CN105242621A - 农业大棚环境监控系统的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农业大棚环境监控系统的通信方法。上述方法包括：对于设置于多个农业大棚的子节点，每个子节点将实时采集到的环境监测数据按照第一上传数据协议远程发送给主节点，其中，第一上传数据协议包括：开始符字节、该子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、环境监测数据字节、预留字节、以及结束符字节；主节点综合各个子节点发送的环境监测数据，按照第二上传数据协议串行发送给上位机，其中，第二上传数据协议包括：开始符字节、子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、环境监测数据字节、预留字节、以及结束符字节。本发明可以保证系统中各个组成部分能够正常通信，实现对多个农业大棚环境数据的无线监测和远程控制的目的。

Description

农业大棚环境监控系统的通信方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种农业大棚环境监控系统的通信方法。

背景技术

近年来由于农业大棚的环境为农作物的良好生长和提高产量提供了必要的保证,因此农业大棚生产已经成为世界农业的发展趋势。农业大棚内温湿度等因素对农作物的生长有直接的关系，因此对农业大棚内的温度、湿度等参数进行实时准确的测量和调节至关重要。但长期以来，国内大棚环境的监控工作大多凭人工经验进行管理。而人工管理存在调控效果差等诸多缺点。

相关技术中，提出了一种基于CAN总线的农业环境监控系统。有线传输方式依靠电缆连接优点是连接稳定，信息交换速率和效率高，但是需要布置专用线缆，布线麻烦，安装维护成本高，增减设备需重新布线，可移动性差且影响美观。

针对上述问题，发明人提出了一种包括上位机、主节点以及多个子节点的农业大棚环境监控系统，但是如何保证该系统中各个组成部分能够正常通信，实现对多个农业大棚环境数据的无线监测和远程控制的目的，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于公开了一种农业大棚环境监控系统的通信方法，以至少解决上述农业大棚环境监控系统中各个组成部分如何正常通信，从而实现对多个农业大棚环境参数的无线监测和远程控制的目的的问题。

本发明的主要目的在于公开一种农业大棚环境监控系统的通信方法。

根据本发明的农业大棚环境监控系统的通信方法包括：对于设置于多个农业大棚的子节点，每个子节点将实时采集到的环境监测数据按照预定的第一上传数据协议远程发送给主节点，其中，所述第一上传数据协议包括：开始符字节、该子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、环境监测数据字节、预留字节、以及结束符字节；所述主节点综合各个子节点发送的环境监测数据，按照预定的第二上传数据协议串行发送给上位机，其中，所述第二上传数据协议包括：开始符字节、子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、环境监测数据字节、预留字节、以及结束符字节。

通过本发明提供的农业大棚环境监控系统的通信方法，保证了包括上位机、主节点以及多个子节点的农业大棚环境监控系统中各个组成部分能够正常通信，实现对多个农业大棚环境数据的无线监测和远程控制的目的。

附图说明

图1是根据本发明实施例的农业大棚环境监控系统的通信方法的流程图；

图2是根据本发明优选实施例的农业大棚环境监控系统的架构图；

图3是根据本发明优选实施例的上位机主程序流程图；

图4是根据本发明优选实施例的主节点主程序流程图；

图5是根据本发明优选实施例的主节点无线收发芯片与子节点通信的流程图；以及

图6是根据本发明优选实施例的子节点主程序流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实现方式做一详细描述。

图1是根据本发明实施例的农业大棚环境监控系统的通信方法的流程图。如图1所示，该农业大棚环境监控系统的通信方法包括：

步骤S101：对于设置于多个农业大棚的子节点，每个子节点将实时采集到的环境监测数据按照预定的第一上传数据协议远程发送给主节点，其中，上述第一上传数据协议包括：开始符字节、该子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、环境监测数据字节、预留字节、以及结束符字节；

步骤S103：上述主节点综合各个子节点发送的环境监测数据，按照预定的第二上传数据协议串行发送给上位机，其中，上述第二上传数据协议包括：开始符字节、子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、环境监测数据字节、预留字节、以及结束符字节。

图2示出了包括上位机、主节点以及多个子节点的农业大棚环境监控系统，主节点和子节点可以视为站点，主节点和多个子节点通过无线模块构成星型结构的无线微网络。该网络是一个单跳系统，网络中所有子节点都与主节点进行双向远程通信,各子节点间并不通信。各子节点一方面负责实时采集农业大棚中温度、湿度信息,然后通过无线发送模块上传采集到的温湿度信息到主节点；另一方面负责执行上位机发送来的指令,实现对执行机构的控制。主节点一方面负责接收来自各子节点采集的数据，将数据打包然后进行实时显示，并把接收到的数据通过串口通信方式上传至上位机(例如PC机)；另一方面接收来自上位PC机的控制指令，并将指令下发至各子节点，再由子节点控制执行机构，进而实现对各农业大棚温、湿度的控制。上位PC机一方面负责接收主节点上传的数据，并对其进行相应的处理及显示，另一方面接收管理人员的控制指令，并通过主节点下发到相应的子节点。对于该农业大棚环境监控系统而言，采用图1所示的通信方法，可以保证系统中各个组成部分能够正常通信，实现对多个农业大棚环境数据的无线监测和远程控制的目的。

