基于容災(zāi)備份的設(shè)施溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

張雪飛， 王建春， 彭 凱， 孫海波， 王 艷， 梁新書， 杜彥芳，徐義鑫， 李鳳菊， 錢春陽， 呂雄杰， 宋 斌， 王 浩

(1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息研究所，天津 300192； 2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津 300130；3.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津 300192； 4.天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津 300192)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，溫室工程已成為高效農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分，溫室工程是增強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高產(chǎn)增效的重要手段。通常在設(shè)施溫室內(nèi)通過布置大量的傳感器節(jié)點，實現(xiàn)對設(shè)施環(huán)境空氣溫度、空氣濕度、土壤含水量、土壤溫度、CO2濃度等信息的采集，完成設(shè)施溫室環(huán)境的實時監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)對環(huán)境信息進(jìn)行分析、匯總，并結(jié)合設(shè)施蔬菜的生長規(guī)律得到生長周期內(nèi)所需的最佳環(huán)境條件，從而由系統(tǒng)發(fā)出控制指令，啟動溫室內(nèi)的通風(fēng)、加溫、補(bǔ)光等設(shè)備，人為地控制作物生長的環(huán)境條件，最終實現(xiàn)設(shè)施溫室高效、高質(zhì)栽培[1-10]。

目前大部分研究主要是針對溫室監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時推送、遠(yuǎn)程調(diào)控等技術(shù)進(jìn)行的[11-17]，如侯琛等提出了溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)多進(jìn)程調(diào)度方法來更好地完成網(wǎng)關(guān)的多進(jìn)程調(diào)度[11]，李萍萍等提出溫室物聯(lián)網(wǎng)測控管理系統(tǒng)的開發(fā)與數(shù)據(jù)同步研究[13]。針對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健壯性及容災(zāi)備份考慮很少，由于農(nóng)業(yè)科研的特殊性，科研人員對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、產(chǎn)量監(jiān)控、病蟲害的數(shù)據(jù)收集獲取通常是以作物的茬口為周期，以3～5年的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型分析，采用大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而獲取穩(wěn)定的基于溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的模型，并用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較高的要求。

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上致力于開展溫室監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫穩(wěn)定性、健壯性的研究。系統(tǒng)通過基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議(ZigBee)的多協(xié)調(diào)器工作機(jī)制來降低采用單協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障的概率，最終保證農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.2 傳統(tǒng)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

優(yōu)秀的架構(gòu)設(shè)計可有效地減少系統(tǒng)發(fā)生故障及癱瘓的概率。傳統(tǒng)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)大多采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。雖然串聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性很差，如圖1所示。

該系統(tǒng)的可靠度為

(1)

式中：RS為整個系統(tǒng)的可靠度；Ri為各部件的可靠度，Ri小于1。通過分析可知，串聯(lián)系統(tǒng)中，部件越多，系統(tǒng)的可靠度越差。系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是整個系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，決定系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行。從圖1中溫室環(huán)境監(jiān)控的整體框圖可以看出，ZigBee協(xié)調(diào)器是基于精簡指令集微處理器(advanced RISC machine，簡稱ARM)的智能網(wǎng)關(guān)與終端節(jié)點之間的橋梁，一旦該協(xié)調(diào)器不能正常工作，系統(tǒng)將無法建立基本的通信，底層采集的數(shù)據(jù)無法上傳，上層的控制命令無法下達(dá)到終端。

1.2 基于容災(zāi)備份的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計已經(jīng)不能滿足溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性能、安全性能方面的要求，本研究基于容災(zāi)備份原理，設(shè)計了雙ZigBee協(xié)調(diào)器并聯(lián)的工作模式，完成故障后主備協(xié)調(diào)器的切換，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

2 基于容錯機(jī)制的多ZigBee協(xié)調(diào)器并聯(lián)設(shè)計

2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器可靠性分析

本研究設(shè)計了基于多ZigBee協(xié)調(diào)器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該并聯(lián)設(shè)計在可靠性上是有冗余的，只要系統(tǒng)中任意1個ZigBee協(xié)調(diào)器能正常工作，系統(tǒng)就能正常工作。協(xié)調(diào)器之間是并聯(lián)模式，但是同一個時刻只能有1個協(xié)調(diào)器正常工作，通過ZigBee協(xié)調(diào)器主備切換電路完成協(xié)調(diào)器的切換。正常情況下，主ZigBee協(xié)調(diào)器完成上電及無線自組網(wǎng)的工作，當(dāng)工作中的ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)生故障，不能正常通信后，系統(tǒng)通過心跳檢測到該故障，協(xié)調(diào)器主備切換電路會自動給備用協(xié)調(diào)器供電，備用協(xié)調(diào)器上電完成后，檢測網(wǎng)絡(luò)及完成組網(wǎng)的工作，ZigBee終端會自動重新連接到備用的協(xié)調(diào)器形成的網(wǎng)絡(luò)中。該設(shè)計機(jī)制遵循開放-封閉原則，使系統(tǒng)在兼容傳統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的同時，又能方便靈活擴(kuò)展，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。具體原理如圖2所示。

