許培培， 萬(wàn)雪芬， 楊 義， 韓 芳， 蔣學(xué)芹， 戶晨飛,

(1東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2 華北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河北 廊坊 065201)

用于觀光農(nóng)業(yè)的混合型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

許培培1， 萬(wàn)雪芬2， 楊 義1， 韓 芳1， 蔣學(xué)芹1， 戶晨飛1,2

(1東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2 華北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河北 廊坊 065201)

【目的】設(shè)計(jì)用于觀光農(nóng)業(yè)中游客服務(wù)與田間種植管理通用的混合型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)?！痉椒ā吭O(shè)計(jì)該節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)及基于Android系統(tǒng)的移動(dòng)智能設(shè)備APP；利用ZigBee與上位機(jī)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)種植環(huán)境監(jiān)測(cè)和設(shè)備控制?！窘Y(jié)果】支持用戶使用基于近場(chǎng)通信和藍(lán)牙技術(shù)的節(jié)點(diǎn)田間快速接入功能，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備為游客和種植管理者提供園內(nèi)位置定位、種植信息查看、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)等服務(wù)?！窘Y(jié)論】該混合型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用靈活、方便、快捷、功能擴(kuò)展性好，可為觀光農(nóng)業(yè)提供較為靈活的多業(yè)務(wù)工程化支持。

觀光農(nóng)業(yè)； 移動(dòng)智能設(shè)備； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 近場(chǎng)通信； 藍(lán)牙技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是智能農(nóng)業(yè)的重要支撐手段[1-2]，近年來(lái)已在農(nóng)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有布設(shè)方便、使用靈活、規(guī)模伸縮性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。利用基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，有助于產(chǎn)生規(guī)?；б鎇8-9]。但是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于對(duì)具體種植參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及農(nóng)業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制[10-12]，結(jié)構(gòu)也多基于節(jié)點(diǎn)-上位機(jī)模式[13-15]。而移動(dòng)智能設(shè)備的蓬勃發(fā)展有望為該領(lǐng)域帶來(lái)新的變革。首先移動(dòng)設(shè)備在農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，有望將傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)即“節(jié)點(diǎn)-上位機(jī)監(jiān)測(cè)控制”模式變?yōu)椤爸行?現(xiàn)場(chǎng)有機(jī)結(jié)合”的監(jiān)控方式。系統(tǒng)使用者不僅可以使用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的控制功能，而且能夠利用移動(dòng)設(shè)備通過(guò)附近的某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行田間接入，進(jìn)而通過(guò)該節(jié)點(diǎn)獲得局部的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或?qū)Ω浇脑O(shè)備進(jìn)行直接控制,由此增加使用的靈活性和實(shí)效性。另外通過(guò)移動(dòng)設(shè)備的引入，可以進(jìn)一步豐富農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的附加功能。

本文提出了一種可用于觀光農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，該節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植信息監(jiān)測(cè)與控制，并能夠供移動(dòng)設(shè)備接入；其通過(guò)ZigBee與上位機(jī)交互，且可結(jié)合基于Android的APP通過(guò)近場(chǎng)通信(Near field communication，NFC)及藍(lán)牙技術(shù)連接移動(dòng)智能設(shè)備提供田間種植服務(wù)與觀光服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)種植者及游客的多種業(yè)務(wù)支持。

1 節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)中需兼顧游覽觀光、遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)控制和田間接入的需求。節(jié)點(diǎn)在沒有外部移動(dòng)設(shè)備接入時(shí)為常規(guī)工作模式。在這種模式下，節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee通信模塊接收由上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令，并根據(jù)具體指令執(zhí)行數(shù)據(jù)收集與設(shè)備控制。節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)收集指令后讀取其上所接傳感器的數(shù)據(jù)及在該輪詢周期內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備接入次數(shù)，并將數(shù)據(jù)按照原路徑通過(guò)ZigBee發(fā)往上位機(jī)。在設(shè)備控制指令下，節(jié)點(diǎn)通過(guò)PWM輸出或邏輯輸出控制外圍設(shè)備，并監(jiān)測(cè)設(shè)備參數(shù)，其后將控制結(jié)果發(fā)回上位機(jī)。

