智能農業大棚無線監測與管控的平臺系統設計

李萌，鄧琛，王昌志

（上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海，201620）

李萌（碩士），研究方向為嵌入式智能系統、智能交通；鄧琛（教授），主要研究方向為無線傳感器網絡、信息檢測與處理、嵌入式智能系統；王昌志（碩士），主要研究方向為嵌入式射頻識別技術應用。

引 言

智能農業是目前農業發展的新方向，它根據農作物的生長習性及時調整土壤狀況和環境參數，較為典型的應用是大棚蔬菜水果的管理，以最少的投入獲得最高的收益，改變了傳統農業中必須依靠環境種植的弊端及粗放的生產經營管理模式［1－2］。

智能農業的核心問題涉及4 個部分：農業信息的獲取、獲取信息的處理、農業信息的分析及決策的制定、由決策而決定的具體實施方針［3］。隨著通信、計算機、傳感器等技術的迅速發展，“物聯網＋”的概念已經滲透到很多行業和領域，“物聯網＋農業”即構成了智能農業，它將采集的溫度、光照、濕度、植物生長狀況等信息進行加工、傳輸和利用，為農業在各個時期的精準管理和預警提供信息支持，以最少的資源消耗獲得最大的產出。

本文結合智能農業涉及的4 個核心問題，基于Lab－View 和ZigBee以及多種傳感器搭建一個模擬仿真硬件平臺。數據采集終端設備以Arduino控制器為核心，上位機采用LabView2011，無線傳輸設備采用XBEE 模塊，多種傳感器作為采集模塊，小型直流電機作為執行設備，從而實現環境參數的采集以及上位機監測軟件的數據分析、記錄和遠程監控。

1 無線監測平臺設計方案

在一些大型農田以及室內大棚，由于作物生長環境的需要，大棚內需要定期進行開窗處理（傳統的大棚主要采用薄膜加蓋處理，常常施行人工加蓋和揭蓋處理，改進后的大棚可利用電機控制開窗動作，類似自動窗簾的處理），從而獲得適時的光照、溫度等。夜間其各項環境參數均需要維持在一定的范圍內，對控制要求的精度較高，基礎設施配置較高的農田或大棚常常附有灌溉功能。為實現上述要求，無線監測系統在硬件上采用傳感器實時監測，數據經由ZigBee模塊可靠傳輸，軟件上采用LabView 和Access。

系統主要包含4個模塊：采集模塊、傳輸模塊、處理監控模塊、數據庫記錄模塊。采集模塊主要包含DHT11濕度傳感器、LM35 溫度傳感器、BH1750FVI光照傳感器，傳感器主要完成數據的實時采集，傳感器模塊和核心控制芯片Arduino相連，完成信息的轉換和處理，為信息傳輸做好準備工作。

傳輸模塊利用XBEE模塊和嵌入式組件連接，這里主要和Arduino控制器連接，根據農田測量點的分布情況，可完成近距離或者遠距離的信息傳輸；處理監控模塊主要對現場傳輸進入PC 機的信息進行實時的分析處理，通過，設定閾值的判斷完成對執行機構的處理，及時地完成環境參數的調節和預警處理等措施。

數據庫記錄模塊主要將上位機分析處理的有效信息進行實時存儲，針對異常信息的存儲，根據時間周期的變化，用戶可根據數據庫記錄信息對后期作物培養環境參數進行適時的調整，以實現環境參數最優配置。整個系統的設計方案如圖1所示。

圖1 智能農業無線監測平臺系統設計方案

2 系統硬件設計

系統硬件主要由LM35溫度傳感器、DHT11濕度傳感器、BH1750FVI光照傳感器、小型直流電機、Arduino系列單片機、XBEE無線模塊以及計算機組成。所有傳感器可直接將測量的模擬量轉化成數字量，利用單片機對其信號進行采集和處理，通過無線模塊將數據傳輸給上位機進行處理，并完成分析、預警、響應和記錄等步驟。

2.1 溫度傳感器

溫度采集使用模擬溫度傳感器LM35。National Semiconductor生產的溫度傳感器LM35具有很高的工作精度，在室溫25 ℃時，無需外部校準或微調其測量精度為±0.5 ℃［4］。它還有較高的線性工作范圍，溫度的測量范圍在0～100 ℃，而且LM35 的輸出電壓Vout＿Lm35與攝氏溫度T 之間成線性比例，線性變化系數為＋10mV／℃，其轉換公式為Vout＿LM35（T）＝10mV／℃×T ℃，當0℃時其輸出電壓為0 V，每升高1 ℃，其輸出電壓會隨之增加10mV，其工作電壓為直流4～30V，功耗小于60μA。

