智能物聯(lián)網(wǎng)溫室自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

第26卷 第1期 2019年1月 儀器儀表用戶 INSTRUMENTATION Vol.26 2019 No.1 智能物聯(lián)網(wǎng)溫室自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 范立南，劉 洲，武 剛，李佳洋，戴 祥 （沈陽(yáng)大學(xué) 信息工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110000） 摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能溫室自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)大棚內(nèi)各 傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的作物最佳生長(zhǎng)環(huán)境的閾值范圍進(jìn)行分析，給節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，控制管理機(jī)制中 的滴灌、放風(fēng)、補(bǔ)光燈等的狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。該系統(tǒng)不僅可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)環(huán)境等性能指標(biāo)，還可 以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，可降低生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。 關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；無(wú)線傳感器；智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng) 中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Design of Wisdom Agricultural Greenhouse Based on ZigBee Fan Linan，Liu Zhou，Wu Gang，Li Jiayang，Dai Xiang （School of Information Engineering, Shenyang University,Shenyang,110000,China） Abstract：In this paper, an intelligent greenhouse automatic monitoring system based on Internet of Things and ZigBee wireless sensor network technology is designed. According to the system, the data collected by each sensor node in the greenhouse and the threshold range of the optimal crop growth environment are analyzed. The control command is sent to control the state of drip irrigation, air release, fill light, etc. in the management mechanism, and the greenhouse environment is automatically adjusted. The system not only can accurately monitor the performance indicators such as the crop growth environment, but also can dynamically adjust the parameters, which can reduce the labor intensity of production personnel and achieve refined management. Key words：ZigBee technology；intelligent agriculture；internet of things 收稿日期：2018-09-27 基金項(xiàng)目：沈陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃項(xiàng)目（17-175-3-00）。 作者簡(jiǎn)介：范立南（1964-），男，沈陽(yáng)人，博士，教授，研究方向：智能控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。 0 引言 目前，發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)施農(nóng)業(yè)已具備了技術(shù)成套、設(shè)施設(shè) 備完善、生產(chǎn)規(guī)范、產(chǎn)量穩(wěn)定、質(zhì)量保證性強(qiáng)等特點(diǎn)，形 成了設(shè)施制造、環(huán)控調(diào)節(jié)、生產(chǎn)資材為一體的產(chǎn)業(yè)體系， 能根據(jù)動(dòng)植物生長(zhǎng)的最適宜生態(tài)條件在現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi) 進(jìn)行四季恒定的環(huán)境自動(dòng)控制，使得不受氣候條件的影 響，實(shí)現(xiàn)了周年生產(chǎn)、均衡上市。 當(dāng)前，國(guó)內(nèi)正處在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的 過(guò)渡時(shí)期，智能溫室大棚已經(jīng)成為了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一個(gè)重 要的組成部分，國(guó)內(nèi)智能溫室自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用與研究 已經(jīng)從引進(jìn)吸收階段開(kāi)始向綜合性研究、創(chuàng)新應(yīng)用階段過(guò) 渡，未來(lái)幾年，物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)將迎來(lái)飛速發(fā)展的新時(shí)期。 1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 1.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu) 依據(jù)溫室大棚環(huán)境控制目標(biāo)及參數(shù)特點(diǎn)，以物聯(lián)網(wǎng)技 術(shù)為支撐，設(shè)計(jì)溫室大棚智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚環(huán) 境參數(shù)的全面感知、可靠傳輸與智能處理，達(dá)到溫室大棚 自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和科學(xué)化生產(chǎn)的目標(biāo) 1 。該系統(tǒng)由 主控系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)相結(jié)合設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可在兩種模式下運(yùn)行， 在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的條件下，可以通過(guò)人工按鍵模式操作系統(tǒng)。 如圖1所示，本設(shè)計(jì)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大棚農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)控制系 統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的環(huán)境生長(zhǎng)參數(shù)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，并通 過(guò)管理機(jī)制，實(shí)時(shí)改善農(nóng)作物的最佳生長(zhǎng)環(huán)境方案。 