CN107948332A - 一种基于IPv6的农业物联网系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IPv6的农业物联网系统，采用6LowPAN无线传感器网络技术，包括边界路由器、监测节点以及上位机软件。上位机软件发出用于获取参数数据的参数获取命令与用于控制设备的控制命令；边界路由器对6LowPAN无线传感器网络区域分配IPv6地址前缀，包括转换器与路由器；监测节点包括天线、微处理器、传感器模块以及继电器模块，监测节点通过天线、微处理器接收到上位机软件发出的信息，如果监测节接收到上位机软件的参数获取命令，则将传感器获取的采集数据发送至上位机软件；如果接收到上位机软件的控制命令，将控制命令通过继电器模块发送给农业生产的执行机构。本发明结构简单，拓展性与实用性强，稳定可靠。

Description

一种基于IPv6的农业物联网系统及控制方法

技术领域

本发明涉及智慧农业领域，尤其涉及一种基于IPv6的农业物联网系统及控制方法。

背景技术

随着物联网技术的不断发展，越来越多的设备可以连接到互联网中，互相之间进行通信。用户可以使用手机等智能设备对远程设备(例如家用电器)进行控制和管理，极大地方便了人们的生活。

我国社会发展到今天，还是一个农业大国，农村人口依然占多数。因此在农业上大力发展物联网技术，不仅可以减轻农民的工作负担，还可以提高经济收入，提高粮食产量，极大地促进农业的发展。因此很有必要开发一种适用于农业的物联网系统，不仅要简单实用，而且更要保证其稳定可靠，便于在农业领域进行普及。

随着互联网技术的不断发展，越来越多的智能设备具备了接入互联网的功能，原有的IPv4地址已经无法满足需求，因此新的IP协议 -- IPv6协议便诞生了。IPv6具有128位地址，可以为世界上的所有设备分配一个独一无二的IP地址，满足了物联网的基本需求。因此IPv6取代IPv4必将成为一种趋势。

目前许多的农业物联网方案是基于WiFi模块，而WiFi模块较高的价格以及较短的数据传输距离，使得该方案不适用于需要进行大面积监测的农业领域，不利于在农业领域进行推广。

6LowPAN技术使得无线传感器网络和IP网络的融合成为了可能，实现无线传感器网络和互联网络的无缝连接，方便用户远程对传感器节点进行访问和控制。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于IPv6的农业物联网系统及控制方法，具体由以下技术方案实现：

所述基于IPv6的农业物联网系统，采用6LowPAN无线传感器网络技术，包括边界路由器、与边界路由器之间进行通信的监测节点和对监测节点进行控制的上位机软件。

所述上位机软件发出用于获取参数数据的参数获取命令与用于控制设备的控制命令；

所述边界路由器对6LowPAN无线传感器网络区域分配IPv6地址前缀，包括转换器与路由器，所述转换器与路由器通信连接；

所述监测节点包括天线、微处理器、传感器模块以及继电器模块，所述监测节点通过天线、微处理器接收到上位机软件发出的信息，如果监测节接收到上位机软件的所述参数获取命令，则将传感器获取的采集数据发送至上位机软件；如果接收到上位机软件的所述控制命令，就将所述控制命令通过继电器模块发送给农业生产的执行机构。

所述基于IPv6的农业物联网系统的进一步设计在于，所述上位机软件为手持式设备的APP软件或是计算机的客户端软件，所述计算机和手持式设备都通过WIFI网络与边界路由器进行连接。

所述基于IPv6的农业物联网系统的进一步设计在于，所述监测节点还包含有温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳传感器、土壤湿度传感器以及土壤PH传感器。

所述基于IPv6的农业物联网系统的进一步设计在于，转换器包括天线、微处理器以及串口模块，天线与串口模块分别与微处理器通信连接；路由器是运行了OpenWRT操作系统的家用路由器。

