket技术的大气数据网络化测控系统研究[J]. 计测技术，2006，26（1）：65-67.

[5]张新荣，张宇林，周红标，等. 基于电子鼻和LabVIEW的鱼类新鲜度检测系统开发[J]. 江苏农业科学，2012，40（2）：315-318.

[6]莫慧芳，饶明辉. 基于DataSocket技术的电机声频远程故障诊断系统[J]. 自动化与仪器仪表，2013（3）：175-176.

[7]Ren W，Ma Q，Lv J. Design on monitored control system of vessel dynamic cyclone oily water separator[J]. Advanced Materials Research，2013，614：608-612.

[8]张晟，董荣胜，冷文浩，等. 分布式数据采集系统的通信模型优化[J]. 计算机工程，2013，39（4）：276-279.

大棚分布式监测系统 篇4

目前, 我国北方的温室大棚, 温湿度监测仍采用人工定时查看温湿度表的落后方式。这种方式劳动强度大、监测效率低。也有部分大棚采用以单片机为核心的传统有线监测系统。这种系统由于受到布线限制, 具有一定的局限性, 且成本较高, 维护困难。笔者提出一种基于zigbee技术的无线温湿度传感器网络。该传感器网络以CC2530和DS18B20温度传感器为核心芯片, 采用传统的干湿球测量湿度方法, 并嵌入zigbee无线通信协议, 具有自组网、功耗低、寿命长等特点。

1 概要

Zigbee是一种近距离、低数据传输率、低功耗、低成本的无线半双工自组网技术, 使用ISM免费频段, 单个网络中最多可容纳65535个节点, 适合用于搭建对通信速率要求不高的无线传感器网络。zigbee网络节点可分为三种类型:网络协调器节点、路由节点和终端节点[2]。这三种节点类型都是网络层概念, 他们的部署决定了网络拓扑形式。不论zigbee网络采用何种拓扑方式, 网络中都需要有一个并且只能有一个网络协调器节点。

数字式温度传感器已经比较成熟, 如Dallas公司生产的DS18B20。湿度传感器常采用电容式湿度传感器, 目前比较有代表性的如德国Humirel公司生产的HS1101系列湿度传感器。然而, 电容式湿度传感器在结露情况下, 容易损坏。结露问题是由传感器材料和结构引起的, 目前还没有有效的解决方案。干湿球测量温湿度方法由于没有采用湿敏材料作为湿度测量的关键构建, 避免了结露所引起的问题。采用干湿球测量湿度, 当由空气传入纱布的传热速率等于纱布表面气化水分需要的传热速率时, 则两者达到平衡状态, 这时湿纱布中的水温即保持恒定, 称这恒定或平衡的温度为该空气的湿球温度。此时, 空气中的相对湿度可以由 (1) 式求出[3]。

式中, t为空气的温度, tw为湿球温度, P为当地大气压, A为风速的函数, Ew为湿球温度下的饱和水汽压, E为干球温度下的饱和水汽压。

2 系统设计

Zigbee支持树状网、星型网等多种网络拓扑结构。通常情况下, 星型网络拓扑结构已经可以覆盖整个蔬菜大棚。本系统采用星型拓扑结构, 由一台PC机、一个网络协调器和多个终端设备三部分组成。

终端设备与传感器集成在一起, 负责采集大棚内的温度和湿度, 将采集到的数据进行打包通过无线电的方式发送给网络协调器。网络协调器对接收到的信号首先进行解包, 然后, 通过RS232通信线缆传输给PC机。PC机上的管理软件对接收到的数据进行解析, 最终显示给用户。

3 软硬件设计

终端节点负责干球和湿球的温度采集, 将采集结果进行封包后发送给网络协调器。CC2530的P1_0引脚和P1_1引脚分别与两个DS18B20连接, 采用单总线串行通信协议, 分别测量测试干球温度和湿球温度。

系统启动后, 协调器首先选择网络所占用的频道, 然后开启网络, 等待终端设备的接入。终端设备启动后, 搜寻网络协调器所在的频道, 然后依次加入由网络协调器开启的网络。网络组建完毕, 终端节点每隔三秒钟, 采集一次各自的干球温度和湿球温度, 并将采集到的数据打包发送给网络协调器。网络协调器收到数据后, 解包然后通过RS232发送给PC机。最终PC机根据公式1计算当前的湿度, 并将计算结果显示给用户。

4 结论

基于zigbee的干湿球温湿度无线传感器网络有效解决了传统有线温湿度监测系统布线困难、成本高、网络节点数量少、不便于维护等问题。单个Zig Bee网络即可容纳65535个节点, 轻松实现大范围温湿度实时监测。采用干湿球测量湿度方法, 与电容式湿度传感器相比, 不受结露问题的影响, 测试数据更精确, 传感器寿命更长。

摘要：采用干湿球测量湿度方法, 嵌入zigbee无线通信协议, 以CC2530和DS18B20为核心, 设计了一款自组网、低成本的无线温湿度传感器系统, 用于温室大棚的环境监测。与电容式湿度传感器相比, 具有准确度高、线性度好和寿命长等特点。

关键词：zigbee,湿度,无线传感器网络,干湿球

参考文献

[1]陆楠, 郭勇.基于zigbee技术的无线大棚温湿监控系统[J].现代电子技术, 2008, 32 (15) :98-100.

[2]姚春.zigbee在大数量节点应用中的问题研究[J].嵌入式系统应用, 2009, 25 (1-2) :3-5.

大棚分布式监测系统 篇5

关键词蔬菜大棚；无线温度传感器；GSM；CC1110;CSMA/CD

中图分类号TP277 文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)081-0178-02

0引言

对于蔬菜大棚来说，棚内蔬菜的生长与温度息息相关，温度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，温度过高同样也会影响蔬菜的生长发育和产量，所以蔬菜大棚温度掌控至关重要。目前我国北方大部分农村地区有很多的蔬菜大棚规模种植区，这种农村种植区域一般都是以农户为单位组成的，每家农户一般有一个或多个蔬菜大棚，主要是通过在蔬菜大棚里安放水银温度计，靠人工观测温度，然后通过手动打开和关闭通风口調节棚内温度。虽然目前市场上有很多的蔬菜大棚温度控制系统，此类系统结构复杂，一般采用具有大功率的电加热装置或其他投资较大的设备。因此这类系统的安装和使用成本很高，一般的农户承担不起，故而极少使用。蔬菜大棚大都在村外的农田远离居住地，种植户由于某些原因不能实时在现场观测温度，致使棚里温度发生异常，没有来得及处理造成损失的情况经常发生。因此为了使农户在投资很小的情况下解决这一问题，本文采用无线单片机CC1110，利用现有的GSM网络，设计出了一套组网简单、安装使用成本极低的蔬菜大棚温度自动监测报警系统。