ZigBee并聯(lián)部分的可靠性：

(2)

式中：Rp(t)為ZigBee并聯(lián)部分的可靠度；R1為ZigBee主協(xié)議器的可靠度；R2為ZigBee備協(xié)調(diào)器的可靠度。

若采用傳統(tǒng)的基于ZigBee的系統(tǒng)，則只存在1個ZigBee協(xié)調(diào)器，該部分的可靠度為ZigBee協(xié)調(diào)器的可靠度：

RS(t)=R1。

(3)

式中：RS(t)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的ZigBee協(xié)調(diào)器部分的可靠度。

相比于串聯(lián)系統(tǒng)，多ZigBee協(xié)調(diào)器并聯(lián)系統(tǒng)的的可靠度提高了：

ΔR=Rp(t)-RS(t)=1-(1-R1)×(1-R2)-R1。

(4)

假設(shè)R1=R2=R，則

ΔR=1-(1-R)×(1-R)-R=R-R2。

(4)

系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了R-R2，其中R小于1。

2.2 ZigBee主備切換的工作原理

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)協(xié)調(diào)器組網(wǎng)的過程如圖3所示。首先該節(jié)點必須是全功能設(shè)備(FFD)節(jié)點，而且該節(jié)點未加入任何網(wǎng)絡(luò)，才能利用該節(jié)點建立一個新的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并且終端節(jié)點只能加入1個網(wǎng)絡(luò)中。

本研究實現(xiàn)了基于并聯(lián)模式的多ZigBee備份工作機(jī)制，因同時只能有1個ZigBee協(xié)調(diào)器正常工作，終端節(jié)點只能加入1個網(wǎng)絡(luò)中，若該ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)生故障后，通常情況下終端節(jié)點不會重新接入其他的網(wǎng)絡(luò)中，為保證當(dāng)前的ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)生故障后，終端節(jié)點不須要斷電重啟就能自動加入新上電的ZigBee協(xié)調(diào)器新組織的網(wǎng)絡(luò)中，須要先固定ZigBee的16位的個域網(wǎng)標(biāo)志符(PAN ID)，在f8wConfig.cfg中將變量的-DZDAPP_CONFIG_PAD_ID值進(jìn)行設(shè)置，非0XFFFF即可。

主備ZigBee協(xié)調(diào)器切換的過程：(1)正常上電的ZigBee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)成功后，設(shè)置其PAN ID并記錄其PAN ID到智能網(wǎng)關(guān)的過程。(2)協(xié)調(diào)器完成網(wǎng)絡(luò)搭建后，正常工作。(3)智能網(wǎng)關(guān)ARM定時向工作的ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送心跳消息，ZigBee協(xié)調(diào)器收到心跳信息后，須給智能網(wǎng)關(guān)ARM返回1個應(yīng)答信息；若智能網(wǎng)關(guān)向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的心跳信息達(dá)到了預(yù)定的次數(shù)，而ZigBee協(xié)調(diào)器沒有返回任何應(yīng)答信號，而轉(zhuǎn)到(4)；否則繼續(xù)發(fā)送心跳消息。(4)智能網(wǎng)關(guān)ARM發(fā)送指令至協(xié)調(diào)器電路轉(zhuǎn)換電路，請求切斷該ZigBee協(xié)調(diào)器的電源，為備用的ZigBee協(xié)調(diào)器上電。(5)備用ZigBee協(xié)調(diào)器上電完成后，設(shè)置之前的PAN ID，其組網(wǎng)完成。(6)圖4是主備ZigBee協(xié)調(diào)器之間完成切換的流程圖。

2.3 數(shù)據(jù)透傳機(jī)制

主備協(xié)調(diào)器切換后，重新上電的ZigBee協(xié)調(diào)器短地址等信息發(fā)生了變化，因此不能利用ZigBee自身的標(biāo)志進(jìn)行通信。本研究設(shè)計了數(shù)據(jù)的透傳機(jī)制，ZigBee協(xié)調(diào)器的作用僅是ZigBee終端節(jié)點與智能網(wǎng)關(guān)之間的消息中轉(zhuǎn)器。

數(shù)據(jù)傳輸過程中遵從如下的規(guī)定：(1)ZigBee終端節(jié)點與ZigBee協(xié)調(diào)器之間是點對點的通信，因為協(xié)調(diào)器的地址始終是固定的。(2)ZigBee協(xié)調(diào)器與ZigBee終端節(jié)點之間采用廣播通信，ZigBee協(xié)調(diào)器在數(shù)據(jù)傳輸過程中，不須要攜帶ZigBee終端節(jié)點的短地址。ZigBee協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點之間消息傳輸?shù)木唧w實現(xiàn)依靠：