所述基于IPv6的农业物联网系统的进一步设计在于，所述路由器设有一个USB口，USB口通过USB线与所述串口模块通信连接实现数据交换。

所述基于IPv6的农业物联网系统的进一步设计在于，所述参数获取命令格式包括：大棚序号、监测节点序号、传感器类型以及数据校验位。

所述基于IPv6的农业物联网系统的进一步设计在于，所述控制命令格式包括：大棚序号、监测节点序号、控制设备类型、控制命令以及数据校验位。

根据所述基于IPv6的农业物联网系统，提供一种对应的控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤1）使用电池对监测节点进行供电，放置于农业大棚中；使用USB线将边界路由器的转换器部分与路由器部分进行连接，边界路由器随后会为该区域分配IPv6地址前缀；监测节点在接收到边界路由器分配的IPv6地址前缀后，所述IPv6地址前缀与微处理器内的MAC地址生成一个IPv6地址作为该监测节点的IP地址。

步骤2）使用手机或者电脑，通过无线的方式与边界路由器进行连接，连接成功之后，打开手机APP或者电脑上的上位机软件；

步骤3）APP或者上位机软件会定时地向各个监测节点发送参数数据获取命令，得到监测节点返回的传感器数据，随后将数据在软件界面上进行显示，并存储至数据库中，以便用户通过上位机软件上的曲线图查看大棚内环境参数的变化情况；

步骤4）上位机软件生成一张表格，用于记录设备的IP地址，上位机软件根据该表依次向各个监测节点发送命令，如果上位机向某一监测节点发送命令，但没有接收到该监测节点返回的数据，则上位机判定该节点工作异常，向用户发出警告，提醒用户进行检查该监测节点的运行情况；用户可在上位机软件中设置环境参数的阈值，当接收到的参数数据不在该阈值范围内时，便会报警，以提醒用户。

所示基于IPv6的农业物联网系统的控制方法的进一步设计在于，在步骤3）中，当上位机软件向监测节点发送数据，数据到达边界路由器时，边界路由器会根据6LowPAN无线传感器网络建立时形成的路由表，确定将数据发送至哪一个监测节点，每一个监测节点都有一个路由表，确定数据的目的地址后，对应监测节点接收该数据包并对其进行解析，执行相应的操作；否则，根据自身的路由表，将数据发送至下一个监测节点。

所示基于IPv6的农业物联网系统的控制方法的进一步设计在于，监测节点采用被动的方式接收上位机软件发出的数据和命令。

本发明的优点如下：

(1) 监测节点和边界路由器的转换器部分采用价格较低的CC2530微处理器，节约了成本。

(2) 每一个监测节点都采用被动的方式接收上位机的数据和命令，即不主动地向上位机软件发送数据，使得监测节点满足低功耗的要求，可以确保长时间的工作。

(3) 将二氧化碳传感器、温度传感器、湿度传感器和光照传感器安装在大棚的顶层，用于监测大棚内的二氧化碳、温湿度和光照等数据。如果其中的数值不在上位机软件设置的阈值内，则上位机软件就会发出警报。监测节点则会自动地采取打开通风扇等措施进行处理。

(4) 将土壤湿度传感器和土壤PH值传感器安装在土壤中，用于监测土壤中湿度和PH值。当数值不在设定的阈值范围时，则上位机软件就会发出警报。监测节点则会地自动采取打开灌溉器等措施进行处理。

(5) 当手机和电脑与边界路由器建立无线连接后，就可以使上位机软件获取监测节点的数据，以及对监测节点上的设备进行远程控制。

(6) 上位机软件可以对监测节点进行管理，上位机软件会有一张设备表，该设备表是所有监测节点的IPv6地址。上位机软件会根据这张表格向各个监测节点发送数据和命令。上位机软件会对各个监测节点返回数据的情况进行统计，如果某个监测节点长时间没有返回数据，则认为该节点出现异常情况，用户需要对该节点进行检查。