其中，上述环境监测数据可以包括但不限于以下至少之一：温度数据、湿度数据、卷帘电机状态数据、通风口数据、加热状态数据。

优选实施过程中，上述第一上传数据协议可以设置成16个字节，具体参见表1。

表1

优选实施过程中，上述第二上传数据协议可以设置成12个字节，具体参见表2。

表2

优选地，在步骤S101中每个子节点将实时采集到的环境监测数据远程发送给主节点之后，还可以包括以下处理：上述主节点在接收到一个或多个子节点发送的环境监测数据时，按照预定的第一应答协议向上述一个或多个子节点返回第一应答指令，其中，上述第一应答协议包括：开始符字节、上述一个或多个子节点中各子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节。

在优选实施过程中，上述第一应答协议可以设置为16个字节，没有填满的字节可以设为0，具体参见表3。

表3

0	1	2	3-15
				0xEC	IP地址	0XFA	0

优选地，在步骤S101中每个子节点将实时采集到的环境监测数据远程发送给主节点之后，还可以包括：对于当前的子节点，如果在预定时间内未收到上述主节点返回的第一应答指令，则重新向上述主节点发送上述环境监测数据，直至在预定时间内接收到上述主节点返回的第一应答指令。

若出现数据传输因干扰发出错误或是现场停电等状况，主节点则不能接收到回传的应答信息，为保证通信可靠，本发明在主节点与子节点通信时设定了数据重发机制。当主节点收到子节点上传的数据时需要及时回复给子节点一个应答指令(ACK应答)，子节点收到ACK应答表明数据上传完成，否则进行数据重发，直到收到ACK为止。

优选地，上述通信方法还可以包括：上述上位机按照预定的第一下传控制指令协议向上述主节点发送控制指令，其中，上述第一下传控制指令协议包括：开始符字节、上述控制指令对应的子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、控制指令数据字节、预留字节、以及结束符字节；上述主节点按照预定的第二下传控制指令协议将上述控制指令下发给设置于多个农业大棚的各个子节点，其中，上述第二下传控制指令协议包括：开始符字节、上述控制指令对应的子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、控制指令数据字节、预留字节、以及结束符字节。

其中，上述控制指令数据包括以下至少之一：卷帘电机状态数据、加热状态数据、通风口数据。

在优选实施过程中，上述第一下传控制指令协议可以设置为8个字节，具体参见表4。

表4

在优选实施过程中，上述第二下传控制指令协议可以设置为8个字节，具体参见表5。

表5

优选地，在上述主节点将上述控制指令下发给设置于多个农业大棚的各个子节点之后，还可以包括：对于每个子节点，该子节点根据上述控制指令对应的子节点唯一的IP地址字节确定上述控制指令是否是下发给该字节点自身的；在上述控制指令是下发给该字节点自身的情况下，该子节点接收上述控制指令，并按照预定的第二应答协议向上述主节点返回第二应答指令，其中，上述第二应答协议包括：开始符字节、该子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节。

在优选实施过程中，上述第二应答协议可以设置为16个字节，没有填满的字节可以设为0，具体参见表6。

表6

0	1	2	3-15
				0xEC	IP地址	0xFB	0

由于本系统是一个主节点对多个子节点的网络结构，为实现主节点全网广播的功能，在物理层中为各个子节点都定义了相同的物理地址，例如，0XE7。但为了区分各个子节点，本系统在网络层为每个子节点分配了唯一的IP地址，主节点在接收到数据后通过该地址来判断接收到的数据是哪个子节点上传来的。子节点通过该网络地址来判断主节点下发的控制指令是不是给自己的，如果不是则不接收。

优选地，在上述主节点将上述控制指令下发给设置于多个农业大棚的各个子节点之后，还可以包括：上述主节点如果在预定时间内未收到该主节点返回的上述第二应答指令，则重新发送上述控制指令，直至在预定时间内接收到该子节点返回的第二应答指令。

当子节点收到主节点下发的控制指令时也会回复给主节点一个应答指令(ACK应答)，主节点以此信号来判断子节点收到控制指令，若没有则重发，但在预定时间(例如，5s)内主节点仍没有收到ACK，则认为本次控制指令发送失败，主节点认为该子节点出错，并反馈给上位机(例如，PC机)。