支持田間移動(dòng)設(shè)備接入為節(jié)點(diǎn)的重要功能。為方便移動(dòng)設(shè)備快速接入節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)上使用融合NFC和藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)NFC標(biāo)簽中含有節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、節(jié)點(diǎn)周圍種植環(huán)境、藍(lán)牙設(shè)備等信息供移動(dòng)設(shè)備讀取。移動(dòng)設(shè)備使用者先將手機(jī)靠近NFC標(biāo)簽，通過(guò)對(duì)應(yīng)的APP讀取節(jié)點(diǎn)NFC標(biāo)簽中信息，之后將NFC標(biāo)簽中編碼規(guī)格化的信息通過(guò)查閱APP的內(nèi)建數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)化為具體的種植數(shù)據(jù)及設(shè)備參數(shù)。移動(dòng)設(shè)備還根據(jù)設(shè)備參數(shù)自動(dòng)獲得認(rèn)證從而快速連接節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)速連接入。連接后即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)查看及節(jié)點(diǎn)外部機(jī)電設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制。使用該方案不僅方便快捷，而且在人流密度較大的觀光場(chǎng)所中利用NFC覆蓋范圍小(<10 cm)的特性能有效避免藍(lán)牙多接入出現(xiàn)的沖突。節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的APP分為田間管理者APP和面向游客的APP，兩者都可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)NFC標(biāo)簽中的信息進(jìn)行觀光園內(nèi)位置定位、作物種植信息查詢等，但兩者區(qū)別在于僅田間管理者APP可進(jìn)行設(shè)備控制及對(duì)NFC標(biāo)簽信息進(jìn)行維護(hù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of system structure

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)不僅需要滿足系統(tǒng)的功能需求，而且還要盡可能地符合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好的要求。在設(shè)計(jì)中選擇微芯公司出品、采用nanoWatt XLP 技術(shù)的PIC16(L)F1947微控制器作為節(jié)點(diǎn)的MCU。在PIC16(L)F1947的USART1接口上使用RSM485連接各RS-485設(shè)備，在其USART2接口上連接串口設(shè)備。節(jié)點(diǎn)中還使用PIC16(L)F1947的內(nèi)部溫度傳感器對(duì)系統(tǒng)核心板電路部分的工作溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由此避免異常的環(huán)境溫度惡化對(duì)系統(tǒng)造成的損害。

在對(duì)土壤參數(shù)的測(cè)量中，采用RS-485接口的Hydra II土壤傳感器，通過(guò)其可獲得土壤體積含水量、土壤電導(dǎo)率和土壤溫度等參數(shù)。日光輻照數(shù)據(jù)通過(guò)Davis公司出品的6450日光輻照傳感器采集，該傳感器依照每1.67 mV的電壓輸出對(duì)應(yīng)1 W·m-2日光輻照的比例關(guān)系將日光輻照數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電壓輸出以供PIC16(L)F1947進(jìn)行A/D采集。環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)與灌溉水路溫度分別由AM2306和鎧裝DS18B20采集。兩者都通過(guò)1-Wire接口與PIC16(L)F1947連接。節(jié)點(diǎn)也可通過(guò)RS-485總線連入SM5386B風(fēng)速傳感器與SM5387B風(fēng)向傳感器，由此獲得風(fēng)速/風(fēng)向數(shù)據(jù)。為了使節(jié)點(diǎn)功能與成本具有一定的彈性，上述傳感器都可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選配增減。用戶只需簡(jiǎn)單地設(shè)定節(jié)點(diǎn)上的撥碼開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)傳感器的接入配置。節(jié)點(diǎn)中的PIC16(L)F1947還可為外部設(shè)備提供PWM與邏輯電平控制信號(hào)，兩者都通過(guò)與帶有電機(jī)驅(qū)動(dòng)或繼電器的Plug-In模組卡連接受控設(shè)備。節(jié)點(diǎn)中共提供5路PWM輸出，其中3路為增強(qiáng)型全橋PWM，剩余2路為標(biāo)準(zhǔn)PWM/邏輯控制。每一路都可通過(guò)上位機(jī)發(fā)來(lái)的設(shè)備控制指令單獨(dú)控制。當(dāng)每次數(shù)據(jù)采集及控制命令完成后，節(jié)點(diǎn)還要將該次的傳感器數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)量存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)空間中。在節(jié)點(diǎn)中共存儲(chǔ)最近的15次數(shù)據(jù)以備移動(dòng)設(shè)備接入后查看。因?yàn)楝F(xiàn)有農(nóng)業(yè)傳感器供電電平多樣，所以節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能-DC/DC-LDO方式為節(jié)點(diǎn)提供不間斷的多電壓供電支持。40 W多晶硅太陽(yáng)能板的輸出通過(guò)連接鉛酸蓄電池的太陽(yáng)能控制器后輸出12 V的電壓，經(jīng)由LM2596進(jìn)行DC/DC變換后獲得5 V電壓，再通過(guò)TPS73033與TPS73030提供穩(wěn)定的3.3、3.0 V電壓。