(7) 可以使用电池对监测节点进行供电，这使得监测节点可以放置在大棚中的任意位置，简单实用，实用性强。

附图说明

图1为本发明的系统的模块示意图。

图2为本发明的系统结构框图。

图3为监测节点硬件电路设计图。

图4为边界路由器结构图。

图5为监测节点的电池供电原理图。

图6为监测节点的继电器控制原理图。

图7为边界路由器的转换器部分串口模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本实施例所述的基于IPv6的农业物联网实现方法，其架构包括边界路由器、与边界路由器之间进行通信的监测节点和对监测节点进行控制的上位机软件，如图1、图2所示。

监测节点由数据采集模块、数据处理模块、电源模块和无线模块组成。其中数据采集模块的功能为采集农作物生长环境中的温湿度等物理量，至少包括温度传感器、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、土壤湿度传感器以及土壤PH传感器。所述温度传感器用于监测大棚内的空气温度，所述湿度传感器用于监测大棚内的空气湿度，所述光照传感器用于监测大棚中的光照情况，所述二氧化碳传感器用于监测大棚中的CO2浓度，所述土壤湿度传感器用于监测土壤的温度，所述土壤PH传感器用于监测土壤的PH值。随后，数据采集模块将这些采集到的数据送入以微处理器为核心的数据处理模块中。

数据处理模块是指监测节点上的微处理器以及继电器模块。微处理器除了将采集的数据上传至无线模块外，同时还可以将接收并执行上位机发送的命令，例如开关继电器。继电器的作用是控制大棚内的灌溉器、通风机等设备的通断。

无线模块用于实现监测节点与边界路由器之间的无线数据传输。

电源模块用于向其他模块进行供电。

所述的监测节点采用被动的方式接收上位机的数据和命令，即不主动地向上位机软件发送数据，使得监测节点满足低功耗的要求，可以确保长时间的工作。

本实施例的监测节点的硬件电路设计如图3所示，监测节点的微处理器采用的是CC2530芯片。本实施例的监测节点的电池供电模块参见图5，继电器模块参见图6。

边界路由器是6LowPAN无线传感器网络与IPv6互联网络的桥梁，其作用是实现无线传感器网络的数据包和IP数据包之间的相互转换。由于6LowPAN无线传感器网络的数据包MAC层协议是IEEE 802.15.4，IPv6互联网网络数据包MAC层协议是IEEE 802.3，因此两者之间需要进行转换。本实施例的边界路由器由转换器和路由器这两个部分组成，其结构图如图4所示。

对于边界路由器中的转换器部分，其主控芯片采用了CC2530，无线传输部分采用了2.4G天线。CC2530芯片和路由器之间的通信采用了串口模块，参见图7。

转换器部分的作用是接收6LowPAN无线传感器网络中的无线数据包，然后发送至边界路由器的路由器部分；同时可以从路由器部分接收IP数据包，然后发送至6LowPAN无线传感器网络中。

对于边界路由器中的路由器部分，采用了OpenWRT操作系统。该系统是一种嵌入式Linux操作系统，常用于家用路由器中。路由器部分使用USB接口和转换器部分进行通信。

路由器部分的作用是从转换器部分中接收数据，然后通过WIFI模块发送至IP互联网中；同时接收IP互联网中的数据，通过USB接口传输至转换器中。

路由器部分和转换器部分之间的数据交换采用了SLIP协议，该协议是一种串行IP协议，用于在串行线路上传输IP数据包。

上位机软件主要实现如下几个功能：

(1) 数据采集功能：上位机软件定时地访问农业大棚内的每一个监测节点，以便获取每一个监测节点上的各种传感器数据。

(2)数据存储功能：将从监测节点上获取的数据存储至数据库中，便于用户查询历史数据。

(3)数据展示功能：使用折线图展示数据变化，便于用户获取大棚内温湿度、光照等环境参数变化的趋势。

(4) 远程设备控制功能：点击软件界面上的按钮，即可实现对监测节点上的继电器设备进行开与关控制，以实现对大棚中的灌溉器与通风扇等设备的控制。

(5) 阈值设置功能：在上位机软件中设置各个环境参数的阈值，当环境参数不在阈值的范围内时，将进行报警操作，以提醒用户对大棚中的环境进行检查。

(6) 设备管理功能：上位机软件会有一张设备表，该设备表是所有监测节点的IPv6地址。上位机软件会根据这张表格向各个监测节点发送数据和命令。上位机软件会对各个监测节点返回数据的情况进行统计，如果某个监测节点长时间没有返回数据，则认为该节点出现异常情况，用户需要对该节点进行检查。

