基于物聯網技術的智慧草莓園監控系統

孫天生 朱薪豪 程磊 侯艷艷 張宇

【摘要】農業大棚的智能化管理在現代農業系統中具有重要意義，本論文設計了基于物聯網技術的智慧草莓園監控系統，智慧草莓園監控系統采用當前熱門的物聯網技術、嵌入式技術和無線傳感器網絡技術相結合的方法，將溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、土壤濕度傳感器、熱釋紅外感應傳感器集成在無線通信模塊上，最終實現了對草莓園生產過程中各項環境參數的精準測量，實現草莓園環境的自動保溫、保濕、土壤濕度、歷史數據的記錄和安防監測等功能。

【關鍵詞】 智慧草莓園 ZigBee 嵌入式網關 QT

一、系統總體設計

近年來，各種農產品大棚種植形式在農產品種植產業中發展迅猛，為農產品種植戶帶來了可觀的經濟效益，但是大棚本身有著較繁瑣的構建工序，而且成本較高。而將智能化控制系統應用到大棚生產以后，產量與質量比人工控制的大棚都會有極大的提高，可極大的降低勞動力成本。

智慧草莓園系統分為無線傳感網絡、網關和主控中心三個部分。嵌入式網關采用基于ARM A8處理器的開發板實現，是整個系統的主控中心。網關通過標準串口與ZigBee協調器連接，收集無線傳感器網絡上傳的數據，進行分析，通過SOCKET通訊傳給UI界面進行查看控制；另一方面通過網線與無線路由器連接，架起了無線傳感器網絡與局域網之間的數據通訊渠道，將物聯網連入了互聯網，通過無線路由器，可以設置系統的溫度和濕度參數，進而遠程控制執行器件來調節溫室內部環境，實現了人與物之間的信息交互。

二、系統硬件設計

2.1 嵌入式網關模塊

嵌入式網關采用基于ARM A8處理器的開發板實現，是整個系統的主控中心，

由ARM嵌入式系統及其外擴器件（無線網卡、無線路由器、GPRS模塊、攝像頭）組成。

2.2無線傳感網絡模塊設計

智慧草莓園的無線傳感網絡硬件采用模塊化的思路完成設計，主要包括傳感器模塊、控制器模塊和ZigBee無線通信模塊三部分。傳感器模塊和控制器模塊是搭載在ZigBee無線通信模塊之上。

這樣的結構化設計方便用戶更換器件，最大限度的滿足實際設計的需求。其中ZigBee無線通信模塊和傳感器模塊組合為數據采集節點，ZigBee無線通信模塊和控制模塊組合為控制節點。

2.2.1 ZigBee無線通信模塊

ZigBee無線通信模塊是由核心板和外接主板組成。

ZigBee無線通信核心板的主控芯片采用TI公司生產的ZigBee無線通信芯片CC2530，負責驅動傳感器以及數據的接收和發送。CC2530是一個真正用于IEEE802.15.4的ZigBee和RF4CE應用的片上系統（SOC）解決方案，其能以較低的成本建立強大的網絡節點。CC2530集成了業界領先的RF收發器、增強工業標準的8051MCU，在系統可編程Flash存儲器，8kB的RAM和其他功能，且適合需要超低功耗的系統。協調器節點負責網絡的組建，完成各個終端節點的數據匯總打包，并將打包后的數據信息通過串口傳送給嵌入式網關。

2.2.2傳感器模塊

傳感器模塊由不同的傳感器實現，包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、土壤濕度傳感器和熱釋紅外傳感器。

（1）溫濕度傳感器

溫濕度數據采集節點采用SHT10采集農業大棚中的溫度和濕度，工作電壓2.4-2.5V，測濕精度為+-4.5%RH，足以滿足大棚要求。SHT10采用SMD貼片封裝，用兩條串行線與處理器進行數據通信。數據采集完后ZigBee無線通信芯片將數據傳輸到協調器，完成了一次數據采集。