PIC16(L)F1947的RS-485總線與USART2端口上分別連接DRF-2619C型ZigBee通信模塊與RN4020藍(lán)牙模塊。DRF-2619C基于CC2530F256，實(shí)測(cè)通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)1 600 m，在具體設(shè)計(jì)中可根據(jù)需求將其設(shè)定為Router或Coordinator模式。由于在部分場(chǎng)地中節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)距離較遠(yuǎn)，還為這些節(jié)點(diǎn)額外配用了2.4G/18 dBi的引向天線以增加傳輸距離，較大幅度地增強(qiáng)ZigBee的傳輸效果。RN4020藍(lán)牙模塊內(nèi)置Bluetooth 低功耗4.1 協(xié)議棧，通過(guò)UART 實(shí)現(xiàn)ASCII 命令接口API。由于節(jié)點(diǎn)多布設(shè)在田間，而游客通道距離節(jié)點(diǎn)有一定距離，所以節(jié)點(diǎn)所用藍(lán)牙模塊需要有較大的通信距離，RN4020近100 m的通信距離可以較好地滿足需要。在布設(shè)中，節(jié)點(diǎn)與NFC標(biāo)簽的平均距離約5 m。節(jié)點(diǎn)所用標(biāo)簽為NXP出品的NTAG216芯片。該標(biāo)簽易于識(shí)讀，保密性與抗干擾性較強(qiáng)，在標(biāo)簽內(nèi)可以提供近900字節(jié)的存儲(chǔ)空間，可以滿足節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)信息存儲(chǔ)的需求。節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)及功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Node and function structure

節(jié)點(diǎn)在工作中分別設(shè)置高/低2個(gè)系統(tǒng)中斷響應(yīng)上位機(jī)發(fā)來(lái)的信息與移動(dòng)設(shè)備接入操作。節(jié)點(diǎn)還需要監(jiān)測(cè)其供電與芯片溫度，發(fā)生異常后須向上位機(jī)發(fā)送警告信息。其余時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)以優(yōu)化能量利用。在上位機(jī)與節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee進(jìn)行交互時(shí)，上位機(jī)下行對(duì)節(jié)點(diǎn)的調(diào)用指令格式、節(jié)點(diǎn)上行數(shù)據(jù)及警告格式如圖3所示。節(jié)點(diǎn)的工作程序結(jié)構(gòu)流程框架如圖4所示。

圖3 上位機(jī)與節(jié)點(diǎn)信息交互格式Fig.3 Information exchange format between computer and node

圖4 節(jié)點(diǎn)程序結(jié)構(gòu)流程框架Fig.4 Framework of structural flow of node program

3 用于節(jié)點(diǎn)接入的Android APP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

用于用戶節(jié)點(diǎn)接入的APP在設(shè)計(jì)中不僅需要充分考慮應(yīng)用場(chǎng)景，還需要充分利用移動(dòng)設(shè)備自身的特點(diǎn)，融合NFC和藍(lán)牙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶接入節(jié)點(diǎn)的快速性、便捷性，并保證其可以對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)可靠操作。此外對(duì)游客來(lái)說(shuō)，其通常不愿花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)APP的使用，所以界面應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單易用。由于NFC的功能是在Android API 9+以上加入的，用戶所使用的移動(dòng)設(shè)備中系統(tǒng)版本也應(yīng)為Android 2.3或者更高的版本。該APP的主要核心功能為NFC標(biāo)簽直讀、藍(lán)牙自動(dòng)連接、種植信息/價(jià)格顯示推送、種植環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、節(jié)點(diǎn)機(jī)電設(shè)備控制、園內(nèi)位置定位。在APP開發(fā)中，田間管理者APP與游客APP采用相同的后臺(tái)架構(gòu)和類似的界面布局風(fēng)格。區(qū)別在于游客APP的界面上沒有機(jī)電設(shè)備控制與NFC標(biāo)簽維護(hù)選項(xiàng)。移動(dòng)端APP及結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 移動(dòng)端APP工作流程Fig.5 Workflow of mobile APP