1系统总体方案设计

图1系统原理框图

系统的设计遵循两个主要原则：第一，系统成本要低，不会给农户造成负担；第二，安装使用简单，普通农户都能使用。因此系统设计由两个部分组成，即：无线温度传感器和中心管理基站（以下简称中心站）。无线温度传感器的功能是采集棚内温度，并把温度信息上传至中心站。无线温度传感器可以通过软件设置其自身编号，所属大棚的编号、所属中心站编号、无线工作频率以及无线发射功率。中心站的功能是接收无线温度传感器上传的温度数据并处理，定时把温度信息以GSM短消息的形式分别发送到对应农户手机中，若有温度异常则立即发送短信报警。中心站可以通过软件设置其自身编号，大棚编号对应农户手机号码、无线工作频率、报警温度。只要无线温度传感器所属中心站的编号和该中心站编号相同，该无线温度传感器的信息就会被中心站接收并处理，但无线温度传感器还要根据实际情况设置自身编号，及其所属大棚编号，以便中心站分类处理。不同大棚编号可以同时对应一个手机号码，也就是属于同一农户所有，这样多个用户可以共用一个中心站，进一步降低每户的使用成本。为了便于用户安装使用，无线温度传感器采用电池供电，并且具有电量监测功能，当电池电量低于设定值时可以短信通知农户，及时更换电池。中心站数据处理量大且任务较为繁重，故整体功耗较大，所以采用外接电源适配器供电。

系统的工作原理是：无线温度传感器根据需要分散安装在大棚内部，按照设定的时间间隔采集棚内的温度数据，并把温度数据通过无线方式上传至数据采集基站。基站根据约定协议对数据进行分类处理，定时把各农户大棚内的温度数据通过GSM网络以短信的形式分别发送至对应农户的手机中。若大棚内温度超过或低于设定温度，中心站则立即向农户手机发送温度数据进行报警，及时通知农户进行处理。

2系统硬件设计

CC1110是一种低成本的无线SOC，是专门为低功耗无线应用而设计的。该芯片包含了一个高性能和低功耗的8051微控制器；具有4KB的片内RAM；一个可工作315/433/868/915MHz的ISM（工业、科学、医学）和SDR（短距离设备）频率波段的RF无线收发机；在ISM频段可自由地设置为300~348MHz、391~464MHz、728~928MHz；硬件支持CSMA/CD；在休眠模式下，耗电仅0.5μA，外部中断和RTC能唤醒系统，在待机模式下电流低于0.3μA，外部中断能唤醒系统；2.0~3.6V的宽工作电压范围；具有电池监测功能；较少的外围电路。以上特点使其非常适合本应用。

无线温度传感器主要由无线单片机CC1110和温度传感芯片TC77构成，原理框图见图2。TC77是SPI串行接口的温度传感器，温度可以精确到±1℃，工作电流仅250μA，待机电流仅0.1μA，因此很适合电池供电的应用场合。TC77通过SPI接口与CC1110 连接，一个普通的SPI读数据程序，一次就可把温度数据全部读出来。

图2无线温度传感器原理框图

中心站由无线单片机CC1110和ZWG-01DP嵌入式GSM短信模块构成，该模块可以通过UART异步串口与CC1110连接，中心站原理框图如图3所示。

图3中心站原理框图

3系统软件设计

3.1无线数据通讯协议

无线模块的工作频率可以采用软件设置，可以根据实际需要为每个中心站及该中心站管理的无线温度传感器所组成的系统，设置在不同的频率工作。这样就可以采用频分复用方式，在一个区域容纳更多的温度监测系统。系统的无线通信波特率为9600bps，发射功率可通过软件设定，无线温度传感器发送数据帧格式见表1。数据帧第一个字节中心站ID 表示该无线温度传感器属于哪个中心站管理，只有ID号相同的中心站才会接收并处理该信息。第二字节是无线温度传感器所在大棚的编号，第三字节为温度传感器自身编号，以区别在同一个大棚被的传感器。温度高低字节为无线传感器采集的温度数据，其中温度高字节最高位bit7为“1”时，表示无线传感器电池的电压已低于警戒电压，通知用户及时更换电池。CRC8用于中心站检测接收到的数据帧是否正确，对则处理，错则丢弃。中心站ID、所属大棚编号、无线温度传感器ID、无线发射频率、无线发射功率可以用专门设置软件，通过电脑异步串行口（COM口）连接无线温度传感器预留的设置端口进行参数设置。无线温度传感器上的单片机将以上设置的信息存放在自身的EEPROM内。

3.2无线温度传感器软件设计

无线温度传感器软件设计时主要考虑两点：第一，要把功耗做到最低，延长电池使用寿命；第二，根据实际需要每个中心站要能同时管理最多256个无线温度传感器，因此在这种多点对单点无线通信系统中，要避免多个无线温度传感器同时发送数据时产生的相互干扰，即防止数据碰撞。本系统为解决这两个问题在软件设计时采用的方法是：利用无线单片机CC1110硬件支持CSMA/CD的功能解决数据碰撞问题，高低速时钟切换和工作模式与睡眠模式切换方式解决功耗问题。CSMA/CD即载波监听多路访问/冲突检测方法，是一种分布式介质访问控制协议。系统内的每个无线温度传感器在向中心站发送数据帧前都要进行载波监听，只有没有检测到载波存在，也就是没有其他无线温度传感器正在发送数据时，才能开始数据发送。如果监测到载波，则延时一个随机时间再重新监测载波，发送数据。发射时间间隔选择不能太短，太短功耗就会增加，也不能太长，太长系统实时性就会降低。根据本系统的特点，采用基本时间间隔为10s，延时时间单位0.02s，Timer1工作计数器模式，计数频率设为1/0.02=50Hz。通过程序生成0~1023范围内的随机数X，然后取X+10/0.02S,即：X+500。即Timer1计数到X+500时产生中断，设置完Timer1参数后，关闭所有不相关外设，入睡眠模式。只有Timer1在32.168KHz的频率下工作。Timer1计数完X+500脉冲后产生中断，唤醒单片机进入工作模式开始新一轮的数据传输。无线传感器参数设置采用上电检测设置开关状态，如果是高电平则进入参数设置状态，否则进入正常工作状态，程序主流程图见图4。

3.3中心站软件设计

中心站的主要任务是实时接收数据和处理数据，以及利用GSM网络向指定用户手机以短信的形式发送信息。中心站采用中断的方式接收数据，该中断的优先级设为最高，串行口中断服务程序只需将接收到的数据存放于接收数据缓冲区，并修改数据指针，不对数据进行处理。数据處理在主循环中执行，处理完的温度数据以大棚编号和棚内编号2维的形式分别存放存储器中。大棚编号也要与农户手机号码，形成一一对应关系。中心站参数的设置，同样采用上电检测设置开关状态，如果是高电平则进入参数设置状态，否则进入正常工作状态。

4结束语

本文提出了采用CC1110和基于GSM短消息的蔬菜大棚温度自动监测报警系统的设计方法。系统投资少、安装灵活、使用简单、运行成本低，非常适合广大农村以农户为单位的蔬菜大棚规模种植区使用。同时也可应用于其他一些需要进行远程分布式、多点温度自动监测报警的场合。

参考文献

[1]张玉峰,基于单片机的蔬菜大棚温度控系统制设计[J],农机化研究,2010(3):150-153.