上位机要对监测节点进行获取数据以及控制继电器这两种操作，因此需要定义两种数据格式。获取监测节点上各个传感器数据的数据格式如下所示：

GET

#

大棚序号

#

监测节点序号

#

传感器类型

#

数据校验位

“GET”字符串说明该数据格式是用于从监测节点上获取数据；“大棚序号”用于指定相应的大棚；“监测节点序号”用于指定该大棚中相应的节点序号；“传感器类型”用于指定从何种传感器中获取数据，例如使用“TEMP”是从温度传感器中获取数据，使用“HUMI”是从湿度传感器中获取数据；数据校验位用于对该数据帧格式进行校验。这些数据之间使用“#”号进行分隔。当监测节点接收到该数据包时，就会向上位机软件返回相应的传感器数据。

控制监测节点的设备的数据格式如下所示：

POST

#

大棚序号

#

监测节点序号

#

控制设备类型

#

控制命令

#

数据校验位

“POST”字符串说明该数据格式用于控制监测节点的上的设备，例如LED灯、继电器等；“大棚需要”、“监测节点序号”、“数据校验位”和以上数据格式相同，不再赘述；“控制设备类型”用于指定需要控制的设备类型，例如使用“LED”指定控制LED灯，使用“RELAY”指定控制继电器；“控制命令”用于指定对设备的操作方式，例如“ON”命令打开指定设备；“OFF”命令关闭指定的设备。当监测节点接收到该数据包时，就会执行相应的操作。

本发明所述的基于IPv6的农业物联网控制方法，采用上述基于IPv6的农业物联网系统，包括以下步骤：

步骤1）使用电池对监测节点进行供电，放置于农业大棚中；使用USB线将边界路由器的转化器部分与路由器部分进行连接，边界路由器随后会为该区域分配IPv6地址前缀。监测节点在接收到边界路由器分配的IPv6地址前缀后，会和微处理器内的MAC地址生成一个IPv6地址，作为该监测节点的IP地址。

步骤2）使用手机或者电脑，通过无线的方式与边界路由器进行连接。连接成功之后，打开手机APP或者电脑上的上位机软件。

步骤3）APP或者上位机软件会定时向各个监测节点发送参数数据获取命令，得到监测节点返回的传感器数据，随后将数据在软件界面上进行显示，并存储至数据库中。用户可以通过上位机软件上的折线图，查看大棚内环境参数的变化情况。

步骤4）用户也可以打开上位机软件的控制界面，使用该界面对监测节点上的设备进行控制。上位机软件向相应的监测节点发送设备控制命令，随后监测节点会执行对应的命令，并向上位机软件返回字符串“SUCCESS”，意思是该监测节点已经成功地执行了这个命令。

步骤5）上位机软件会生成一张表格，用于记录设备的IP地址。上位机软件会根据该表依次向各个监测节点发送命令。如果向某一监测节点发送命令，但长时间没有接收到该监测节点返回的数据，则认为该节点工作异常，向用户发出警告，提醒用户进行检查该监测节点的运行情况。用户可以在上位机软件中设置环境参数的阈值，当接收到的参数数据不再该阈值范围内时，便会报警，以提醒用户查看大棚内的情况。

在步骤3和步骤4中，当上位机软件向监测节点发送数据，数据包到达边界路由器时，边界路由器会根据6LowPAN无线传感器网络建立时形成的路由表，确定将该数据包发送至下一个监测节点。每一个监测节点都有一个路由表，如果该数据包的目的地址是该节点，则接收该数据包并对其进行解析，执行相应的操作；否则，根据自身的路由表，将数据包发送至下一个监测节点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于IPv6的农业物联网系统，采用6LowPAN无线传感器网络技术，其特征在于包括边界路由器、与边界路由器之间进行通信的监测节点和对监测节点进行控制的上位机软件，