系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，采用4層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分 DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2019.01.002 文章編號(hào)：1671-1041(2019)01-0006-04 范立南·智能物聯(lián)網(wǎng)溫室自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第1期 7 為感知層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層4個(gè)部分。 1）感知層由各類傳感器和攝像頭組成，用于采集光 照強(qiáng)度、土壤溫濕度、CO 2 濃度、空氣溫濕度以及大棚內(nèi)的 圖像。 2）控制層由水簾、風(fēng)扇、補(bǔ)光燈、散熱器、滴灌管、 放風(fēng)設(shè)備、遮陽(yáng)設(shè)備組成，滿足對(duì)智能溫室大棚的溫濕 度、光照強(qiáng)度等生長(zhǎng)條件進(jìn)行調(diào)控的需求。 3）網(wǎng)絡(luò)層由Zigbee收發(fā)設(shè)備、路由器、工業(yè)平板電 腦、云平臺(tái)等組成，通過(guò)Zigbee無(wú)線傳輸技術(shù)把傳感器數(shù)據(jù) 每20s一次發(fā)送給接收器，然后通過(guò)工業(yè)平板電腦每20min 一次把信息發(fā)送到云平臺(tái)上。攝像頭圖像通過(guò)路由器實(shí)時(shí) 傳輸?shù)皆破脚_(tái)。 4）應(yīng)用層包括PC端平臺(tái)、手機(jī)APP和主控制平臺(tái)，主 控制平臺(tái)可以直接對(duì)控制層的設(shè)備進(jìn)行控制，PC端和手機(jī) APP發(fā)送指令通過(guò)云平臺(tái)傳輸給主控平臺(tái)，完成對(duì)控制層 設(shè)備的控制。 1.2 ZigBee 技術(shù)概述 ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功率、低速 率、低成本，可靠性高的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要用于各種 電子設(shè)備之間的短距離、低功耗、低傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸 和典型周期數(shù)據(jù)、間歇數(shù)據(jù)和響應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用 2 。 隨著ZigBee技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，將 其應(yīng)用于智能溫室大棚進(jìn)行信息傳輸成為必然趨勢(shì) 3 。由于 其體積小、自動(dòng)組網(wǎng)，架設(shè)十分方便，并且由于它強(qiáng)調(diào)了 大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行群組協(xié)作，網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自愈能力，任何 節(jié)點(diǎn)的故障都不會(huì)對(duì)整個(gè)任務(wù)產(chǎn)生致命的影響，所以它特 別適合用于構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 基于以上優(yōu)勢(shì)，ZigBee節(jié)點(diǎn)連接傳感器、執(zhí)行器，配 置在相應(yīng)的設(shè)備位置，安裝施工簡(jiǎn)單，能滿足數(shù)據(jù)傳輸要 求，網(wǎng)絡(luò)可抗性強(qiáng)，成本低。 1.3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，傳感 器節(jié)點(diǎn)由傳感器單元、處理器單元、無(wú)線通信單元和電源 管理單元組成。傳感器單元負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的信息采集和數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換；處理器負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處 理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信單元 負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，交換控制信息和收發(fā)采 集上來(lái)的數(shù)據(jù)；電源模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能 量。傳感器節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。 1.4 智能溫室大棚的功能 1）種植環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè) 高精度、實(shí)時(shí)測(cè)量溫室大棚生產(chǎn)過(guò)程中溫室內(nèi)空氣溫 濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO 2 濃度，土壤PH值等數(shù) 據(jù)，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在控制箱和APP 圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖 Fig.1 System architecture diagram 第26卷 8 儀器儀表用戶 INSTRUMENTATION 及PC端界面，使用戶可以隨時(shí)隨地觀察大棚內(nèi)部環(huán)境。 2）種植環(huán)境視頻監(jiān)控 通過(guò)大棚內(nèi)的高清攝像頭實(shí)時(shí)傳輸?shù)漠?huà)面，用戶可以 在APP上查看大棚內(nèi)的視頻監(jiān)控圖像，可通過(guò)APP對(duì)攝像頭 進(jìn)行不同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和放大縮小畫(huà)面的操作。 3）自動(dòng)分析預(yù)警 事先通過(guò)控制箱或APP為大棚內(nèi)作物設(shè)置種植策略， 當(dāng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過(guò)或低于報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào) 警，并自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉指定設(shè)備，以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部環(huán)境。 4）遠(yuǎn)程自動(dòng)控制 用戶可以通過(guò)APP和PC端界面隨時(shí)隨地查看大棚內(nèi)的 生長(zhǎng)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并可以遠(yuǎn)程自動(dòng)操控大棚內(nèi) 的控制層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滴灌、自動(dòng)控溫、自動(dòng)補(bǔ)光等功 能，不用到現(xiàn)場(chǎng)也能達(dá)到種植要求。 5）數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)匯總 系統(tǒng)自動(dòng)保存采集到的數(shù)據(jù)，用戶可在操作界面查看 歷史數(shù)據(jù)折線圖，通過(guò)比較同一作物在不同種植環(huán)境中的 生長(zhǎng)情況，分析種植環(huán)境因素對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響， 形成科學(xué)低成本種植，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。 6）專家數(shù)據(jù)庫(kù) 為用戶提供作物品種選擇診斷、生長(zhǎng)狀況診斷、病 蟲(chóng)害診斷和專家知識(shí)查詢。方便用戶實(shí)時(shí)查詢作物種植技 術(shù)，實(shí)時(shí)診斷各種作物狀況及各階段相應(yīng)的控制方案，實(shí) 時(shí)解決作物問(wèn)題，提高作物產(chǎn)量。 2 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件部分主要包括主控系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)兩部分程序設(shè)計(jì)。 