2.3.1 ZigBee終端節(jié)點的具體實現(xiàn) 終端節(jié)點在燒錄程序時，指定其編號，并且保證該編號是唯一的。ZigBee終端節(jié)點上電入網(wǎng)成功后，主動發(fā)送其編號信息至ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器將該信息中轉(zhuǎn)發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)ARM，ARM接收到傳感器的地址信息后，進(jìn)行解析，保存對應(yīng)的終端節(jié)點的編號。消息格式如圖5所示。

2.3.2 智能網(wǎng)關(guān)ARM的具體實現(xiàn) 智能網(wǎng)關(guān)可實時通過ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送索取某個ZigBee終端節(jié)點上所有的傳感器數(shù)據(jù)信息的指令，具體的消息指令如圖6所示。ZigBee終端節(jié)點返回的消息如圖7所示。

3 試驗及測試

以天津市北辰鼎牛農(nóng)業(yè)合作社為例說明具體應(yīng)用。日光溫室長度70 m，室內(nèi)跨度9.8 m。主栽設(shè)施蔬菜為黃瓜。該試驗配置了遠(yuǎn)程服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫位于天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息研究所19樓機(jī)房。

該試驗中，在設(shè)施溫室中，布置了1個環(huán)境采集節(jié)點。該節(jié)點分別帶有1個土壤溫度及含水量傳感器，1個空氣溫濕度傳感器，1個光照度傳感器。表1為設(shè)施蔬菜環(huán)境采集節(jié)點所布置的傳感器的信息，圖8、圖9分別是設(shè)施環(huán)境采集節(jié)點和智能網(wǎng)關(guān)。

設(shè)定的ARM智能網(wǎng)關(guān)與ZigBee協(xié)調(diào)器之間通過心跳來維護(hù)鏈路，每隔5 s發(fā)送1次心跳消息到ZigBee協(xié)調(diào)器，若 5 s 內(nèi)仍未收到ZigBee協(xié)調(diào)器的反饋消息，ARM智能網(wǎng)關(guān)將再次發(fā)送心跳消息，若ARM智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送6次心跳消息后，仍未收到來自ZigBee協(xié)調(diào)器的確認(rèn)消息， 則ARM智能網(wǎng)關(guān)判定該ZigBee協(xié)調(diào)器不可用，啟動轉(zhuǎn)換電路為備用的ZigBee協(xié)調(diào)器供電，重新完成組網(wǎng)過程。

表1 傳感器唯一編碼

系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)采集頻率為每隔60 s上報1個數(shù)據(jù)。為了更好地測試，人為進(jìn)行ZigBee斷開試驗，為主備ZigBee協(xié)調(diào)器交替斷電和供電，測試備份的ZigBee協(xié)調(diào)器能否正常組網(wǎng)以及后續(xù)環(huán)境的采集數(shù)據(jù)能否正常上報。測試過程如表2所示。

表2 主備ZigBee協(xié)調(diào)器分別切換電源的時間

環(huán)境采集器上報的數(shù)據(jù)如下：

2016年4月6日10：00切斷主ZigBee協(xié)調(diào)器的電源后，上報的數(shù)據(jù)情況如圖10所示，說明切換備ZigBee協(xié)調(diào)器成功，數(shù)據(jù)正常傳輸。

2016年4月6日14：00切斷備份ZigBee協(xié)調(diào)器的電源后，上報的數(shù)據(jù)情況如圖11所示。

2016年4月10日13：00切斷主ZigBee協(xié)調(diào)器的電源后，上報的數(shù)據(jù)情況如圖12所示。

2016年4月20日16：00切斷備份ZigBee協(xié)調(diào)器的電源后，上報的數(shù)據(jù)情況如圖13所示。

圖14所示為2016年4月整個月的數(shù)據(jù)上報情況。

從上述試驗可以看出，基于并聯(lián)模式的多ZigBee協(xié)調(diào)器串聯(lián)模式是可以正常運(yùn)行的，并且在其中一個ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)生故障或者斷電后，會立刻為另外一個ZigBee協(xié)調(diào)器上電，進(jìn)行無線組網(wǎng)等，最終實現(xiàn)設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)的有效傳輸。

4 結(jié)論

針對設(shè)施溫室監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性、健壯性，提出基于并聯(lián)模式的多ZigBee協(xié)調(diào)器工作模式來降低由于單協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓的概率。并且針對并聯(lián)模式的多ZigBee協(xié)調(diào)器工作模式開展了大量的試驗，結(jié)果表明，該工作模式可以有效地降低因為單ZigBee協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障而發(fā)生系統(tǒng)癱瘓的概率。

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