[2]德州仪器.CC1110Fx / CC1111Fx Low-Power SoC(System-on-Chip) with MCU,Memory,Sub-1 GHz RF Transceiver, and USB Controller [DB/OL]. http://www.ti.com.2008.

[3]Microchip Technology Inc.TC77带SPI接口的温度传感器(DS20092A_CN)[EB/OL]. http://www.microchip.com.2008.

[4]广州致远电子有限公司.ZWG-03A智能短信收发设备产品用户手册[EB/OL]. http://www.zlgmcu.com.2008.

[5]求实科技.单片机控制技术与工程实践[M].北京:人民邮电出版社,2005,131,148.

[6]李文仲,段朝玉,等.CC1110/CC2510无线单片机和无线自组织网络入门与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008,203,210.

作者简介

张瑞娟（1981—），女，汉族，山东省聊城人，工学硕士，淮阴师范学院信息与计算科学系，讲师，主要从事信号信息处理方向的研究工作。

分布式脉冲监测系统 篇6

运载火箭时序系统在火箭飞行过程中按预先确定的时序和时间接通或断开相应电路的时间控制指令串, 指令串采用脉冲信号的形式发送到各个执行部件, 控制火箭飞行。

高精度分布式脉冲监测系统实时监测运载火箭时序系统在地面试验过程中发出的脉冲信号, 记录脉冲次数、到达时间、宽度和时序, 并与试验要求时序进行数据比对, 验证时序系统信号, 监测火箭时序控制部件。

1 系统设计

系统组成框图如图1所示。监测系统由测试电缆、测试设备和测试软件三部分组成。测试电缆即能适用实验环境, 也可适应发射场恶劣的工作环境, 电缆外层采用绝缘橡胶保护。测试设备采用定制CPCI机箱, 机箱中插入6块3U脉冲调理卡、1块脉冲采集卡、2块互为热备份的供电电源和1块面板LED信号灯。脉冲调理卡调理脉冲信号, 点亮对应的面板显示灯, 同时通过定制的CPCI背板传输到脉冲采集卡中;脉冲采集卡实时采集脉冲信号, 存储到板卡设计的FLASH存储器中, 可使用上位机软件事后导出, 同时脉冲采集卡通过485串口与上位机软件进行应答式通讯, 上传脉冲数据。面板LED信号灯采用面板贴膜的方式显示信号灯对应的物理含义, 不同的物理含义可通过更换贴膜实现更改。测试软件采用Labview平台开发设计, 软件采用配置文件配置试验标准信号时序, 同时使用表格和虚拟灯的形式显示脉冲信号试验数据, 虚拟灯与测试设备面板的信号灯一一对应。软件实时保存信号试验过程数据, 并可在事后回放试验数据, 与测试设备中存储的脉冲数据进行比对验证。

1.1 监测系统硬件设计

嵌入式测试设备采用4UCPCI架构, 对每块印制板采用六点定位并带锁紧装置和助拔装置, 方便调试和拆装。印制板采用标准3U高度设计, 为标准CPCI板卡尺寸。板卡插槽用于插入脉冲信号调理板卡、脉冲采集板卡和电源供电模块。脉冲采集板卡与电源板卡隔槽安装, 防止电源板卡干扰FPGA脉冲采集板卡正常工作。电源模块采用标准的250W RTX电源, 该电源模块使用CPCI总线, 有5V/33A、3.3V/33A、12V/6A和-12V/1.5A输出端口。根据电路中的功耗计算, 此类电源符合设备的一类降额标准, 并且对其冗余设计, 即用两个相同的电源并联输出, 即使一个电源发生故障, 设备也不会停止工作, 从而保证测试设备安全、可靠地工作。设备组成框图如图2所示。

每个嵌入式采集设备前面板上有LED信号显示灯和设备复位按钮, 复位按钮可复位面板灯显示状态。插槽中有6块板卡, 每块板卡可调理12路脉冲信号, 高端一点双线, 低端单点单线, 共72路。设备通电后, 上位机软件给各台嵌入式采集设备发送开始命令, 测试设备开始监测箭上信号并开始计时。当箭上时序系统发出脉冲信号, 嵌入式采集设备通过脉冲信号调理卡调理脉冲信号, 然后把信号发送到嵌入式采集设备前面板, 用LED灯显示, 并保持灯亮至复位按钮按下, 同时该信号被FPGA脉冲采集板卡实时采集调理信号, 存储在FPGA脉冲采集板卡的FRAM中, 当上位机软件发送数据提取命令, FPGA脉冲采集板卡上传脉冲信号数据给上位机软件。

脉冲调理板卡设计如图3所示。

脉宽Vin输入电压为25V~40V, 与Vref作比较, 低于10V脉冲信号不响应, 迟滞电压为1V, 比较器输出经后端磁耦隔离和电平转换, 送入FPGA采样脉冲采集板卡, 脉宽宽度小于60µs, 由FPGA脉冲采集板卡自动滤除。

FPGA脉冲调理板卡设计如图4所示。

FPGA脉冲采集板卡实时采样信号调理板卡输出的脉冲信号, 然后使用RS485串口向上位机 (测控显示计算机) 发送脉冲信号数据, 板卡中使用FLASH模块存储测试数据, 当设备意外断电后, 数据不会消失, 具有存储记忆功能。FLASH中实时存储脉冲时间、脉冲种类、脉冲次数、标识符等数据。板卡可接收上位机软件发送的“开始测试”、“停止测试”、“数据上传”、“复位”以及其他一些参数设备指令。当收到开始测试指令时, 板卡开始计时, 并对各个信号到达时间进行标记。当接收到复位指令时, 板卡复位RST信号, 经J1传送至CPCI背板, 在传至各个脉冲调理板卡, 清除RS触发器, 使RS触发器输出0。当接收到数据上传指令, 板卡通过RS485串口通讯向上位机发送脉冲信号数据。当收到停止测试时, 板卡结束计时, 清除所有临时缓存的测试数据。