3.1 讀取/更改NFC標(biāo)簽信息及定位操作

圖6為移動(dòng)端APP部分界面，可實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的信息。讀取NFC標(biāo)簽信息是指NFC設(shè)備對(duì)無(wú)源的NFC標(biāo)簽信息讀取，該操作主要針對(duì)的是NDEF格式的數(shù)據(jù)，它是NFC數(shù)據(jù)交換的一種二進(jìn)制格式，由1個(gè)或者多個(gè)NDEF記錄組成，記錄內(nèi)容可以是URL、MIME或者NFC自定義的數(shù)據(jù)類型。在本系統(tǒng)中讀取的是寫入標(biāo)簽中的藍(lán)牙設(shè)備的MAC地址和PIN匹配碼。讀取NFC標(biāo)簽的步驟如下：定義標(biāo)簽對(duì)象、獲取NDEF消息、NDEF消息解析、解析后的NDEF數(shù)據(jù)顯示及UI交互操作。當(dāng)完成標(biāo)簽讀取后，APP可通過(guò)查閱其內(nèi)建的種植數(shù)據(jù)定義，并將標(biāo)簽內(nèi)規(guī)格化的信息轉(zhuǎn)換為可供用戶識(shí)讀的產(chǎn)品內(nèi)容信息，并通過(guò)UI界面呈現(xiàn)給用戶。在田間管理者對(duì)標(biāo)簽中的信息進(jìn)行維護(hù)時(shí)，通過(guò)預(yù)先定義的BlutoothConnectConfigWriter.java開啟前臺(tái)調(diào)度系統(tǒng)，檢測(cè)NFC的標(biāo)簽類型，隨后APP則利用getNdefMsg_from_RTD_TEXT()函數(shù)來(lái)獲取寫入的NDEF信息，通過(guò)WriteTask函數(shù)將對(duì)應(yīng)的信息寫入到NFC標(biāo)簽中。寫入的過(guò)程中，還通過(guò)UI提示用戶在NFC標(biāo)簽信息更新完成前將移動(dòng)終端始終靠近NFC標(biāo)簽，以便寫入數(shù)據(jù)。此外通過(guò)標(biāo)簽還獲得了該節(jié)點(diǎn)在園內(nèi)位置的唯一的ID信息，在本設(shè)計(jì)中調(diào)用百度地圖的API實(shí)現(xiàn)定位功能。通過(guò)匹配ID及經(jīng)緯度信息，為用戶找到其對(duì)應(yīng)的園內(nèi)具體位置，并通過(guò)圖層標(biāo)記操作顯示在導(dǎo)游圖上。NFC標(biāo)簽中內(nèi)容如圖7所示。

圖6 移動(dòng)端APP用戶界面(UI)Fig.6 User interface (UI) of mobile APP

圖7 NFC標(biāo)簽中內(nèi)容Fig.7 Information of NFC tag

3.2 基于NFC標(biāo)簽的藍(lán)牙接入及手機(jī)-節(jié)點(diǎn)交互

在藍(lán)牙連接中，移動(dòng)設(shè)備在掃描NFC標(biāo)簽，成功讀取標(biāo)簽消息之后，即可實(shí)現(xiàn)與指定藍(lán)牙模塊的快速連接。與傳統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備與藍(lán)牙模塊連接的方法相比，省去了傳統(tǒng)的搜索藍(lán)牙設(shè)備、選擇連接設(shè)備、輸入PIN匹配碼的繁瑣步驟，提高了連接的速度，節(jié)約了連接的時(shí)間。在獲取到解析成功的MAC地址和PIN匹配碼后，將開啟一個(gè)藍(lán)牙連接的線程，判斷藍(lán)牙設(shè)備的連接狀態(tài)，若沒有連接，則開始配對(duì)。利用讀取標(biāo)簽信息的PIN匹配碼的信息來(lái)設(shè)置自動(dòng)配對(duì)的值，在配對(duì)成功后，APP界面將會(huì)成功跳轉(zhuǎn)到讀取種植信息/環(huán)境參數(shù)顯示的界面。由于藍(lán)牙設(shè)備在實(shí)現(xiàn)通信時(shí)，均是以客戶端、服務(wù)端的模式通信，而在該設(shè)計(jì)中，移動(dòng)設(shè)備始終是客戶端。當(dāng)節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)連接后，不再響應(yīng)上位機(jī)的指令。

