基于物聯(lián)網(wǎng)溫室群溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)_王蕾.pdf

2016 02 04設(shè)計(jì)與研發(fā) 6 基于物聯(lián)網(wǎng)溫室群溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 王 蕾 倫志新 唐山學(xué)院 河北 唐山 063009 摘要 隨著物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展 本文針對(duì)溫室環(huán)境控制中的問(wèn)題 設(shè)計(jì)了基于物聯(lián) 網(wǎng)溫室群溫濕度的監(jiān)控系統(tǒng) 系統(tǒng)采用 STM32為控制核心 溫室環(huán)境參數(shù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī) 上位機(jī)則通過(guò)GSM模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 本文設(shè)計(jì) 了樹型網(wǎng)絡(luò) 同時(shí)利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了用戶界面 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高 滿足了設(shè)計(jì)要求 關(guān)鍵詞 溫室群 ZigBee LabVIEW GSM 監(jiān)控系統(tǒng) Design of Implementation System of Greenhouse group Temperature and Humidity Monitoring System Based on Internet of Things Wang Lei Lun Zhixin Tangshan College Tang Shan 063009 Abstract The internet things technology rapid development According to greenhouse environment control problem this paper designed a system based on Internet of things for monitoring greenhouse group temperature and humidity STM32 was used as the core processor The data finally was transferred to PC by ZigBee wireless transmission network and the PC through GSM module to realize the remote control of the system This paper designed a tree network and system realized user interface for LabVIEW It was proved that the stability and reliability of the system meet the requirements Keywords greenhouse group ZigBee LabVIEW GSM monitoring system 我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó) 提高單位面積的作物的產(chǎn)量 生產(chǎn)優(yōu) 質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切要求 溫室大棚是一種可以改 變植物生長(zhǎng)環(huán)境 根據(jù)作物的生長(zhǎng)的最佳生長(zhǎng)條件 調(diào)節(jié)溫室氣 候 能夠避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱?chǎng)所 是實(shí)現(xiàn) 高產(chǎn) 優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要的組成部分 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展 溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控方法已由手動(dòng)控制到自動(dòng)控制再逐漸變?yōu)?無(wú)線傳感器或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控 在一定程度上促進(jìn)了溫室農(nóng)業(yè)的發(fā) 展 但目前我市溫室智能化研究還處于起步階段 其設(shè)備自動(dòng)化 水平不高 人工操作占主導(dǎo)地位 大棚管理分散 歷史記錄性差 沒(méi)有建立溫棚群的灌溉管理系統(tǒng) 設(shè)備缺少遠(yuǎn)程監(jiān)控功能 物聯(lián)網(wǎng)溫室群監(jiān)控系統(tǒng) 可以定量獲取和分析農(nóng)業(yè)環(huán)境的多 種參數(shù) 實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的多點(diǎn) 多棟環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控 其檢測(cè)目標(biāo) 可以是溫度 濕度 光照 水和土壤空氣成分等 通過(guò)ZigBee無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)通信把各棚的參數(shù)匯總到上位機(jī)監(jiān)控端 上位機(jī)再通過(guò)執(zhí)行 結(jié)構(gòu)去調(diào)節(jié)大棚的溫度 濕度等參數(shù) 從而能對(duì)棚內(nèi)各個(gè)環(huán)境參 數(shù)達(dá)到良好的檢測(cè) 協(xié)調(diào)控制環(huán)境參數(shù) 使其環(huán)境條件能夠適宜 作物的成長(zhǎng) 樂(lè)亭縣萬(wàn)事達(dá)農(nóng)業(yè)合作社位于唐山市樂(lè)亭縣中堡鎮(zhèn) 規(guī)劃 占地面積35000畝 其中核心區(qū)占地1000畝 現(xiàn)有30余座育苗 種植溫室 本設(shè)計(jì)選定4棟大棚 利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)溫室 群溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 隨著科技不斷進(jìn)步 我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展正在朝著農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)行列邁 進(jìn) 溫室大棚是精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分 其不受季節(jié) 影響 是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的 1 系統(tǒng)體設(shè)計(jì)方案 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)方案示意圖如圖1所示 該系統(tǒng)由無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò) STM32控制端 上位機(jī)監(jiān)控管理和遠(yuǎn)程手動(dòng)管理系統(tǒng) 四部分組成 系統(tǒng)通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)作物生 長(zhǎng) 采集參數(shù)包括空氣溫濕 土壤溫濕度以及光照等數(shù)據(jù) 執(zhí)行機(jī) 