1.2 监测系统软件设计

软件采用动态加载模块化的方式设计。试验现场安置1台用于连接监测系统嵌入式测试设备的PC机, 软件实现对各台测试设备的数据采集和数据回放。数据采集软件组成框图如图5所示。

采集软件为每台嵌入式采集设备分配一个副本模块, 该模块由数据采集线程、错误处理线程和数据存储线程组成。

错误处理线程实时监测各个线程运行过程中出现的各类错误, 使用状态机技术把错误处理过程分为错误捕捉、错误存储、错误恢复和错误查询[3]。其中错误恢复状态下, 把状态分为警告、一般、严重、紧急等多种级别来恢复应用程序到不同的等级下运行[4]。

数据采集设计流程框图如图6所示。

主程序运行后, 软件同步各级测试设备的起始计时, 然后软件开始接收各级测试数据, 解析测试数据, 在界面用表格方式显示测试数据。若用户点击停止按钮, 软件等待初始化完成后再停止测试, 关闭程序, 释放内存。若用户点击灯显示按钮, 界面进入模拟显示面板, 用户通过各级选择按钮, 显示各级显示情况, 此时, 程序同时也接收、解析各台嵌入式测试设备上传的测试数据。

数据存储软件设计流程框图如图7所示。

主程序初始化后, 自动建立以时间命名的数据表文件, 然后等待用户操作, 接收数据采集模块实时传输数据, 存取数据到文件指定的位置中。当用户点击停止按钮, 便保存数据, 调用文件关闭控件, 释放内存。

2 监测系统实现

2.1 监测系统软件界面

软件右侧顶端可以进行状态选择, 针对不同型号状态的火工品, 事先配置好各个节点的定义, 即每台火工品等效器72路监测点可配置相应的节点定义, 与前面板LED灯的定义一致。

当点击开始运行按钮后, 终端机向3台等效器发送“01开始监测”命令, 3台等效器收到命令后使能脉冲采样, 返回响应数据, 界面上3个指示灯亮起, 表示开始监测。

每台等效器有测试时间和运行时间, 测试时间是预先设置的, 不同型号状态的测试时间不同, 最长可设置72小时。运行时间即开始采样后的实际运行时间, 当运行时间等于测试时间, 表示一次正常测试完成, 系统自动停止监测。软件虚拟灯显示界面如图9所示。

2.2 数据回放界面

界面左侧列表为以往实验数据保存的文件格式, 选中相应数据文件读取, 实验数据会以真实实验情况回放数据, 以表格形式显示在右侧数据表中, 脉冲间隔、脉冲次数都会以实际的间隔显示, 即一次实验若是持续1小时, 数据回放完所有内容的时间也是1小时, 为了便于快速查询数据, 界面底部设置了回放速度调试旋钮, 最快可以10倍速回放一次实验数据。

3 结论

系统采用485通讯分布式部署嵌入式脉冲监测系统, 满足系统分布式测试需求, 各台嵌入式采集设备基于CPCI总线设计的分布式脉冲采集设备, 实现了对脉冲信号的宽度、上升沿到达时间、下降沿到达时间、脉冲次数等数据的实时监测和脉冲数据冗余备份。系统运行稳定、安全且可靠, 为火箭试验测试和事后数据分析、数据追溯提供依据和保障。

摘要：针对火箭脉冲信号通道多、宽度窄、时序复杂、精度高等特点, 本文设计了一套高精度分布式冗余脉冲监测系统。系统硬件采用CPCI结构脉冲调理板卡、脉冲采集板、冗余供电电源和脉冲信号显示灯组成。系统软件采用Labview平台开发, 实时监测脉冲信号, 显示脉冲宽度、脉冲次数、脉冲到达北京时间、脉冲到达相对时间, 以表格的形式显示脉冲信息, 以虚拟灯的形式显示脉冲时序并与系统硬件中的脉冲信号显示灯对应。系统试验完成后, 通过回放文件中保存的脉冲到达时序和硬件板卡中存放的脉冲试验信息验证查看试验效果。

关键词：分布式,冗余,高精度

参考文献

[1]陈树学, 刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社, 2011.

[2]杨高科.LabVIEW虚拟仪器项目开发与管理[M].北京:机械工业出版社, 2012.

[3]杨乐平, 李海涛, 赵勇, 等.LabVIEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社, 2001.

大棚分布式监测系统 篇7

随着无线传感网技术飞速发展的，一个棘手的问题：如何解决远距离监控目标的数据传输?正逐渐浮现出来。一个解决办法就是通过移动电话网进行数据传输。利用现有的移动电话网GSM或CDMA系统传诵检测数据和报警信息，其优势在于：

1)利用现有的移动电话公共网，不需要建自己的专用网，降低系统成本;

2)利用现有的移动电话公共网，提高了可靠性;

3)利用现有的移动电话公共网，通信距离几乎不受限制;

4)随着3G时代的到来，移动电话公共网的数据传输能力将大大提高，将更加有利于这方面的应用。

2 系统概述

“利用移动电话网的温室大棚大气状态实时监测系统”由一对适用于GSM网络的收发装置，一组处于远处的无线传感网及一台PC机组成。系统框图如下:

由上图可以看出系统的整体构架, 主要是通过各种类型的传感器完成对温度、湿度、大气压力、二氧化碳浓度的采集，并将其变化信号转换为电信号，通过单片机对传感器产生的信号进行模数转换，将转换所得数据和当时时刻一并记录在监测终端的存储器内，建立一个小型的温室大棚大气状态数据库，等待远程监控中心的查询命令或者设定好的数据发送时间中断的到来，将数据通过GSM网络发送出去。与此同时，在远程控制端，即PC终端上开发一套温室大棚大气状态统计处理系统，将接收到的数据，保存到数据库中，并将实时状态通过曲线形式表现出来，清晰明了的表达出各个大棚的大气状态，此外，PC上还配有标准数据库，供监控人员比较，并作出合理的决定。

本系统主要通过无线设备进行数据的传输和交换，这样可充分降低系统安装时的繁杂程度，由于GSM网络覆盖范围广，这就为远程数据传输和交换提供了条件。下面介绍系统主要部分技术实施路线和方案：

2.1监测终端

上面的功能框图表明，监测终端主要用于数据采集和发送，另外还可通过LCD显示屏显示温室的实时状态。根据需要采集的大气状态的不同，需选用不同的传感器，考虑到大气状态的变化速度比较慢，所以可选用低速的传感器和ad转换芯片。本系统中采用ATMEGA16L单片机，其片上集成A/D转换器，拥有SPI接口，大大提高了监测终端的板级集成度。

