溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)

王 超， 張廣宇

（1.長春光華學院，吉林 長春 130031；2.中國聯(lián)通長春分公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，對農產品的硬性需求越來越大，如何實現(xiàn)“跨時”、“跨區(qū)”農產品的栽種成為重要議題，隨之產生的溫室產業(yè)迅速發(fā)展。

但多數(shù)溫室只是簡單地利用屏障技術和高產栽培技術搭建而來，不僅無法滿足特殊植物生存條件，更無法提高農產品的品質。為改變這種情況，將嵌入式設備及無線傳感網(wǎng)絡引入溫室環(huán)境的搭建，既彌補人力因素缺陷，又提高溫室栽培的條件，實現(xiàn)溫室環(huán)境的智能化監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設計

為滿足溫室特殊的環(huán)境條件要求，須實時獲取溫室的CO2、溫度、濕度等因素并進行有效調節(jié)。因此，系統(tǒng)設計的主要組成部分包括：高速、低能耗、實時采集環(huán)境因素的終端采集設備，匯聚各類信息的協(xié)調器，便于直觀監(jiān)控的主控系統(tǒng)，以及可隨時查看并遠程控制的手持終端設備。

系統(tǒng)總體設計主要包括：zigbee終端節(jié)點、zigbee協(xié)調器、PC機、A8嵌入式設備4個部分。終端節(jié)點數(shù)量眾多，主要用于采集溫室的各類環(huán)境因素；協(xié)調器匯聚各節(jié)點采集信息并分時傳送給上位機；上位機顯示獲取的溫室環(huán)境因素，也可人為直接控制終端節(jié)點；A8嵌入式設備便于攜帶，可通過無線網(wǎng)絡訪問上位機實現(xiàn)遠程監(jiān)測及控制。環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)控原理框圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)控原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控系統(tǒng)

系統(tǒng)主控設備主要包括上位機和嵌入式系統(tǒng)，上位機便于實時人為監(jiān)控溫室環(huán)境，嵌入式系統(tǒng)便于攜帶，并采用無線方式進行通信。嵌入式測控設備采用cortex－a8體系下的S5PV210，又名“蜂鳥”，主頻達到1GHz，32／32KB的數(shù)據(jù)／指令一級緩存，512KB的二級緩存，運行速度可達每秒2億條指令，適用于手持式便攜設備，如平板、手機等設備。內存512M，flash為256M的nand flash，完美運行Linux操作系統(tǒng)。具體設計流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計原理框圖

2.2 終端節(jié)點及協(xié)調器

目前用于設計無線傳感網(wǎng)絡的主流網(wǎng)絡協(xié)議有藍牙，Zigbee［1］等為滿足無線穩(wěn)定傳輸、降低功耗、多元化控制等需求，本設計在終端節(jié)點和協(xié)調器硬件設計中采用zigbee cc2530作為核心主控芯片。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點［2］，工作在工業(yè)科學醫(yī)療（ISM）頻段，有915／868MHz及2.4GHz，其中915MHz頻段用于美國，868MHz頻段用于歐洲，2.4GHz頻段則是全球通用［3］。

無線網(wǎng)絡的搭建方式多樣化，符合不同場所應用，主要網(wǎng)絡拓撲結構包括以下3種：星型網(wǎng)絡、樹簇型網(wǎng)絡、網(wǎng)型網(wǎng)絡［4］。本系統(tǒng)設計采用星形網(wǎng)絡結構，該結構組網(wǎng)簡單，既降低成本，又滿足基本無線網(wǎng)絡傳輸性能需求，可根據(jù)需要多點投放終端節(jié)點監(jiān)測溫室內不同區(qū)域的溫濕度、CO2濃度、光照強度等環(huán)境因素［5］。

2.3 傳感器的選擇

硬件設計中傳感器主要包括：DHT11（溫濕度傳感器），MG811（電壓型CO2濃度傳感器），BH1750FVI（數(shù)字式光照強度傳感器）。各傳感器連接在終端節(jié)點分散在溫室內，實時獲取溫室環(huán)境條件，該系統(tǒng)采用電池供電，便于移動節(jié)點動態(tài)測量。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 上位機界面設計

溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計主要包括：上位機測控界面、嵌入式設備的圖形控制界面2個部分。上位機界面采用VC＋＋6.0軟件完成，該軟件兼容性好、操作簡單，各類型的軟件接口齊全。上位機界面通過MSComm串口通信控件實時獲取協(xié)調器的信息，協(xié)調器匯聚各終端節(jié)點傳感器采集的環(huán)境參數(shù)。

軟件設計流程包括：

1）初始化設備，主要包括上位機界面初始化、協(xié)調器與界面間的有線通信，以及zigbee組建無線網(wǎng)絡；

2）上位機建立服務器并通過串口向協(xié)調器發(fā)送鏈接命令等待應答；

3）上位機向協(xié)調器發(fā)送字符串命令詢問終端節(jié)點采集的環(huán)境參數(shù)；

4）上位機接收并實現(xiàn)來自協(xié)調器匯總的環(huán)境參數(shù)［6］。具體流程如圖3所示。

3.2 嵌入式系統(tǒng)界面軟件設計

在嵌入式S5PV210系統(tǒng)中運行ubuntu版本的linux操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備開源、功能齊全、可裁剪等優(yōu)勢。設計控制界面時采用GTK＋ 圖形界面工具，GTK＋ 是一種圖形用戶界面（GUI）工具包，該工具包涵蓋了若干個基于GUI的應用庫，支持多種不同類型的操作系統(tǒng)，如 WINDOWS，LINUX等，該圖像工具提供大量C語言編程接口，提高了系統(tǒng)可移植性［7］。GTK界面通過建立的分欄列表顯示信息，信息的獲取通過方式上采用無線局域網(wǎng)（WiFi），該方式無需成本、穩(wěn)定性高、斷線自動連接［8］。

軟件設計流程包括：

1）初始化GTK界面，主要包括建立windows主窗口和副窗口；

2）在主副窗口下創(chuàng)建如標簽、按鍵等各類控件，控件用于實時刷新顯示環(huán)境參數(shù)；

3）登陸上位機服務器，將匯聚的環(huán)境參數(shù)通過無線網(wǎng)絡傳送到嵌入式設備界面；

4）實時更新并監(jiān)控溫室環(huán)境中的溫濕度、光照強度及CO2濃度。

具體軟件設計流程如圖4所示。

圖3 上位機界面開發(fā)流程 圖4 嵌入式GTK界面開發(fā)流程

4 系統(tǒng)測試

該系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡終端節(jié)點和協(xié)調器體積小、功耗低、可移動，只需一次性搭建并可長期監(jiān)測。溫室環(huán)境置于無線局域網(wǎng)范圍內，上位機和嵌入式系統(tǒng)都可移動監(jiān)測溫室環(huán)境因素，上位機界面擁有測控環(huán)境的最高優(yōu)先級，各終端節(jié)點也具備一定的處理能力，本身在網(wǎng)絡故障情況下將啟動預設控制方案，觀測者也可手持嵌入式系統(tǒng)隨時測控溫室環(huán)境參數(shù)。因此，該系統(tǒng)在溫室環(huán)境測控領域具備一定的價值和意義。

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