基于Wi-Fi的農業大棚監控系統的設計

丁文飛，孫會楠，邢彥辰

(哈爾濱華德學院，黑龍江哈爾濱150025)

農業是我國國民經濟的基礎，農產品的高產和優產是我國科研工作者面臨的重要課題［1］。目前，現代化農業發展非常重視溫室栽培，尤其是反季節時期。在溫室栽培中，直接影響農作物生長的因素主要有CO2濃度、濕度、溫度及光照強度，這些環境因素的監測和控制是實現生產高效優產農作物的關鍵環節，也是重要手段。

國外一些學者解決的辦法是將農業溫室監控系統同通信技術相結合，即利用嵌入式技術同GPS、GIS等技術與通信技術相結合，已取得了一定的成績，使農業領域實現了遠程監控、農業環境科學的監測等［2］。我國農業溫室監控系統的發展落后于發達國家，最重要的原因是設備的等級偏低，不能實現智能化、自動化。在國家大力支持下，浙江農林大學、浙江工業大學等用無線傳感器網絡技術結合農業環境，研制出了自動監測環境的系統［3－6］，使我國農業監測系統實現了智能化、自動化，但對于信息交流還具有一定的局限性。筆者設計了基于Wi-Fi的農業大棚監控系統，打破了有線網絡的局限性，對于環境信息交流提供了極大的方便，具有可遠程控制及終端擴展方便等優點，終端是以IP地址的形式添加，不會增加系統載荷，簡化了物理結構的同時，也節約了成本。

1 監控系統體系結構設計

監測系統的體系結構是設計和開發的基石。該系統設計思想是將傳感器技術、網絡技術、嵌入式技術及無線通信技術相結合，利用Wi-Fi技術將溫室中各傳感器采集到的農作物生長環境數據，通過無線通信設備進行數據信息的傳輸，以實現遠程監測，方便用戶對溫室環境進行調節，達到農產品高效優產的目的。其主要組成結構分為無線傳感器采集節點、無線網絡和監測中心服務端3部分，監測系統體系結構總框圖如圖1所示。其中采集節點是由傳感器單元、微處理器單元和Wi-Fi無線模塊單元組成;無線網絡是實現Wi-Fi無線模塊與監測中心服務端之間的數據傳輸;監測中心主要由無線路由器和電腦軟件構成。

2 現場檢測節點的硬件設計

系統的硬件部分主要是指農業微環境多參數現場檢測的無線傳感網絡節點，采用模塊化設計，主要包括微控制器、Wi-Fi無線通信部分、傳感探測部分、電源部分。

2．1 節點硬件設計方案 硬件設計系統選用了MSP430F149微處理器構成核心處理電路，通過RS-232異步傳輸接口控制Wi-Fi無線通信模塊，進行數據和指令的傳輸;Wi-Fi無線通信部分采用可以給嵌入式增加TCP-Socket功能的Connectone公司Nano系列的聯網控制器，實現網絡管理功能以及與上位機進行數據通信;傳感器探測部分選取4個傳感器采集現場數據，包括溫室CO2、光照、濕度及溫度;電源部分為各電路提供不同的工作電壓。整體硬件框圖見圖2。

2．2 傳感器與處理器的連接方式 MSP430F149芯片共有6個8位可編程P口，其中P1、P2口占2個中斷向量，共可以接16個中斷源;另外，還可以直接利用P口的輸入輸出寄存器，直接對外進行通信。

系統使用的BH1750FVI型光照強度數字傳感器采用I2C總線接口方式與處理器連接，其中傳感器的DVI引腳接到處理器的P1．0端，用于串行輸出16 bit數字，體現光照強度。I2C接口引出來的4、6兩個引腳是雙向I/O線，即為SCK時鐘線和SDA數據線;DS18B20數字溫度傳感器是單總線器件，即只用一根信號線接到I/O口，既供電又傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的，因此，對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求;濕度測量選用的是電容式濕度傳感器，其變送電路主要由差分電路、單穩態電路、多諧振蕩器和平均值運算電路等構成，將傳感器采集到的電容值轉換為電壓值送入處理器;CO2因子測量選用了穩定性好、靈敏度高的固體電解質類型MG811傳感器，在使用該傳感器時，需加入一個高輸入阻抗、低偏置電流的CA3140運算放大器，放大器輸出電壓端與處理器P6．2引腳相連。光照強度、濕度及溫度模塊輸出的都是模擬信號，可直接與處理器的P6口相連，利用內部的AD12實現模數轉換。處理器與傳感器的電路連接見圖3。

整體設計測試精度高，支持IEEE 802．11標準，抗振動及干擾，終端節點支持低功耗休眠和喚醒功能，并滿足體積小和成本低的要求。

3 軟件系統設計

在溫室農業微環境系統中，軟件涉及到的部分有:采集信息、處理數據、收發命令及數據和界面顯示等。在該設計中，把軟件分為了兩個部分:下位機軟件，即微環境的現場采集節點嵌入式系統軟件;上位機軟件，即遠程監測控制及顯示軟件。

3．1 微環境的現場采集軟件設計 農業微環境的數據采集終端處理器，程序采用C語言進行開發和編寫，以IAR Embedded Workbench軟件環境作為下位機軟件開發調試平臺。其中包括了節點各個模塊的初始化、現場數據采集、通過無線網絡進行數據發送等軟件設計。整個下位機軟件程序總流程見圖4。