構(gòu)包括風(fēng)機(jī) 灌溉閥門和遮陽(yáng)簾等 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用樹型 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要根據(jù)通信協(xié)議對(duì)終端節(jié)點(diǎn) 路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié) 調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì) 將各個(gè)能耗介質(zhì)終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn) 和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接 通過(guò)STM32嵌入式核心板實(shí)各溫室環(huán)境的 單獨(dú)監(jiān)控 協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)用戶控制端之間的數(shù)據(jù)傳輸 使 用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)用戶界面 用戶可設(shè)定參數(shù)閾值 查詢歷史 記錄 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理 從而達(dá)到方便用戶使用的效果 使用 GSM模塊設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程用戶手動(dòng)控制系統(tǒng)的功能 使該系統(tǒng)具備自動(dòng) 和手動(dòng)控制能力 圖1 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)方案示意圖 2 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 項(xiàng)目 2014年唐山市科技支撐項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào) 14120209a 2015年河北省科技支撐項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào) 15227014 DOI 10 16520 ki 1000 8519 2016 04 003 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間 2016 04 06 15 31 24 網(wǎng)絡(luò)出版地址 2016 02 04 設(shè)計(jì)與研發(fā) 7 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee協(xié)議來(lái)負(fù)責(zé)溫室環(huán)境參數(shù)采集與調(diào) 節(jié) 本系統(tǒng)由1個(gè)協(xié)調(diào)器 4個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和N個(gè)終端節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)組 成樹型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的主控芯片為CC2530 它是TI 公司生產(chǎn)的第二代嵌入式 SOC片上系統(tǒng) 具有2 4GHz ISM波段 應(yīng)用 結(jié)合2 4GHz DSSS射頻發(fā)射核心和8051內(nèi)核 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是 負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò) 協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸和負(fù)責(zé)與上位機(jī)串口 通信 路由節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸中起到中繼作用 它本身也可 以是采集終端 系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè) 計(jì) 2 1 網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì) 網(wǎng)絡(luò)主控板主要由電源電路 USB轉(zhuǎn)串口通信電路和接 口電路組成 接口電路連接核心板與傳感器模塊或控制模塊 并為它們提供電源接口 傳感器模塊包括傳感器和轉(zhuǎn)接板兩部 分 主要用于數(shù)據(jù)采集和傳導(dǎo)信息進(jìn)入主控板 溫濕度檢測(cè)節(jié) 點(diǎn)由SHT10采集環(huán)境指標(biāo) 測(cè)濕精度為 4 5 測(cè)溫精度為 0 5 滿足設(shè)計(jì)需求 其采用SMD貼片封裝 用兩條串行線與 處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)采集完成 經(jīng)路由器送協(xié)調(diào)器 完成 一次采集周期 SHT10 設(shè)計(jì)中 CC2530 的 P0 0 用于 SCK 數(shù)據(jù)通 信 P0 6用于DATA三態(tài)門數(shù)據(jù)讀取連接 光照度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采用 光敏電阻實(shí)現(xiàn) 當(dāng)光照增強(qiáng)電阻減小 然后使用內(nèi)部集成的A D 轉(zhuǎn)換器把電壓變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字量進(jìn)行處理 最后經(jīng)路由器送入?yún)f(xié) 調(diào)器 完成一次數(shù)據(jù)采集周期 將P0 6設(shè)置成特殊功能IO口即 ADC的入口 控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成上級(jí)指令 主要由4個(gè) 5V繼電 器 2個(gè)雙層USB輸出接口組成 CC2530通過(guò)控制繼電器通斷 來(lái)控制執(zhí)行器的工作狀態(tài) 每個(gè)溫室主要設(shè)計(jì)通風(fēng)口 加熱器 補(bǔ) 光燈和遮陽(yáng)簾4類執(zhí)行器 2 2 節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)軟件由三部分組成 其中包括下位機(jī)C語(yǔ)言編程 無(wú) 線傳輸模塊Zigbee編程 上位機(jī)圖形語(yǔ)言編程 樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 包括1個(gè)協(xié)調(diào)器和一系列的路由器與終端節(jié)點(diǎn) 設(shè)置通信規(guī)則 為每個(gè)子節(jié)點(diǎn)只能和它的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)通信 協(xié)調(diào)器的ZAPP CONFIG PAN ID 設(shè)置為 0 xFFFF 同時(shí)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生隨機(jī) PANID 值 并以此值建網(wǎng) 傳感器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集棚內(nèi)空氣 土壤的溫濕度 CO2濃 度和光照強(qiáng)度 溫濕度節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示 首先上電 初始化SHT10 