2.2 GSM收发装置

这部分分两种，一种有短距离无线通信模块的被安装于温室大棚附近，用于与单片机通信，另一种没有短距离无线通信模块的安装有串行通信模块，可以与PC机进行串行通信。GSM在本系统里作为单片机和PC机之间的通信媒介，具有稳定，成熟，方便的特点，能很好的实现远程通讯。为了获得更高的稳定性，本系统采用BENQGSM/GPRS无线模块。具体可分为M20, M22, M22A, M32, M32A等型号，M20只支持GSM功能，而M22, M22A, M32, M32A则支持GSM/GPRS功能，其中M22, M22A支持GPRS CLASS4, M22内置了嵌入式TCP/IP，可以支持数据业务的透明和非透明传输，M22A没有内置嵌入式的TCP/IP;M32, M32A支持GPRS CLASS 10，现在都提供了嵌入式TCP/IP功能。考虑到日后系统升级，本系统选择了M22。目前，考虑到信息量的大小和实时性的要求，本系统是采用SMS方式在GSM收发设备之间进行数据传输。

2.3 无线传感网

无线传感网由多个监测终端联网组成。监测终端通过短距离无线通信模块相互联网。本系统采用“单片无线收发器nRF905”构成短距离无线通信模块。nRF905单片无线收发器工作在433/868/915MHZ的ISM频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成。可以自动产生前导码和CRC。可以很容易通过SPI接口进行编程配置。电流消耗很低，在发射功率为-10dBm时，发射电流为11m A，接收电流为12.5m A。进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。在一般情况下每个nRF905单片无线收发器均处于接收状态，当GSM收发设备需要数据时，则由与这个GSM收发设备相连的nRF905单片无线收发器发出请求，监测终端上的nRF905单片无线收发器接收到请求后，将数据打包发送给GSM收发设备，然后GSM收发设备发起对下一个监测终端的询问。最后，GSM收发设备将所有数据打包，发送给处于远端的PC机，做进一步分析。

3 总结

本文设计的系统，通过移动电话网，将远端的传感器网络与PC机联网，扩大了监测距离及范围，而无需架设电缆，降低了系统的成本。特别适用于监测对象在偏远地区，不适合工作人员长期值守但有移动电话网络覆盖的情况。

摘要：随着无线传感网技术飞速发展的, 一个棘手的问题:如何解决远距离监控目标的数据传输, 正逐渐浮现出来。一个解决办法就是通过移动电话网进行数据传输。利用现有的移动电话网GSM或CDMA系统传诵检测数据和报警信息。

关键词：无线传感网,移动电话网,GSM收发装置

参考文献

[1]BenQ M22GSM/GPRS WirelessModule AT Command List.pdf

大棚分布式监测系统 篇8

1 环境监测系统总体设计方案

1.1 温室环境概述

温室环境就是为大棚中种植的农作物提供合适的温度、湿度以及光照条件, 促进植物的生长, 便于对农作物的管理。日光温室在北方较常见, 温室的环境需要具体情况具体分析。在种植蔬菜时, 不同种类的蔬菜适宜的温湿度也存在差异, 但是温度基本保持在20-30摄氏度, 湿度保持在70-90%。通过对温湿度的调节, 从而为农作物生长提供更加适宜的环境。

1.2 Zigbee技术概述

Zigbee是实现短距离, 进行无线传播的技术。2002年是Zigbee技术发展的关键年, 英维斯、三菱电器、飞利浦相继加入Zigbee组织中, 大大促进了技术的推广。Zigbee技术被广泛应用在小区安防、物流、智能玩具、农业等领域。Zigbee技术凭借其低能耗、低成本、多样性、安全可靠等诸多优势, 备受青睐。

1.3 环境监测系统结构设计

环境监测系统分为无线传感器网络和监测平台。无线传感器网络由Zigbee终端节点、Zigbee路由器节点、Zigbee协调器节点构成。监测平台负责对温湿度的信息进行接收和处理。在对环境监测系统的结构进行设计时, 需要用到光照度传感器、温湿度传感器、二氧化碳气体传感器来采集大棚环境的相关数据。通过对数据的处理, Zigbee网路技术会将处理的信息传送到协调器节点上。通过RS485总线, Zigbee会将数据发送到上位机中, 通过其对系统的监控, 显示收集到的环境参数, 进而保存起来方便今后的查询。

2 环境监测系统硬件设计

系统的硬件设计包括数据采集和数据传输。数据采集就是对环境的各项参数进行测量与计算。将收集到的参数变化转化为电信号进而传给单片机进行信号处理。数据传输是通过无线连接各个数据, 作为监控的依据。控制器和无线收发是Zigbee节点硬件的基本组成。

2.1 温湿度测量的电路设计

信号只有通过转换, 才能对传感器的数据进行利用。微弱的信号通过放大, 通过将信号转换为数字量, 进而将数据传送给微处理器。这样的电路耗费了大量的人力、物力和财力, 准确度无法保证, 但是数字集成的温湿度传感器则不会出现类似的问题。他对温度和湿度进行测定时, 随之产生了数字信号, 方便对大棚环境的监测。数字集成的温湿度传感器采用了数字模块采集技术和温湿度传感技术。其中的传感器有较高的校准系数。

2.2 光照度传感器设计

光照度传感器既可以选择光敏电阻又可以选择硅光电池进行光照的采集。光敏电阻会随着光照的变化出现明显的变化。在较黑的情况下, 阻值在1-10欧姆范围内变化, 在阳光强烈的情况下, 阻值会达到几千。光敏电阻会对波长在0.4-0.7微米的可见光产生反应。硅光电池是由一种能将光信号转为电信号的半导体材料构成的。硅光电池由一个很大的pn结构成。在pn结的作用下, 硅光电池产生较大的电流和电势。将接触二极管的点密封起来, 与电流表相连, 在阳光的作用下, 电流表的指针发生变化, 这就说明, 在整个闭合电路中有电流流过。

温室大棚环境监测系统设计中, 传感器选用的是硅光电池。在不同的光照下, 电路中的电压和电流不同, 但是电压、电流与光照强度并不是正比例关系, 在光照强度到达2000时, 电压和电流不再发生变化。电阻值越小, 线性关系越明显, 因此通常选用较小的负载对光强度的变化进行检测。在这次的系统设计中, 选择30欧姆的负载电阻。

2.3 二氧化碳传感器电路设计

通过红外线对二氧化碳的浓度进行测量, 这是当前运用最多的方法。当红外线照射到充满二氧化碳的探测器内, 容器内的滤光片仅容许4.26微米波长的红外线穿过。二氧化碳的浓度越高, 吸收特定波长的红外光也就越多。

