智能溫室遠程監控系統設計

張水保 徐守志 李豐杰

（三峽大學 計算機與信息學院，湖北 宜昌 443002）

溫室的智能化管理是農業自動化的重要應用領域［1］.近年來，農業溫室基礎設施發展迅速，但是在自動監控方面仍存在著諸多問題.溫室監控區域較大，需要大量的傳感器節點構成大型監控網絡，通過各種傳感器采集諸如溫度、光照度、空氣濕度、土壤濕度、EC值、pH值等信息，實現自動化監控.采用無線通信技術組建無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN），具有安裝方便、成本低廉、易于維護等諸多優點［2－4］.目前針對短距離的無線通信技術有藍牙、WIFI和ZigBee等，ZigBee技術以其低功耗、低成本等優點，得到了廣泛的應用.本文結合溫室生產自動監控技術的發展特點，設計了一套溫室監控系統以滿足現代精細農業［5］生產中的應用要求.系統能夠協同地實時監測、感知和采集網絡覆蓋區域各監測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發送給觀察者.基于ZigBee協議棧開發應用層協議，并在此基礎上開發上位機監控系統.上位機系統實現對溫室環境參數的自動監測、控制和遠程查詢及控制，從而為實現溫室的智能化管理奠定基礎.

1 溫室監控系統的體系結構

本文設計的溫室監控系統由系統監控中心、協調器節點、傳感器節點（包括數據采集節點、路由器節點、控制節點）以及GPRS硬件模塊組成，如圖1所示.

圖1 溫室無線監控系統體系結構圖

監控中心由上位機監測控制軟件系統、后臺數據庫系統以及GPRS短信管理子系統構成.其中上位機軟件系統負責同協調器應用層進行數據傳輸、向協調器應用層下達命令和網絡管理；數據庫系統運行在后臺，存儲傳感器網絡采集到的溫室數據，為智能決策提供依據.GPRS短信管理子系統可以實現用戶遠程查詢環境信息和環境控制.監控系統設計人工管理和自動管理兩種管理模式.正常情況下，監控系統根據用戶設定的閾值參數進行數據采集和設備控制，當溫室環境參數出現異常，系統會立即向管理員發送報警信息.系統允許管理員對系統進行人工干預，如采集特定信息、參數調整、特定控制等.

協調器節點和傳感器節點是傳感器網絡的主要組成部分.在一個監測區域布置一個協調器節點和適當的傳感器節點（根據監測任務的需要布置）.協調器節點負責網絡組建、網絡管理和信息轉發等工作，它接收來自路由器節點或數據采集節點發送過來的數據信息并進行數據融合處理，并將網絡采集的信息傳送給溫室系統監控中心.傳感器節點分為數據采集節點、路由節點和控制節點，均可以采集相應的環境參數或執行一定的控制操作.路由節點是在傳感器節點協議棧中嵌入路由協議，在傳感器網絡中具有路由功能.路由節點通過自組織方式形成自組織網絡，協調器充當監測區域的網關節點，實現監測網絡與上位機系統的互連.

傳感器節點主要負責3種工作：

1）信息采集.當接收到查詢命令時，立即喚醒并采集溫室環境數據（如空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照以及CO2的濃度等），發送給自己的父節點（路由器節點或協調器節點）.

2）環境控制.無線控制節點接收系統的決策控制命令，根據命令參數控制溫室環境調控設備（如補光燈、風機、噴水裝置、CO2的化學裝置等）的開啟及其調控參數的大小（如風機開啟的時間，噴水設備灑水量的多少等）.

3）數據轉發.路由器節點除了自身要采集和發送數據之外，還要轉發來自其他數據采集節點或路由器節點發送過來的數據.

2 系統關鍵模塊設計

圖1所示監控系統的體系結構中，系統的關鍵模塊包括傳感器節點及相應的協議、短信管理子系統、上位機系統等.本節從硬件設計、軟件或協議設計兩方面對系統涉及到的關鍵技術進行介紹.

2.1 關鍵硬件模塊設計

溫室監控傳感器網絡涉及到的硬件主要包括數據采集節點、路由節點、協調器節點和控制節點，四者在硬件設計上結構基本相同.不同類型的網絡節點主要區別在于嵌入的網絡協議不同，在后文作介紹.4種類型網絡節點均由微處理器單元、RF射頻無線通信單元、供電模塊單元和對應的外設4個主要部分組成［6－7］，數據采集節點和路由節點連接數據采集控制單元，協調器節點通過串口等外設連接PC機，控制節點增加一個控制電路連接執行機構控制.它們的硬件結構如圖2所示.