節點模塊上電啟動后，首先是各個模塊的復位初始化，并打開全局中斷，然后處理器啟動Wi-Fi通信并實現網絡連接，便可進行數據傳輸與遠程監測。接下來進行環境因子的采集，包括空氣中CO2的濃度、空氣濕度及溫度、光照強度等。其中溫度、濕度和CO2含量的數據信息以模擬信號的形式輸出，需經處理器內部的A/D轉換模塊輸出數字信號，然后對數字信息進行編輯后，將得到準確的參數值按位取出并且有序的存儲到適當位置;單片機的輸入/輸出口控制著光照傳感器DVI引腳，上電之后拉低大于1us的時間以啟動系統，緊接著按照需要設置好所需要的模式，同時接受所采集的數據。

單片機依靠串口通信，控制著Wi-Fi模塊，每發出AT+i命令相應的都會返回一個信息且代碼長度不定，在處理器設置一個大容量的數組變量來參比返回代碼，處理器根據參比返回代碼的結果，決定下一步工作狀態，數據的接收方式主要是中斷形式。Wi-Fi模塊與上位機之間的連接建立，采用基于TCP/IP協議的面向連接的流式套接字方式。

3．2 監測中心服務端軟件設計 監測中心軟件是人機交互界面，涉及到通信、數據顯示兩部分，即要通過Wi-Fi模塊控制微環境的采集節點以及傳輸數據，又要提供給遠程監測者一個易操作、可視化、友好性界面，使操作員通過軟件實時得了解監測區域所有監測節點的當前運行狀況等數據信息。該系統的軟件設計采用以Microsoft Visual Studio2008為開發平臺設計，采用MFC消息響應方式，C#語言編寫監測界面，實時把數據繪制成動態曲線［7］。圖5所示為監測界面軟件流程。

現場采集節點與遠程監測點的通信是采用Windows Sockets網絡開發的技術實現，以流式套接字(SOCK_STREAM)的方式進行程序開發，保證了數據的傳輸無差錯、有序、無重復。此外，該監控系統即在PC端又能在便攜式終端對監控中心的各項環境因子進行實時顯示，終端只需通過IP地址添加即可完成擴展，增大了系統應用的便捷性。

3．3 監測中心服務端系統實現 監測中心服務端系統主要包括用戶注冊和登陸、實時監控2大模塊。在注冊和登陸模塊中，提供用戶首次登陸需注冊，注冊成功后，用戶信息寫入監測用戶信息數據庫，再次登陸時，只需提供用戶名及密碼即可;實時監測模塊包括現場采集到環境因子信息顯示、實時曲線圖及監測報告3部分組成。

現場環境因子信息顯示主要顯示大棚各項環境因素的當前數據與狀態，其界面見圖6。例如根據農作物及生長階段的不同適宜溫度也不同，溫度測量需要顯示農作物的種類、生長階段、適宜溫度、當前溫度及監測時間等信息，若當前值低于或高于適宜溫度范圍，則當前值以“紅色”形式進行顯示，若當前值在設定范圍內，則當前值以“藍色”形式進行顯示。這樣，監測中心可以直觀地看到大棚各項環境因子是否在允許范圍之內，并通過監測報告告知當前的狀態及是否有必要采取相應措施(如是否增溫)。另外，界面的變化曲線圖為用戶提供直觀的環境因子變化趨勢。圖6是2號大棚辣椒發芽階段溫度實時曲線，X軸表示時間，Y軸表示溫度。

界面還提供了現場數據備份與恢復模塊，系統將采集到的數據保存在數據中，一旦服務器出現故障，可以按照時間及大棚號對大棚的歷史數據進行恢復。除此之外，掌握歷史數據以及同一時期數據，可以通過環境因子變化找到一定的規律，方便進行科學的大棚管理。

4 結語

該研究提出的一種基于Wi-Fi技術的農業大棚監控系統的設計，有效解決了現有技術中溫室監控系統遠程布線困難的問題，又由于監測終端具有易擴展及使用便捷性的特點，使得用戶隨時隨地對農業大棚各環境影響因子進行監控。該系統硬件設計具有抗干擾、低功耗及低成本的特點，軟件設計具有運行穩定、顯示流暢、曲線清晰等優點，為農業大棚溫室環境監測提供了更有效、有力的解決方案。

［1］溫陽，徐曉輝．無線通信在智能溫室系統中的應用［J］．自動化與儀表，2007(5):48－51．

［2］MOZUMDAR M M R，GREGORETTI F，LAVAGNO L，et al．A framework for modeling，simulation and automatic code generation of sensor network application［C］//SECON 08．5th Annual IEEE Communications Society Conference on．IEEE，2008:515 －522．

［3］牛孝國，朱桂芝，夏寧，等．基于無線傳感器網絡的農業現場數據采集研究進展［J］．中國農學通報，2009(24):515－519．

［4］吳麗娜，盧會國．基于Web的智能農業大棚監控系統的設計［J］．氣象水文海洋儀器，2014(2):74－77．

［5］李麗麗，施偉．農業大棚嵌入式無線溫控系統設計［J］．中國農學通報，2011，27(33):278 －282．

［6］郭陽雪．農業大棚溫度遠程實時監控系統設計［J］．安徽農業科學，2013，41(3):1308 －1310．

［7］NET 開發經典名．C#高級編程［M］．9 版．北京:清華大學出版社，2014．