在温室大棚环境监测系统的设计中, 采用COZIR-P型低能耗探头式红外二氧化碳传感器, 此传感器便于供电、携带。

2.4 数据传输模块电路设计

Zigbee传感器的种类有很多, 但常用的是TI的CC2530、FREESCALE的MX1321X。CC2530的芯片是增强型单片机, 降低了系统开发的难度。温室大棚环境监测系统Zigbee传输模块中采用的就是CC2530。

3 环境监测系统软件设计

为了对传输的数据进行加工整理, 则还需要安装监控软件, 本文主要通过介绍上位机监控对环境监测系统的软件设计进行介绍。软件总体可以分为六个模块, 分别是系统起始界面、实时数据显示、报警参数设置、历史曲线查询、串口参数设置以及使用帮助。各个模块都需要数据库提供有关的信息。

3.1 起始界面设计

软件打开后进入到起始界面中, 在起始页面可以通向各个模块, 点击相应的模块进入便可以执行相应的程序。

3.2 实时数据显示界面设计

在实时数据显示界面中, 能查询到各个节点的参数值, 同时查看风机、遮阳网、补光灯以及天窗的工作状态, 监测节点数据是否超标。

通过Datagrid控件进行原始数据设置, 通过表格对结果进行公示。在使用Datagrid之前, 如果对其属性进行设置, 控件就会被数据自动填好。在此过程中, 控件显示监测的新数据, 历史数据便会自动进入到数据库中。对各个部件进行启动或者暂停, 都是通过picture控件进行的。通过显示当下状态, 将命令传送给显示器, 显示器在将数据传送到无线继电器节点上。当数据或者某个节点出现问题时, 警报显示器便会发出声音, 提醒相关工作人员对问题进行解决。

3.3 报警参数设置设计

相关工作人员会从农作物的实际需要出发, 在温室大棚内设置好植物生长所需要的各项参数。一旦超过参数范围, 警报器便会想起, 提醒工作人员将问题解决掉。

3.4 历史曲线查询设计

在对历史曲线查询设计时, 应提前设计好查询的节点以及查询的时间范围。单击查询按钮之后, 界面上便会显示出你所需要的信息, picture控件会自动画出有关温度、湿度、光照强度以及二氧化碳浓度的有关图。常用的方法是Scale和Line。Scale通过重新构建坐标, 进而分析选择出合适的坐标。Line就是通过直线、矩形来绘制图形。大棚的工作人员通过对图形的分析, 了解到温室中各项条件的变化, 从而对农作物进行全面评价。

3.5 串口参数设置

通过使用485信号将信息传递出去, 此时, 485信号会在转换器的作用下变为232信号。在此系统中选择MSComm (Microsoft Communications Control) 实现对数据的处理。在使用MSComm控件时, 应在窗口处将其添加进来。MSComm对串口的操作方法有两种, 分别是事件驱动法和查询法。Comm Port、Settings、Port0pen、Input、0utput是MSComm控件的基本属性。只有对MSComm的属性有较为清楚的认识, 才能实现数据的有效处理。

4 小结

在温室大棚环境监测系统设计过程中引入Zigbee无线网络技术, 改变了传统监测的模式。Zigbee技术以其低价格、低能耗等优势广泛应用在港口、机场等场合。我们应当充分认识到Zigbee技术的时代发展必然性, 在农业中大力推广此项无线网络技术, 通过对大棚环境的监测, 为农作物提供适宜的生存环境, 进一步推动农业的发展。

参考文献

[1]蔡长青.Zigbee技术在吉林省农业温室大棚发展中的重要作用[J].黑龙江科技信息, 2014, 10 (34) :16-17.

[2]曹凤才.基于Zigbee技术的温室大棚控制系统设置[J].山西电子技术, 2015, 11 (05) :12-13.

分布式异常流量监测系统的设计 篇9

随着互联网的广泛普及,网络管理的核心任务从用量管理转向安全管理。随着网络规模的扩大,各种网络攻击造成的损失也随之加大,网络攻击的手法也不断更新,因此网络安全日益成为人们普遍关注的焦点。

由于网络攻击越来越隐蔽,攻击的发起时刻到造成严重后果的时间间隔越来越短,因此以往的攻击侦测手段已经不适应当前网络安全管理中对网络攻击要“及时发现,快速定位,立即防范”的要求。用统计的方法,可以在短时间内对大量数据进行处理,通过统计结果,可以及时准确地发现网络攻击,为准确定位和实施防范赢得了宝贵的时间。网络安全管理有个原则,侦测点离攻击的源头越近,侦测的效率越高。因此,“从源头阻断攻击”的方法成为防范攻击的最新理念;尤其是在对付分布式攻击的时候,分布实施阻断是最有效的手段。

本文设计是一套专门面向骨干网的DoS/DDoS及异常流量监测的分布式分析系统。它采用NetFlow协议技术,通过统计流(Flow)数据及计算统计结果的变化趋势并结合各种判断规则(Rules),来判断网络是否存在异常,并根据异常流量确定攻击的来源,进而自动生成ACL、带宽限制或其他相关的安全配置建议,经确认后嵌入当前的配置文件,再手工确认对配置文件的更新,从而完成对网络攻击的阻断。由于流数据的采集和防范措施是分布在接入层完成的,最大限度地靠近攻击的源头,因此也是最有效率的。

1 系统设计

1.1 系统结构和主要功能

(1)系统结构

该系统是基于分析Netflow数据,通过特征模式匹配和与正常流量基线比较,来分析和判断网络的异常情况,并通过建立安全策略库,提出安全建议,实现对异常情况的处理,达到对IP网络的有效闭环管理。系统结构如图1所示。

(2)系统的主要功能

1)流量监视可以实时报告网络的流量、异常应用和异常流量,包括病毒和事实上的攻击。

2)流量统计以生成不同节点(这个节点是个逻辑上的概念,可以是一个IP地址、IP地址段、端口、AS等)之间的流量矩阵,呈现流量事实,展现关键指标,洞察网络流量全局。

3)趋势分析可以发现流量测度的变化,预测网络流量和设备的承受力,合理规划、建设网络。

4)流量关联可以找出应用、设备、用户等彼此间的影响和问题的根源,优化网络资源。

5)闭环处理建立安全策略库,通过流量关联,自动下发安全策略或提出安全建议,作到对异常流量的闭环处理。

(3)系统部署

从三个层面进行部署和系统分析:

1)第一层是位于网络接入层,主要进行采集参数的设定和管理,将采集到的原始流数据进行解码和归一整理,形成文本格式的流文件,传送到第二层服务器上。

2)第二层是位于网络的分布层,接受来自第一层服务器的流数据文件,进行分析计算,并进行异常流量报告和局部的事件关联分析,生成流量和入侵报告。

3)第三层是位于网络的核心层,接受汇总报表,进行进一步的异常流量和事件关联分析,生成流量和入侵报告,进行全局参数的管理,发放安全策略,同步控制、更新路由器的配置文件。

1.2 异常流量的判断方法

我们采用如下的方法来分析判断异常流量。

(1) Top N:取flow记录中排名前N位

1) TopN session:单个主机对单个或多个目标主机发出超出正常数量的连接请求,可能原因:大规模蠕虫爆发、DoS/DDoS攻击、网络滥用。

2) TopN transfer data amount:在一个时间段内,在两个网络主机间、或单个主机对个目标主机间持续产生了大量数据,可能原因:蠕虫、DoS/DDoS。

(2)模式匹配:每一种攻击通常都有特定的模式,比如说我们可以采用端口和地址匹配去判断攻击

1)端口匹配:Sql alammer的攻击是针对UDP端口1434端口的,那么管理员就可以过滤出目的端口地址等于1434。

2)地址匹配:W32/Netsky.c蠕虫发作时会向如下DNS主机发出解析请求:145.253.2.171,151.189.13.35,193.141.40.42,193.189.244.205,193.193.144.12,等等。

(3) TCP标志位

对于正常连接的TCP来说,TCP标志位是不单一的。例如,ACK/SYN/FIN可以通过检测大量的单一TCP SYN标志位记录,通过检查最为活跃的目标端口,进行行为判断。

(4)异常基线流量模型

基线是根据历史流量模式描述“正常”网络活动的模型,所有不符合已建立的流量模式中的流量将被认为是不正常的。通过这种方法,可以将注意力放到那些超过阈值的流记录。经过应用Neflow检测一段时间的网络流量,建立起一个基于时间的正常流量模型,该模型对监测网络的各个时间段的各种协议流量建立一个动态的流量基线,当某个时段,某个协议量与当前基线不符时,可以判断网络流量中出现异常情况。

1.3 基线的建立方法

(1)流量模型的设计

将空间维度、时间维度、协议维度和端口(类型)维度,以及表现网络流量特征的测度即流数、包数、字节数、到达率、持续时间、占比以及阈值和告警次数等,全面地综合在一起,通过可定义的参数,向用户提供满足需求的流量报告,真正地满足大型企业和电信级IP网络流量分析的需要。

1)空间维度按照Unit定义地址区域,这些Unit可以是一个IP地址、IP地址段、一个由若干IP地址定义的POP点、网吧、城市、省等。另外,对数据源(数据采集的位置)以路由器或交换机的地址并结合设备物理端口进行定义。

2)端口维度TCP、UDP端口和ICMP类型,也构成维度(当然,也可以按照协议+端口形成应用维度)。

3)流量测度合计流量、包大小、密度和持续时间、TCP-Flag、占比等。

4)时间维度按照可定义的时间粒度(5/10/15/…分钟),定义时、日、周、月、年。

5)协议维度TCP、UDP、ICMP等,定义协议的维度。

按照上述的维度和测度可定义成“流量立方”,逻辑上讲类似于数据仓库,基本涵盖了流量分析的全部可能指标、地址和时间的组合,剩下的工作就是按照对流量统计的业务需求,可进行灵活的定制。

(2)基线的计算方法

1)固定基线固定基线是一条水平直线,通常是根据经验或是实验测量的结果得来。例如ICMP请求响应比(ICMP Req/Rsp)在正常情况下大约为10:1。有ICMP攻击的时候会远远高于这个值。

2)动态周期性基线周期性基线通常是根据历史数据计算得到的,通常是一个单周期数据轮廓线。这条曲线由若干数据轮廓点组成。每个轮廓点代表一个采样时点。例如,假设基线周期为24小时,采样时点间隔为5分钟,则轮廓线由288个轮廓点组成。第N个轮廓点的值都是由一组同为第N个采样时点的实际测量值(历史数据)计算得来的。一个新的实际测量值如果没有超过基线范围,则取代那组历史数据中最陈旧的一个,用来计算新的轮廓值。如果一个新的测量值超过基线范围,则被丢弃,不参与新轮廓值的计算。如此循环往复,基线则始终保持在动态的变化。计算轮廓点的具体方法有很多,最常用的有三种:算术平均、加权平均、置信区间。为了增加基线的准确性,还可以多采用一些历史数据,并采用混合算法。也就是在历史数据学习期的前段采用算术平均,生成初步的基线。然后继续积累历史数据,对所有这些更多的历史数据采用加权平均和置信区间算法。这样既满足了实际应用系统对缩短学习期的要求,又兼顾了基线计算准确性的要求。

1.4 异常告警的闭环处理方法

系统中,一个异常告警发生的过程如下:

第一步:根据所定义的基线空间,统计和汇总流量,分析指标。

第二步:比较基线和统计分析结果。

第三步:根据门限值,决定是否告警以及告警的级别。我们可以按照以下两个方面设置门限值:一是特定的异常流量现象和产生地点,二是异常流量的“度”:超过门限定义的量值(程度,>10%,50%,…)、持续的时间(强度或者变化率)。

第四步:受影响相关联设备性能分析和受影响的程度关联分析:CPU/Mem./Link的利用率关联分析、响应时间/延迟时间等的关联分析。

第五步:在已探明的异常流量发生地,生成ACL、Rate Limit等安全配置命令建议,经网络管理人员或者网络安全管理人员确认后,对发生异常流量的设备进行相关的安全配置。

第六步:持续观察设置命令后的流量情况,观察流量的异常变化情况,修正、建立与事件关联的配置知识库。

2 结论

该系统很好地归纳了流量的特征并加以规则化,所以算法更高效。经实验表明,即使在PC/Linux服务器上,其对流量立方的综合统计速度最低也可达200万流记录/分钟,完全可以满足骨干网络的监测要求。

参考文献

[1]邹柏贤．一种网络异常实时检测方法[J]．计算机学报，2003：26 (8)：940-947．

[2]黄艳，李家滨．基于NetFlow的网络入侵检测系统[J]．计算机应用及软件，2006，23(6)：85-86．

[3]程光，龚俭，丁伟．基于抽样测量的高速网络实时异常检测模型[J]．软件学报，2003，14(3)：594-599．

[4]龚俭，陆晟，王倩．计算机网络安全导论[M]．南京：东南大学出版社，2000：203-236．

煤岩应力分布式监测系统设计 篇10

煤岩应力是指在地下采掘活动影响下,原有的地应力平衡被打破,并在煤岩空间重新分布后的次生应力。当重新分布的应力超过煤岩体的极限强度时,会使采掘工作面周围的煤岩体发生破坏,进而诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害[1,2]。实时监测采动过程中煤岩应力的动态变化对于研究煤岩动力灾害机理、预防灾害发生及顶板控制具有重要意义。