在优选实施过程中，上述主节点可以采用无线数传芯片nRF905与上述子节点的无线数传芯片nRF905通信，本农业大棚环境监控系统中主节点与各通信子节点之间需构成完整的通讯网络以保证射频通信的可靠性，nRF905芯片本身不带组网协议，为此本发明提出了nRF905通信协议，上述第一上传数据协议、上述第一应答协议、上述第二下传控制指令协议、以及上述第二应答协议包括的字节数为2ⁿ,其中，n为大于或等于3的整数。在保证系统正常通信的情况下，为提高传输效率，上述第一上传数据协议可以采用16字节，参见表1；上述第一应答协议可以采用16字节，参见表3；上述第二下传控制指令协议可以采用8字节，参见表5；以及上述第二应答协议可以采用16字节，参见表6。

以下结合图3至图6进一步描述该系统中成员的工作流程。

图3是根据本发明优选实施例的上位机主程序流程图。如图3所示，该上位机主程序包括以下步骤：

步骤S301：上位机系统初始化。

步骤S303：上位机系统打开RS232串口。

步骤S305：上位机接收来自于主节点上报的数据。

步骤S307：判断数据是否在设定范围之外，如果是，执行步骤S309,否则,返回执行步骤S305。

步骤S309：上位机发送控制指令。

上位机(PC机)主程序主要完成各个子节点数据的接收、分析及存储。如果数据在设定的范围之外，则下达控制指令，对相应农业大棚中执行机构进行控制。

图4是根据本发明优选实施例的主节点主程序流程图。如图4所示，该主节点主程序包括以下步骤：

步骤S401：主节点系统初始化。

步骤S403：主节点的无线数传芯片nRF905初始化。

步骤S405：主节点的串口初始化。

步骤S407：与上位机进行串口通信。

步骤S409：判断上位机是否下发控制指令。如果是，执行步骤S413,否则，执行步骤S411。

步骤S411:主节点通过串口定时向上位PC机发送数据。

步骤S413:主节点接收上位机下发的控制指令。

步骤S415:主节点的无线数传芯片nRF905切换到下发指令模式。

步骤S417:键盘显示。

主节点主程序主要完成定时接收各子节点采集到的数据且进行实时显示，并与上位PC机进行串行通信，当上位PC机下发控制指令时将指令下发给相应的子节点,它是上位PC机与子节点之间的纽带。

图5是根据本发明优选实施例的主节点无线收发芯片与子节点通信的流程图。如图5所示，该流程主要包括以下步骤：

步骤S501：判断主节点无线收发芯片nRF905是否处于接收模式，如果是，执行步骤S503。

步骤S503：判断主节点无线收发芯片nRF905是否收到数据，如果是，执行步骤S505，否则，执行步骤S509。

步骤S505：主节点保存数据。

步骤S507：主节点向接收到的数据对应的发送子节点发送ACK应答。

步骤S509：判断主节点无线收发芯片nRF905是否处于下发指令模式，如果是，执行步骤S511，否则，流程结束。

步骤S511：定时下发指令到对应的子节点。

步骤S513：判断是否收到对应子节点的ACK应答，如果是，执行步骤S515，否则，流程结束。

步骤S515：切换到接收模式。

图6是根据本发明优选实施例的子节点主程序流程图。如图6所示，该子节点主程序包括以下步骤：

步骤S601：子节点系统初始化。

步骤S603：子节点的无线数传芯片nRF905初始化。

步骤S605：子节点的继电器控制端口初始化。

步骤S607：键盘显示。

步骤S609：DHT11温湿度采用。

步骤S611：子节点的继电器进行控制。

步骤S613：判断是否接收到主节点数据，如果是，执行步骤S615,否则，执行步骤S621。

步骤S615：判断是否为本IP数据，如果是，执行步骤S617,否则，执行步骤S621。

步骤S617：子节点接收并保存数据。

步骤S619：子节点向主节点发送ACK应答。

步骤S621：判断预定时间50ms是否到了，如果是，执行步骤S623。

步骤S623：载波监听，判断信道是否空闲，如果是，执行步骤S625，否则，继续监听。

步骤S625：给主节点发送监控数据。

子节点主要负责采集农业大棚中的温湿度信息，并将这些数据定时发送至主节点，同时接收来自主节点的控制命令，并根据这些命令控制相应执行装置。子节点主程序流程图如图6所示。由于在无线通信过程中可能会出现当前使用的信道上有节点在发送信息，其他节点也准备进入信道的情况，这样就会造成冲突，为此本系统采用载波侦听多路(CarrierSenseMultipleAccess，简称为CSMA)访问的方法来减少了发生冲突的可能。CSMA在发送数据帧前先进行载波侦听，以确认当前使用的信道上是否有其它站点正在发送数据，如果侦听到其它站点在发送，就暂时不发送数据，避免发生数据碰撞，降低通信效率。nRF905具有专门的用于载波监测的引脚CD，当传输媒质中有同频率的载波存在时，CD脚将输出高电平。