其次當(dāng)終上電成功申請(qǐng)加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后 尋找協(xié) 調(diào)器節(jié)點(diǎn)并接收指令 開啟數(shù)據(jù)采集指令 并封裝數(shù)據(jù)傳輸至協(xié) 調(diào)器 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示 協(xié)調(diào)器上電后 按 照編譯時(shí)所定的參數(shù) 從而選擇合適的信道 合適的網(wǎng)絡(luò)號(hào) 建立 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 然后接收終端發(fā)送過(guò)來(lái)的環(huán)境參數(shù) 通過(guò)串口 傳輸給PC機(jī) 圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖 3 基于 LabVIEW 用戶界面設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用LabVIEW軟件編寫上位機(jī)界面 其圖形化G語(yǔ)言 代碼 便于理解 本設(shè)計(jì)前界面主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示棚內(nèi)溫濕度等 環(huán)境參數(shù)并且對(duì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值比較 判斷是否在安全閾值之內(nèi) 如果超過(guò)閾值則可通過(guò)上位機(jī)控制下位機(jī)進(jìn)行溫濕度控制 對(duì)于 環(huán)境可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行跟蹤 并使用GSM模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控 制 LabVIEW圖像化顯示控件按顯示方式可分為兩大類 趨勢(shì)圖 和波形圖 本系統(tǒng)使用的是趨勢(shì)圖中的波形圖表 本系統(tǒng)使用了 6個(gè)波形圖表分別顯示空氣溫濕度 土壤溫濕度 空氣CO2濃度 圖2溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖 2016 02 04設(shè)計(jì)與研發(fā) 8 和光照強(qiáng)度6個(gè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)當(dāng)前數(shù)據(jù) LabVIEW用戶界面 前面板如圖4所示 下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后通過(guò)Zigbee協(xié)調(diào)器進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳 輸 Zigbee終端將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給上位機(jī) 上位機(jī)通過(guò)串口 配置后即可與終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 通過(guò)Instr屬性進(jìn)行判斷數(shù)據(jù) 緩沖區(qū)內(nèi)是否有數(shù)據(jù) 如果有數(shù)據(jù)就進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取 本設(shè)計(jì)規(guī)定 的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是每次發(fā)送和接收10個(gè)字節(jié)即為一幀 通過(guò)設(shè) 定 VISA READ 字節(jié)為 10 即可每次讀取 10 個(gè)字節(jié) 10 個(gè)字節(jié)中 前3個(gè)為幀頭用于判斷接收數(shù)據(jù)是否正確 通過(guò)第4個(gè)字節(jié)判斷 后面的字節(jié)是溫濕度數(shù)據(jù)還是用戶密碼數(shù)據(jù) 串口通信設(shè)計(jì)如圖 5所示 圖4 LabVIEW用戶界面前面板 本次設(shè)計(jì)使用的溫室記錄方法為創(chuàng)建表格方法和數(shù)據(jù)庫(kù)方 法 創(chuàng)建表格法將數(shù)據(jù)信號(hào)合并 寫入表格 并顯示出來(lái) 數(shù)據(jù)庫(kù) 記錄方法使用Access數(shù)據(jù)庫(kù) 創(chuàng)建數(shù)據(jù)源 并將數(shù)據(jù)寫入到數(shù) 據(jù)記錄文件中 并顯示出來(lái) 數(shù)據(jù)讀取時(shí) 在獲取數(shù)據(jù)庫(kù)文件路 徑后 使用 DB Tools Open Connection 打開數(shù)據(jù)庫(kù)連接 再使 用 DB Tools Select Data 提取一列數(shù)據(jù) 然后利用 Database Variant To Data將數(shù)據(jù)庫(kù)變量轉(zhuǎn)換為字符串?dāng)?shù)據(jù)類型 然后創(chuàng) 建成數(shù)組 以表格形式顯示出來(lái) 4 結(jié)論 本設(shè)計(jì)是采用物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了溫室群的溫 濕度環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng) 系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 運(yùn)行穩(wěn)定 操作簡(jiǎn) 潔 界面友好整潔 便于用戶查詢溫棚環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù) 今后可 開發(fā)手機(jī)APP應(yīng)用軟件 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制 參考文獻(xiàn) 1 何成平 基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能控制系統(tǒng) J 常 州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) 2009 13 3 9 2 李立楊 王華斌 白鳳山 基于 ZigBee 和 GPRS 網(wǎng)路的 溫室大棚無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 2012 20 12 3148 3150 3 王小強(qiáng)等 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) M 北京 化 學(xué)工業(yè)出版社 2012 5 15 4 陳錫輝 LabVIEW 8 20 從入門到精通 M 北京 清華大學(xué) 出版社 2007 年 221 226 5 孫月強(qiáng) 基于LabVIEW的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 D 中國(guó)海洋大學(xué) 2010 24 30 6 沈建明 基于ZigBee的溫室大棚的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng) D 西 安工業(yè)大學(xué) 2013 24 27 7 倫志新 基于 LabVIEW 和 ZigBee 的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) J 電子測(cè)試 2014 12 1 2 作者簡(jiǎn)介 王蕾 1960 女 講師 碩士學(xué)位 研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ?圖5串口通信設(shè)計(jì)