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掌上明珠oa:基于COAP与MQTT的智慧果园灌溉监测系统

时间: 2019-03-14阅读:

摘要 基于IPV6的无线传感器网络架构简单而且与现有IP网络兼容,更加适合于智慧果园灌溉监测系统。采用COAP与MQTT协议混合监测环境因素,可以同时满足主动发布传感器数据和被动传感器数据查询的要求。基于CC2538硬件平台和Contiki操作系统,混合COAP和MQTT协议提出一种智慧果园灌溉检测系统,实验测试表明该系统网络连通性良好,且具有较好的能耗。

[关键词]无线传感器网络 Cont iki操作系统 消息队列遥测传输 约束应用协议

1 引言

基于物联网的智慧灌溉农业方案被应用在各类农业环境监控领域中,这些方案一般都采用基于Zigbee的无线传感器网络,实时采集灌溉系统所需的环境因素值。但Zigbee节点采用独立的地址编码,因此无法与外部互联网透明通信,方案复杂且与现有网络不兼容;文献[8]提出了一种基于COAP和Contiki的采集系统有助于建立基于IP的无线传感器网络,但COAP协议适合于点对点之间的查询,缺乏主动通知机制,不利于大规模的无线传感器网络信息监测。

针对以上问题,本文设计基于6LowPAN(IPv6 0ver Low power WirelessPersonal Area Networks,低功耗无线个域网IPv6标准)的COAP(Constrained ApplicationProtocol,约束应用协议)和MQTT(MessageQueuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输)混合组网的无线传感器网络果园监测系统,所有传感器节点和边界路由节点均采用低功耗CC2538平台的Contiki操作系统,普通传感器节点实现COAP协议,部分特殊传感器节点实现MQTT协议,边界路由节点实现Slip-radio(Serial Line Internet Protocol- radio,无线串行线路网际协议)和IPV6网关协议。实验表明该方案能有效的进行果园信息检测,网络节点基于全IPV6的架构,网络结构简单且硬件功耗低。后续章节组织如下:第二节说明系统总体设计;第三节说明系统实现算法;第四节进行试验和分析;最后列出结论。

2 系统总体设计

根据Penman-Monteith公式,作物需水量主要由以下因素决定:当地经纬度、海拔高度、平均气温、太阳净辐射、平均气温、平均风速和平均露点温度。智慧果园浇灌监控系统重点监测温湿度和光照强度,系统总体架构图如图1所示,传感器节点和边界路由器采用CC2538微处理器的系统。CC2538基于Cortex M3的MCU系统,支持最多32KB的片上RAM和512KB的片上闪存,具备可靠的IEEE802.15.4射频功能。功率消耗在CPU闲置时,有源模式RX为20mA,TX为24mA,在三种功率模式下能耗分别为0.6mA,1.3μA和0.4μA。电源模块上,传感器节点和边界路由器同时支持有源供电和锂电池供电。边界路由器外接ENC28J60模块,该模块为IEEE802.11兼容的以太网控制器,集成了MAC和10BASE-T物理层协议,可接入标准以太网络。

各设备间网络通信协议如图2所示,其中傳感器节点基于6LowPAN实现COAP协议以及相关的采集和通信应用;边界节点实现多个协议栈,基于6LowPAN的IPV6协议栈与基于以太网的IPV6协议栈实现无线传感器网络与互联网互联互通,MQTT协议以及汇聚应用实现信息汇总和发布;手机/PC/服务器等通过COAP和MQTT查询采集数据或者得到相关通知。

3 系统实现算法

3.1 Contiki平台设计

Contiki是一种适用于资源受限环境下的无线传感器网络操作系统,它用C语言开发,具有多任务管理与调度,资源分配与进程间通信等功能;进程间采用共享堆栈的方式,进程间切换仅需要2字节保留现场。

Contiki操作系统已经支持CC2538硬件平台,因此操作系统层级主要是增加对COAP/MQTT协议、slip-radio协议栈、传感器采集进程和消息收发进程的初始化、配置和引导,优化后的Contiki操作系统运行流程如图3所示。

3.2 应用软件算法设计

传感器节点应用软件针对COAP和MQTT不同协议栈定义不同的Protothread。对于COAP协议,传感器节点定义温湿度和光照传感器资源,定时采集并更新;对于MQTT协议,应用软件还需要测试与MQTT Server的连通性,发布数据以及关闭连接等。算法设计如图4所示。

MQTT应用软件处理传感器事件比较复杂,分为8种状态进行处理:

(1)初始状态。应用进程初始时进入该状态;

(2)配置错误状态。当读取或更新MQTT配置信息错误时,由初始状态进入该状态;

(3)错误状态。任意非配置错误状态均可进入该状态;

(4)已登记状态。系统由初始状态向MQTT服务器发起登记请求,成功后进入该状态;

(5)连接中状态。系统在登记成功后,向MQTT服务器发起连接进入该状态;

(6)已连接状态。系统连接成功后进入该状态,并且发起publish动作;

(7)发布中状态。系统发起publish后进入该状态,发布完成进入初始状态。

4 实验和测试

针对该混合组网形式,共组织了两类实验:协议连通性测试和性能测试实验。其中连通性测试实验部署1个边界路由器节点,2个COAP传感器节点和2个MQTT传感器节点,1个无线路由器和1个ENC28J60,一台Ubuntu应用服务器,安装Mosquitto作为MQTT服务器,Firefox安装Copper插件作为COAP客户端。核心的实物网络连接如图5所示。

实验总共进行5次,分别对COAP节点和MQTT节点用ping6命令测试连通性,用Firefox检查COAP节点协议启动情况,用mosquitto客户端检查MQTT服务连接和传感器数据publish情况。测试结果表明系统连通性良好,协议栈运行稳定。如图6(a)所示,左边是订阅MQTT主题iot-2/evt/status/json的日志,右边是mosquitto服务器日志:如图中标识,MQTT节点成功发布了温湿度信息且被订阅客户端正确收到;如图6(b)所示,左边是Firefox显示节点COAP信息,右边是交互的协议栈信息,如图中标识所示,基于6LowPAN的COAP协议栈正确的进行交互。

性能测试采用Contiki平台的COOJA模拟器,随机部署22个节点,从上电开始每次总计监测150秒,测试5次,得到网络性能如表1所示。根据表中数据,基于6LowPAN的COAP/MQTT混合网络无线消息发送和接收耗时比例~0.21%,有效的节省系统整体能耗。

5 结语

基于IPV6的智慧果园浇灌系统的无线传感器组网方案,相比Zigbee网络更加简单而且可和现有互联网络透明互联互通。采用COAP和MQTT混合组网既可以实现系统节点的被动查询,也可以实现传感器数据的主动推送,从而方便大规模传感器网络节点的管理。本文综合以上因素,基于CC2538平台提出一种智慧果园浇灌系统环境检测的方案,实验测试表明可以在较低的能耗下获得COAP与MQTT节点混合组网。该方案不仅适应于果园的环境检测,也可以广泛应用于其他农作物生长浇灌环境监控。本文没有分析COAP与MQTT混合组网时整体网络能耗的增加比例,这在果园浇灌系统监测中并非关键要素,但对于某些作物覆盖广泛的农场非常重要,是下一步进行研究的方向。

參考文献

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