接入節(jié)點(diǎn)之后，移動(dòng)設(shè)備可以讀取各個(gè)環(huán)境參數(shù)的信息，并繪制環(huán)境參數(shù)變化的曲線。在移動(dòng)設(shè)備與節(jié)點(diǎn)的交互中，節(jié)點(diǎn)收到種植環(huán)境參數(shù)查詢指令后，將實(shí)時(shí)傳感器讀數(shù)與之前存儲(chǔ)的15次監(jiān)測(cè)值一起發(fā)給移動(dòng)設(shè)備。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)符合該形式，則截取數(shù)據(jù)包的特定位置上的字符串，并通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化來(lái)獲得并顯示所采集到的傳感器數(shù)據(jù)。為了方便用戶監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的變化趨勢(shì)，在APP中設(shè)計(jì)多個(gè)按鈕，點(diǎn)擊即可查看各個(gè)環(huán)境參數(shù)變化的曲線圖。在該界面上，繪制的環(huán)境參數(shù)的變化曲線每秒刷新1次，較快的刷新速度能夠使用戶及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)其變化，并做出相應(yīng)的控制。同樣對(duì)節(jié)點(diǎn)上設(shè)備的控制也由用戶通過(guò)點(diǎn)擊UI界面上特定的按鈕實(shí)現(xiàn)。在移動(dòng)設(shè)備連入節(jié)點(diǎn)后，移動(dòng)設(shè)備與節(jié)點(diǎn)之間的控制指令及信息交互格式與前述上位機(jī)與節(jié)點(diǎn)之間的交互格式類似，但是由于此時(shí)的藍(lán)牙連接是唯一的，連接架構(gòu)為P2P，所以在設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)-移動(dòng)設(shè)備交互格式中，省略了前述交互格式中節(jié)點(diǎn)網(wǎng)內(nèi)地址和上位機(jī)地址。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)完成后于河北省秦皇島市昌黎縣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試中共布設(shè)11個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中5個(gè)布設(shè)在園林中，其余布設(shè)于蔬菜溫室內(nèi)。節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的距離為200～500 m。上位機(jī)采用華北工控EMB3870低功耗嵌入式工控板，軟件基于C#設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)ZigBee模塊采用基于CC2530的DRF-2618A。對(duì)應(yīng)地在上位機(jī)采用2.4 G/14 dBi的全向玻璃鋼天線。每1個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的NFC標(biāo)簽與節(jié)點(diǎn)距離約3～5 m。系統(tǒng)輪詢周期為220 s。在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，雖然大多數(shù)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的無(wú)線電視距傳輸通道內(nèi)都存在部分障礙物(植物枝葉或大棚支架薄膜等)，但是節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間在各種氣象條件下都可以進(jìn)行較好的命令與數(shù)據(jù)交互。即便天氣為中到大雨，也能保證信道增益可彌補(bǔ)雨衰對(duì)信號(hào)的損耗。