（2）光照度傳感器

光照度傳感器實現光照數據采集功能，它采用光敏電阻采集環境的光照度信息，當光照度發生變化時，光敏電阻的阻值會減小。數據采集后轉化為電壓值送給CC2530單片機，并通過CC2530單片機的射頻通信模塊將數據經路由器傳輸到協調器，完成一次數據采集，相關電路如圖3-2所示，光照傳感器電路輸出的為電壓模擬信號，需要用CC2530內部的A/D轉換器將模擬信號轉換成數字信號，光照度傳感器與CC2530的P0_0相連，P0_0端口設置為ADC輸入工作模式。

2.3控制器模塊

控制模塊主要實現設備的開關控制，主要由繼電器及控制電路組成。采用USB接口與外圍設備連接。控制節點負責執行上協調器發送的開關設備的命令。

控制節點配備繼電器模組，通過繼電器來驅動風扇，調節室內的通風。光照度采集節點將光照信息采集送給協調器節點，協調器向網關發送實時光照度數據，通過繼電器控制設備的開關。

三、系統軟件設計

系統軟件設計是實現系統功能的重要組成部分。本系統分無無線傳感器模塊ZigBee協議棧軟件設計部分和嵌入式網關軟件設計部分。ZigBee協議棧主要負責信息和的采集并且與嵌入式網關通信，嵌入式網關界面的設計主要是與無線傳感網絡模塊通信同時進行服務器相關處理。

3.1嵌入式網關軟件平臺搭建

嵌入式網關運行Linux操作系統，網關軟件主要包括主控程序包括嵌入式網關的界面設計，ZigBee協調器的通信及控制功能，網關接入Internet功能。Qt主控程序封裝了所有有關ZigBee的操作，實時接收傳感器數據，保存最近的傳感器數據，保存系統設置，完成自動控制，實現UDP服務器用于和其它進程通信。本系統采用Qt軟件開發人機交互界面，采用串口通信方式實現網關與協調器之間的數據通信，采用UDP協議實現網關接入Internet功能，通過UDP方式與網頁CGI程序通信，使CGI程序可以控制ZigBee網絡。

3.2嵌入式網關的界面實現

Qt是Nokia開發的跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架，支持面對對象及跨平臺軟件開發，通過交叉編譯很容易實現系統功能擴展與代碼一直，并且允許真正地組件編程，從而利用各個平臺優勢實現了新環境下原有軟件的研發。

嵌入式網關的主界面采用QT語言編寫，整個嵌入式網關系統主要分為：實時數據、歷史數據、控制、設置四部分功能。其中，實時數據用于采集草莓園內個傳感器的實時數據，可以觀察到草莓園內的實時的數據信息，歷史數據可以對草莓園內的歷史數據進行記錄，研究人員可以方便的研究各種數據信息對農作物生長的影響，可以采取手動和自動的模式來管理草莓園內的控制設備，設置主要用于設置大棚內的個環境因素的閾值，通過閾值的設置，可以更加方便自動控制系統模式的管理，而且特別配備的安防系統也可以真正的實現無人值守的功。

3.3 網絡遠程控制程序設計

網絡遠程控制主要包含HTML顯示頁面、AJAX請求腳本、PHP編寫的CGI接口，主要完成通過UDP向Qt主程序發送請求并獲得數據。

四、結束語

本系統的創意在于將日漸成熟的物聯網技術與農業大棚系統結合起來。通過無線采集技術及無線控制技術組建了一個可以遠程管理的農業大棚。采集的數據可以通過網絡傳輸到主控中心進行數據關聯、數據分析，實現智慧草莓園監控系統從數據采集、遠程監控、數據分析匯總的一體化解決方案。良好的人機交互界面是嵌入式產品開發的關鍵，因此開發具有界面美觀、功能豐富、交互性好的繪圖軟件，便成為了本文的主要研究目標。

參 考 文 獻

[1] 王汝傳、孫力娟、郭劍等. 無線傳感器網絡技術及其應用. 人民郵電出版社，2011

[2] 趙方，吳必瑞，盧青波. 基于MSP430的溫室大棚溫度遠程監控系統[J]. 農機化研究，2012（5）：182-187.

[3] 黃友銳，孫力. 單片機原理及應用[M]. 合肥：合肥工業大學出版社，2006.