圖2 傳感器硬件節點結構圖

2.2 網絡節點協議軟件設計

4種網絡節點的軟件系統都是基于TI公司的Z－Stack協議棧進行設計的.協調器節點運行后，首先初始化網絡協議棧，創建網絡，并進入信道偵聽模式，介紹其它網絡節點的加入請求；各傳感器節點運行網絡協議棧并加入網絡，之后路由器節點進入信道偵聽模式，而數據采集節點和控制節點進入休眠模式.當數據采集節點收到父節點發送過來數據采集命令時，節點從休眠模式進入工作模式，根據相關命令進行數據采集操作并發送給父節點，之后節點再次進入休眠模式，控制節點接收到父節點發送過來的控制命令時，節點會根據命令中的參數控制溫室調控設備的開啟與關閉.他們的工作流程圖如圖3所示.

圖3 網絡節點協議軟件流程圖

2.3 GPRS短信系統協議設計

該系統通信模塊主要實現短信的收發及管理.該模塊在AT串口指令集基礎上，設計收件箱和發送箱兩個類，用于短信的管理，并向上位機監控系統提供接口供調用.短信模塊采用支持中文的PDU短信編碼方案，發送PDU協議字段見表1.

表1 發送PDU協議定義

2.4 溫室監控系統上位機軟件設計

該上位機系統主要包括傳感器網絡管理和短信管理兩個線程，如圖4所示.

傳感器網絡管理線程通過串口與協調器節點通信，主要任務包括：①網絡管理.以一定的頻率發送網絡發現命令RND和讀傳感器命令RAS，根據各個節點返回的信息計算并繪制網絡拓撲圖，并能及時發現是否存在部分節點失效的問題；②數據采集.讀取傳感器發送回來的數據后，并將數據進行處理，存入數據庫或并在界面上實時顯示，方便溫室管理員查看和查詢數據記錄.

圖4 上位機系統主要線程流程圖

短信管理線程通過串口連接GPRS MODEM設備，主要任務包括：①接收短信.處理短信請求并按應用協議解析短信內容，并向上位機系統提交.如果是查詢請求，系統將啟動查詢任務，并將查詢結果返回給短信管理線程；②發送短信.按照系統提交的發送指令發送短信.系統的發送短信指令包括用戶查詢結果的返回和監控系統的報警信息.

3 系統測試

測試工作包括在一個溫室大棚布置傳感器網絡、協調器節點通過串口連接上位機系統、進行組網測試、數據采集、節點控制和短信遠程查詢.系統運行界面如圖5所示，圖中網絡節點之間的數據表示節點之間的信號強度值.頂層節點為協調器節點，即網關節點，中間層的節點為路由器節點，葉子節點均為數據采集節點或控制節點.其中編號00000008的節點采集溫室光敏數據.節點周期性采集光照等信息，經過系統處理后存入數據庫，以供后期分析，同時通過實時信息曲線圖顯示，圖5（b）中峰值為手電筒直射該節點的測試結果.管理員也可以通過特定格式的短信發送查詢指令，指定傳感器節點的信息通過短信發送給特定用戶.

圖5 系統運行界面圖

4 結 語

精細農業成為農業可持續發展的熱門領域，溫室自動化生產監控技術是其典型的應用.其關鍵是實時地獲取地塊中每個小區土壤、農作物的信息，診斷作物的長勢和產量在空間上差異的原因，并對每一個小區做出決策，準確地進行作業，從而最大限度地提高生產效益.無線傳感器技術被認為是滿足溫室應用需求的最好方式.本文結合最新的ZigBee技術，設計開發了一套無線傳感器網絡溫室監控系統：通過在溫室大棚內布置溫度、濕度、光照等傳感器，對棚內環境進行檢測，從而對棚內的溫濕度，光照等進行自動化控制.在已有成果的基礎上，下一步可以通過更加精細和動態監控的方式，實現更好地感知到農作物生長環境信息，優化農作物管理，對提高資源利用率和農業生產水平具有很好的實踐價值.

［1］ Wang Ning，Zhang Naiqian，Wang Maohua.Wireless Sensors in Agriculture and Food Industry－recent Development and Future Perspective［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2006，50（1）：1－14.

［2］ 鮑軍民.ZigBee技術在溫室監控系統中的應用［J］.農業化研究，2008（2）：184－187.

［3］ 周建明，徐冬冬，周其顯，等.現代溫室監控系統的主要架構方案及發展［J］.安徽農業科學，2010，38（3）：1440－1441，1459.

［4］ 杜曉明，陳 巖.無線傳感器網絡在溫室農業監測中的應用［J］.農機化研究，2009（6）：141－144.

［5］ 高 峰，盧尚瓊，徐青香，等.無線傳感器網絡在設施農業中的應用進展［J］.浙江林學院學報，2010，27（5）：762－769.

［6］ 岳 青，張海輝，盧博友.基于 WSN的溫室環境監測節點設計［J］.安徽農業科學，2010，38（30）：17219－17221，17254.

［7］ 陳 莉，陶正蘇.環境監測無線傳感網絡節點的設計［J］.儀表技術與傳感器，2008（10）：7－8，30.