由于游客或田間管理者所使用的移動(dòng)智能設(shè)備對(duì)節(jié)點(diǎn)的訪問是高度隨機(jī)的，在部分情況下會(huì)與上位機(jī)-節(jié)點(diǎn)之間的信息交互過(guò)程產(chǎn)生沖突。研究中發(fā)現(xiàn)，沖突出現(xiàn)的最主要時(shí)間段是節(jié)點(diǎn)采集傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)段。通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)發(fā)往上位機(jī)的輪詢間隔內(nèi)移動(dòng)智能設(shè)備接入次數(shù)還發(fā)現(xiàn)，通常游客或田間管理者對(duì)節(jié)點(diǎn)的訪問時(shí)間小于1個(gè)輪詢間隔，且較少出現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)連續(xù)性的占用。所以在設(shè)計(jì)中采用可容納2～3個(gè)輪詢周期數(shù)據(jù)的緩存能較好地解決上述沖突問題。研究還針對(duì)節(jié)點(diǎn)與配套APP的使用體驗(yàn)對(duì)游客進(jìn)行了問卷調(diào)查。問卷調(diào)查重點(diǎn)針對(duì)游客游覽時(shí)間、興趣度(5分制)與人均消費(fèi)這3個(gè)與游客游園體驗(yàn)密切關(guān)聯(lián)的問題。在問卷調(diào)查中共計(jì)回收有效問卷754份，其中291份為使用NFC接入游客，其余為普通游客。NFC接入游客組的人均游覽時(shí)間(3 h 21 min)、人均興趣度(4.71分)與人均消費(fèi)(154.64元)比普通游客組(3 h 37 min、4.53分、114.32元)都有一定程度的提升。問卷調(diào)查結(jié)果表明該方式有效地提高了游客游園的興趣度。尤其是通過(guò)該節(jié)點(diǎn)對(duì)游客實(shí)現(xiàn)了種植過(guò)程信息與田間管理實(shí)時(shí)信息的公開化、透明化，較大程度地促進(jìn)了游客在游園過(guò)程中對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的消費(fèi)，進(jìn)而提高了園區(qū)收入。系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)不僅可以較好地服務(wù)于常規(guī)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集與設(shè)備控制，更能有效地服務(wù)觀光農(nóng)業(yè)游客、提高園區(qū)營(yíng)收。

5 結(jié)論

針對(duì)使用移動(dòng)設(shè)備訪問無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的需求，本文提出了一種可用于農(nóng)業(yè)觀光領(lǐng)域的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)包括節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件APP。該節(jié)點(diǎn)不僅可以利用傳統(tǒng)ZigBee方式與上位機(jī)交互監(jiān)測(cè)信息與控制信息，還可為用戶提供基于NFC技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)的節(jié)點(diǎn)交互功能。由此可滿足對(duì)農(nóng)業(yè)田間管理的遠(yuǎn)場(chǎng)/近場(chǎng)綜合性管理需求。此外還可通過(guò)節(jié)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的支持，為游客提供商業(yè)信息推廣、園內(nèi)定位等游園功能，且實(shí)現(xiàn)種植過(guò)程對(duì)游客的透明化。該系統(tǒng)具有使用靈活、功能伸縮性好、通用化程度高、配置便捷與使用方便等特點(diǎn)，在觀光農(nóng)業(yè)領(lǐng)域預(yù)期會(huì)有較好的應(yīng)用前景。

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【責(zé)任編輯 霍 歡】

A design of hybrid wireless sensor network nodes for tourism-agriculture

XU Peipei1, WAN Xuefen2, YANG Yi1, HAN Fang1, JIANG Xueqin1, HU Chenfei1, 2

(1 College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China;
2 College of Computer, North China Institute of Science and Technology, Langfang 065201, China)

【Objective】 To design hybrid wireless sensor network nodes for the field managements and tourist services of tourism-agriculture. 【Method】 Node hardware structure and mobile APP based on Android system for smart devices were designed. The planting environment was monitored and equipments were controlled by communication between host computer and ZigBee.【Result】 Tourists and field managers could quickly access the nodes in the field based on near field communication(NFC) and bluetooth techniques, and could get location, planting information, environmental monitoring and other services via the mobile devices.【Conclusion】 The hybrid wireless sensor network nodes are flexible, convenient and fast with good expansibility, and can more flexibly support multi-service engineering in tourism-agriculture.

tourism-agriculture; mobile smart device; wireless sensor network; NFC; bluetooth

2016- 06- 18優(yōu)先出版時(shí)間：2017-01-10

許培培(1992— )，女，碩士研究生，E-mail：1530279026@qq.com；通信作者：楊 義(1978—)，男，副教授，博士， E-mail：yiyang@dhu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金(11572084，61201249)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(3142012051)

TN709； S237

A

1001- 411X(2017)02- 0118- 07

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20170110.1424.042.html

許培培， 萬(wàn)雪芬， 楊 義， 等.用于觀光農(nóng)業(yè)的混合型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017,38(2):118- 124.