所述上位机软件发出用于获取参数数据的参数获取命令与用于控制设备的控制命令；

所述边界路由器对6LowPAN无线传感器网络区域分配IPv6地址前缀，包括转换器与路由器，所述转换器与路由器通信连接；

所述监测节点包括天线、微处理器、传感器模块以及继电器模块，所述监测节点通过天线、微处理器接收到上位机软件发出的信息，如果监测节接收到上位机软件的所述参数获取命令，则将传感器获取的采集数据发送至上位机软件；如果接收到上位机软件的所述控制命令，就将所述控制命令通过继电器模块发送给农业生产的执行机构。

2.根据权利要求1所述的基于IPv6的农业物联网系统，其特征在于所述上位机软件为手持式设备的APP软件或是计算机的客户端软件，所述计算机和手持式设备都通过WIFI网络与边界路由器进行连接。

3.根据权利要求1所述的基于IPv6的农业物联网系统，其特征在于所述监测节点还包含有温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳传感器、土壤湿度传感器以及土壤PH传感器。

4.根据权利要求1所述的基于IPv6的农业物联网系统，其特征在于转换器包括天线、微处理器以及串口模块，天线与串口模块分别与微处理器通信连接；路由器是运行了OpenWRT操作系统的家用路由器。

5.根据权利要求4所述的基于IPv6的农业物联网系统，其特征在于所述路由器设有一个USB口，USB口通过USB线与所述串口模块通信连接实现数据交换。

6.根据权利要求1所述的基于IPv6的农业物联网系统，其特征在于所述参数获取命令格式包括：大棚序号、监测节点序号、传感器类型以及数据校验位。

7.根据权利要求1所述的基于IPv6的农业物联网系统，其特征在于所述控制命令格式包括：大棚序号、监测节点序号、控制设备类型、控制命令以及数据校验位。

8.如权利要求1-7任一项所述的基于IPv6的农业物联网系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1）使用电池对监测节点进行供电，放置于农业大棚中；使用USB线将边界路由器的转换器部分与路由器部分进行连接，边界路由器随后会为该区域分配IPv6地址前缀；监测节点在接收到边界路由器分配的IPv6地址前缀后，所述IPv6地址前缀与微处理器内的MAC地址生成一个IPv6地址作为该监测节点的IP地址；

步骤2）使用手机或者电脑，通过无线的方式与边界路由器进行连接，连接成功之后，打开手机APP或者电脑上的上位机软件；

步骤3）APP或者上位机软件会定时地向各个监测节点发送参数数据获取命令，得到监测节点返回的传感器数据，随后将数据在软件界面上进行显示，并存储至数据库中，以便用户通过上位机软件上的曲线图查看大棚内环境参数的变化情况；

步骤4）上位机软件生成一张表格，用于记录设备的IP地址，上位机软件根据该表依次向各个监测节点发送命令，如果上位机向某一监测节点发送命令，但没有接收到该监测节点返回的数据，则上位机判定该节点工作异常，向用户发出警告，提醒用户进行检查该监测节点的运行情况；用户可在上位机软件中设置环境参数的阈值，当接收到的参数数据不在该阈值范围内时，便会报警，以提醒用户。

9.根据权利要求1所述的基于IPv6的农业物联网系统的控制方法，其特征在于在步骤3）中，当上位机软件向监测节点发送数据，数据到达边界路由器时，边界路由器会根据6LowPAN无线传感器网络建立时形成的路由表，确定将数据发送至哪一个监测节点，每一个监测节点都有一个路由表，确定数据的目的地址后，对应监测节点接收该数据包并对其进行解析，执行相应的操作；否则，根据自身的路由表，将数据发送至下一个监测节点。

10.根据权利要求1所示的基于IPv6的农业物联网系统的控制方法，其特征在于监测节点采用被动的方式接收上位机软件发出的数据和命令。