節(jié)點(diǎn)的程序是在KEIL4.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)和編譯，通過(guò) ST LINK系列燒錄軟件、USB轉(zhuǎn)TTL下載器將編譯好的程序 燒錄到單片機(jī)的FLASH中，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。主控 系統(tǒng)主要使用Android Studio進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。 主控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理，將處理的數(shù)據(jù)通過(guò)串口連接安卓平板，接收數(shù)據(jù)，并 通過(guò)安卓平板將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)云端，最后通過(guò)管理機(jī) 制控制風(fēng)機(jī)等開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。主控系統(tǒng)上電 后首先對(duì)MCU控制器初始化，然后創(chuàng)建ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng) 絡(luò)，接著接收器開(kāi)始接收節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理，接收器通過(guò)串口連接安卓平板，接收數(shù)據(jù)，然后將數(shù) 據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)云端，系統(tǒng)通過(guò)接收手機(jī)、電腦終端發(fā)出 的控制指令，或者人工設(shè)置的種植策略來(lái)啟動(dòng)管理機(jī)制。 主控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。在具體的軟件 設(shè)計(jì)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)主要通過(guò)傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這 些數(shù)據(jù)發(fā)送給主控系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)上電后，首先初始化MCU控 制器，然后建立ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，接著啟動(dòng)傳感器模 塊采集數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控 系統(tǒng)。 3 系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì) 3.1 主機(jī)端 主界面左側(cè)為傳感器信息列表，如圖4所示。傳感器信 息包括：上傳時(shí)間、數(shù)值、單位、所在分區(qū)、傳感器編號(hào) （十六進(jìn)制）。右側(cè)為控制信息及報(bào)警信息列表，右側(cè)下 部為控制器開(kāi)關(guān)列表?！斑h(yuǎn)程控制”狀態(tài)下，主機(jī)端虛擬 按鈕有效?！氨镜乜刂啤睜顟B(tài)下，控制箱機(jī)械按鈕有效。 控制箱上的“就地/遠(yuǎn)程”旋鈕，可切換“遠(yuǎn)程”和“本 地”控制狀態(tài)。如圖4所示。 圖3 主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖 Fig.3 Master control system software design flowchart 圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖 Fig.2 Sensor node design diagram 范立南·智能物聯(lián)網(wǎng)溫室自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第1期 9 圖4 主機(jī)端界面 Fig.4 Host-side interface 圖5 策略添加界面 Fig.5 Policy add interface 圖6 手機(jī)端APP界面 Fig.6 Phone-side app interface 圖7 PC端界面 Fig.7 PC-side interface 可以設(shè)置控制層設(shè)備開(kāi)關(guān)根據(jù)綁定的傳感器數(shù)值和 時(shí)間范圍作出相應(yīng)的動(dòng)作，使控制更加精確、簡(jiǎn)便。使用 時(shí)，可通過(guò)查詢相關(guān)作物的最佳生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，生成 種植策略，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比傳感器上傳的數(shù)據(jù)自動(dòng)控制管理 機(jī)制的開(kāi)關(guān)，使作物隨時(shí)保持最佳生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化 自動(dòng)控制，如圖5所示。 3.2 手機(jī)端APP 手機(jī)端功能與主機(jī)端功能相近，增加了歷史數(shù)據(jù)查 詢和視頻監(jiān)控功能。點(diǎn)擊相應(yīng)的傳感器信息區(qū)域，可查看 該傳感器歷史數(shù)據(jù)曲線，在監(jiān)控界面，點(diǎn)擊視頻下方按鈕 后，可通過(guò)滑動(dòng)屏幕控制攝像頭的角度，或雙指捏合屏幕 調(diào)整攝像頭的焦距。如圖6所示。 3.3 PC 端 PC端界面可顯示傳感器信息，查看歷史數(shù)據(jù)，底部的 區(qū)域是大棚控制按鈕，可控制該大棚的設(shè)備控制開(kāi)關(guān)。如 圖7所示。 4 結(jié)論 本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)的智能溫室自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用主控系統(tǒng)和節(jié) 點(diǎn)相結(jié)合的方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，系統(tǒng)采用兩種工作模式運(yùn) 行，人工按鍵模式下操作系統(tǒng)可以降低使用者操作系統(tǒng)的 門(mén)檻要求，在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的條件下系統(tǒng)可以正常工作。本設(shè) 計(jì)基于ZigBee等物聯(lián)技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的環(huán)境生長(zhǎng)參 數(shù)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)管理機(jī)制實(shí)時(shí)改善農(nóng)作物的最佳生 長(zhǎng)環(huán)境方案。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式相比較，該系統(tǒng)的優(yōu) 點(diǎn)是系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用范圍廣，對(duì)使用者的操作能力要 求低，系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，能有效地改善生長(zhǎng)環(huán)境，提高農(nóng)作 物的產(chǎn)量，降低人力成本。 參考文獻(xiàn)： 楊桂榮,任士虎.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能控制系統(tǒng)總體方案 設(shè)計(jì)J.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2017(5):51-52. 陳坤銘,亓相濤.基于ZigBee技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計(jì)J.電腦知 識(shí)與技術(shù),2017(21):176-178. 王憲磊.基于ZigBee的智能溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) J.農(nóng)業(yè)科技與裝備,2016(7):27-29,33. 1 2 3