现有的煤岩 应力监测 包括在线 式和离线 式2种。在线式监测基本采用钻孔应力计、分站与有线传输网络的结构,建设成本高,线缆错综复杂、易被损坏、延伸拓展较困难,尤其在井下工作面经常搬迁、有线传输网络未及时覆盖条件下,在线式监测很难实现快速、及时部署。离线式监测使用自计式仪器,由工人定时到井下采集数据,数据的实时性与连续性较差,后期数据分析与处理滞后,不能及时发现问题。目前,集成智能传感器、嵌入式系统、无线通信等的物联网技术广泛应用于矿山领域,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)作为重要的感知手 段,具有自组 网、部署灵活、功耗低等 特点[3,4,5]。本文基于WSN架构,采用ZigBee网络,以CC2530芯片为核心,设计了一种煤岩应力分布式监测系统,该系统可准确、实时地显示煤岩应力变化,为预测、预防冲击地压等煤岩动力灾害提供重要的数据支持。

1系统硬件设计

煤岩应力分布式监测系统主要由传感节点、路由节点、汇聚节点及上位机组成,如图1所示。传感节点采集钻孔煤岩应力并传送至路由节点,路由节点将数据通过多跳的方式传至汇聚节点,汇聚节点通过工业以太网将数据传送给上位机,通过上位机的人机交互界面读取煤岩应力监测数据。

1.1传感节点

传感节点主要包括应变式应力传感器、信号调理电路、CC2530射频模块、电压转换电路、电池电量监测及状态指示灯,如图2所示。应变式应力传感器将采集的应力信号转换为电压信号,经信号调理电路放大后送至CC2530射频模块,CC2530射频模块将应力数据及电池电量等信息打包发送给路由节点。考虑到功耗问题,采用3个LED指示灯分别表示工作状态、缺电报警及阈值超限报警,方便井下工作人员观察。

传感节点采用容量为5A·h的3.2V磷酸铁锂电池供电,经电压转换电路转换为3.3V电压。 考虑到硬件设计要求电源具有功耗低、稳压、纹波小等特点,电压转换电路采用TPS79433芯片,其输入电压范围2.7~5.5V,输出3.3V电压时的转换效率达80%。

应变式应力传感器采用弹性钢,可承受较大应力。在传感器中间两侧可发生形 变位置粘贴应变片,组成全桥电路,当传感器受力后弹性钢 发生形变,导致两侧的应变片形变,从而全桥电路失去平 衡,输出与应力成正比的电压信号[6]。全桥电路采用2个半桥应 变片,电阻为350 Ω,灵敏系数 为2.0±1%。受生产工艺等因素影响,应变片阻值不可能完全相等,存在少许偏差,使得传感器未受力时全桥电路输出不为零,因此,采用滑动变阻器设置调零电路,通过调节 滑动变阻 器的阻值 使电桥趋 于平衡。

煤岩应力引起的应变片形变较小,使得输出电压为毫伏级(实测为0~4mV),需通过信号调理电路放大至CC2530可采集的0~3.3V。采用具有高精度(最大非线性度40×10-6)、低失调电压(最大失调电压50μV)和低功耗 (最大工作 电流仅1.3mA)等特点的AD620放大器[7],仅需1个外部电阻即可设置增益,增益范围可达1~1 000。

1.2路由节点

路由节点的主要作用是寻找最佳路径将传感节点发来的数据转发给汇聚节点,同时接收汇聚节点发送的上位机指令并转发给传感节点。在网络中添加路由节点可有效扩大网络覆盖范围。另外,路由节点能够自愈ZigBee网络,如果某个无线连接断开,路由节点能自动寻找新的路径来避开断开的网络连接,极大提高了网络的可靠性。

路由节点通常需要一直处于活动状态,必须使用主电源供电,但考虑到突发紧急状况时主电源不能及时供电,因此设计了2种供电方式。路由节点结构如图3所示。隔爆兼本质安全型电源输出电压为12V,电压转换电路采用K78L03-500R2高效率稳压器将12V转换为3.3V,转换效率可达90%。

1.3汇聚节点

汇聚节点负责启动和配置整个ZigBee网络,连接ZigBee网络与工业以太网,实现ZigBee协议和以太网协议之间的转换,同时具有存储、转发能力, 将接收的数据转发至上位机,并将上位机指令通过ZigBee网络发送至路由节点。汇聚节点结构如图4所示。

2系统软件设计

煤岩应力分布式监测系统软件包括嵌入式软件和上位机管理软件2部分。

嵌入式软件包括传感节点、路由节点和汇聚节点程序,实现数据实时采集和定时发送、电池电量监测、协议转换等功能,采用的集成开发环境为IAR Embedded Workbench for MCS,在ZigBee协议栈Z-Stack的基础上进行开发,开发语言为C语言。 汇聚节点程序流程如图5所示。

上位机管理软件功能包括实时显示与存储传感节点发送的应力监测数据、超阈值报警以及历史数据查询。上位机通过UDP Socket通信方式接收汇聚节点发送的数据,根据数据类型分别进行数据包解析,将数据存储到数据库中,并在上位机界面显示。在Visual Studio 2008.NET编程环境中使用C#语言编程,完成上位机管理软件的开发,数据库采用SQL Server 2005。 上位机管 理软件流 程如图6所示。

3系统测试

3.1试验结果

采用MTS液压伺服万能试验机作为应力源, 对应力传感器施加0~20 MPa应力,试验机加压过程采用 计算机编 程控制,设定应力 调整步长 为2 MPa,使应力递增至最大,每调整1步后设置5s的停留时间,记录试验机和上 位机显示的应力,见表1。

由表1可知,上位机显示的应力和试验机的标准应力之间误差较小,平均误差为0.481 3 MPa,表明系统可以准确监测煤岩应力的变化。

MPa

3.2现场测试

在兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿北辅运输巷道壁上的钻孔处安装应变式应力传感器,传感器安装至钻孔底部,周围用泥沙灌注并固定,保证传感器与岩层充分接触。汇聚节点接入井下环网,传感节点与汇聚节点单跳传输。系统上电后,打开上位机软件界面,系统能正常接收煤岩应力数据,如图7所示。经测试,汇聚节点和传感节点间最大通信距离为50m时系统能正常接收数据。

4结语