为了验证系统方案的准确性，在实例中，采用10个子节点，1个主节点和1个上位PC机。每路子节点按顺序进行IP地址编号，每路子节点接一路DHT11温湿度传感器，和四路继电器、接触器的执行机构，分别控制开帘，闭帘，加热和通风。上位PC机采用串口与主节点数据传输，主节点采用无线传输与各个子节点通信。通信距离空旷场地约为400米。改变任何一个子节点的温湿度，经过约2秒钟左右，主节点和上位机能接收到任何子节点的温湿度数据，并实时更新。上位PC机发出控制指令，下位机在1S内，子节点能准确接收数据，实时控制对应的执行机构，对于本设计来说，可以忽略该时延。该系统连续工作24个小时，采样控制运行正常，具备可靠稳定的优点。

综上所述，借助本发明提供的上述实施例，可以保证系统中各个组成部分能够正常通信，实现对多个农业大棚中温湿度信息的无线实时监测，并完成开闭帘、加热、通风等的远程控制。该方案运行良好，可靠性高，很好地解决了大棚蔬菜种植中的许多实际问题。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种农业大棚环境监控系统的通信方法，其特征在于，包括：

对于设置于多个农业大棚的子节点，每个子节点将实时采集到的环境监测数据按照预定的第一上传数据协议远程发送给主节点，其中，所述第一上传数据协议包括：开始符字节、该子节点唯一的网络之间互连的协议IP地址字节、命令类型字节、环境监测数据字节、预留字节、以及结束符字节；

所述主节点综合各个子节点发送的环境监测数据，按照预定的第二上传数据协议串行发送给上位机，其中，所述第二上传数据协议包括：开始符字节、子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、环境监测数据字节、预留字节、以及结束符字节。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境监测数据包括以下至少之一：温度数据、湿度数据、卷帘电机状态数据、通风口数据、加热状态数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个子节点将实时采集到的环境监测数据远程发送给主节点之后，还包括：

所述主节点在接收到一个或多个子节点发送的环境监测数据时，按照预定的第一应答协议向所述一个或多个子节点返回第一应答指令，其中，所述第一应答协议包括：开始符字节、所述一个或多个子节点中各子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子节点的无线数传芯片nRF905与所述主节点的无线数传芯片nRF905通信,所述第一上传数据协议和所述第一应答协议包括的字节数为2ⁿ,其中，n为大于或等于3的整数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个子节点将实时采集到的环境监测数据远程发送给主节点之后，还包括：

对于当前的子节点，如果在预定时间内未收到所述主节点返回的第一应答指令，则重新向所述主节点发送所述环境监测数据，直至在预定时间内接收到所述主节点返回的第一应答指令。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

所述上位机按照预定的第一下传控制指令协议向所述主节点发送控制指令，其中，所述第一下传控制指令协议包括：开始符字节、所述控制指令对应的子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、控制指令数据字节、预留字节、以及结束符字节；

所述主节点按照预定的第二下传控制指令协议将所述控制指令下发给设置于多个农业大棚的各个子节点，其中，所述第二下传控制指令协议包括：开始符字节、所述控制指令对应的子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节、控制指令数据字节、预留字节、以及结束符字节。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制指令数据包括以下至少之一：卷帘电机状态数据、加热状态数据、通风口数据。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述主节点将所述控制指令下发给设置于多个农业大棚的各个子节点之后，还包括：

对于每个子节点，该子节点根据所述控制指令对应的子节点唯一的IP地址字节确定所述控制指令是否是下发给该字节点自身的；

在所述控制指令是下发给该字节点自身的情况下，该子节点接收所述控制指令，并按照预定的第二应答协议向所述主节点返回第二应答指令，其中，所述第二应答协议包括：开始符字节、该子节点唯一的IP地址字节、命令类型字节。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述主节点的无线数传芯片nRF905与所述子节点的无线数传芯片nRF905通信，所述第二下传控制指令协议和所述第二应答协议包括的字节数为2ⁿ,其中，n为大于或等于3的整数。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述主节点将所述控制指令下发给设置于多个农业大棚的各个子节点之后，还包括：

所述主节点如果在预定时间内未收到该主节点返回的所述第二应答指令，则重新发送所述控制指令，直至在预定时间内接收到该子节点返回的第二应答指令。