2.2 溫濕度傳感器

濕度的采集使用含有已校準數字信號輸出的DHT11數字溫濕度復合傳感器。該傳感器是由一個電阻式感濕元件、一個NTC測溫元件與一個高性能的8位單片機相連接而成，這就確保了該傳感器具有極高的品質和可靠性、超快的響應、極強的抗干擾、較高的性價比以及卓越的長期穩定性。該傳感器測量濕度的量程為20～90%RH，精度為±5%RH，測量溫度量程為0～50 ℃，精度為±2 ℃，工作電壓為3.5～5.5V，工作電流平均為0.5mA，分辨率為8 位，采樣周期為1s［5］。在本系統中主要利用了該傳感器測量濕度的測量信息，已經使用了精度更高、更靈敏的溫度傳感器LM35，故不考慮其對溫度的測量。

2.3 光照強度傳感器

光照強度的采集使用不區分光源的16位數字輸出型環境光照強度集成電路——BH1750FVI，它是日本RHOM 株式社會推出的一款兩線式的串行總線接口的集成電路采集元件，可以根據實時收集到的光照強度數據來監測當前環境。該傳感器的分辨率很高，光照強度的感應范圍為0～65 535lx，可以支持大范圍的光照強度變化的監測，其工作電壓為3～5V，同時該傳感器內置有16位的A／D 轉換器［6］。

2.4 Arduino單片機板

數據采集終端設備采用Arduino Mega2560作為控制核心，其采用USB為接口的核心電路板，相比于Arduino Uno，它最大的特點就是具有54路數字輸入／輸出，十分適合需要大量接口的設計。Arduino Mega2560的核心處理器是ATmega2560，具有54 路數字I／O 口，其中的16路可作為PMW 輸出或16路模擬輸入，每一路都具有10位（即1024 位）的分辨率，默認的輸入信號范圍為0～5V；具有4路UART 接口、一個USB接口、一個16 MHz的晶體振蕩器、一個ICSP header、一個復位按鈕和一個電源插 座［7］。其 工 作 電 壓 為5 V，I／O 引 腳 直 流 電 流 為40mA，Flash 存儲器為256 KB，SRAM 為8 KB，EEPROM 為4KB，工作時鐘為16 MHz。Arduino Mega2560的正反面外觀如圖2所示。

圖2 Arduino Mega2560的正反面外觀

2.5 XBEE模塊

XBEE模塊是美國Digi公司的ZigBee模塊產品，是一種遠距離低功耗的無線模塊，頻段包含2.4GHz、900 MHz、868 MHz三種，同 時 可 兼 容802.15.4 協 議［8］，其 可 搭 配Mesh網絡，每個模塊都可以作為路由節點、路由器以及終端節點。XBEE OEM RF模塊接口，通過邏輯電平連接到主機設備的異步串行端口。通過其串行接口，該模塊可以與任意邏輯和電壓兼容的UART 相連，或通過電平轉換到其他串行設備，其引腳接線示意圖如圖3所示。

圖3 XBEE與微控制器引腳接口示意圖

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

由于系統涉及傳感器設備較多，且系統對數據更新的實時性要求較高，故上位機采用并行結構完成多路信號的采集和控制。多路傳感器信號經過采集和處理后，在單片機中須通過串口將有效數據打印出來，所有字符串最終通過XBEE 模塊傳輸給上位機進行處理。具體工作流程如圖4所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件設計包含系統參數設置、實時數據顯示、歷史曲線、手動控制等功能［9］，主要完成對環境參數的實時監控，并對各個參數的上下限報警值完成參數設置。一旦系統中某個參數超出設定閾值，軟件界面立即產生指示燈報警，另一方面系統可根據報警的參數進行系統參數調整。例如，當系統界面監測到光照參數小于設定的下限值時，表示作物接收的光照強度過弱，上位機將立即給下位機一個開啟照明設備的信號，此時照明設備開啟。當系統一切恢復正常后，報警燈將消失，同時相應的設備也恢復到默認的狀態。

圖4 上、下位機配合工作流程圖

LabView 程序設計分為前面板設計和程序框圖設計兩部分，其中程序結構框圖是核心部分，整個系統程序結構框圖采用3個線程，分別完成溫度、濕度、光照的參數配置、數據報警預設以及數據的存取［10］。前面板是程序運行的顯示界面，即人機接口界面，操作者可直接在該界面上清晰地了解實時數據的變化，并可直接進行參數配置和調整以及手動控制等功能。上位機的程序結構框圖及界面設計如圖5、圖6所示。

4 實驗測試與結果

為測試監控平臺的實時性，配置好系統參數后，分別將光照上限參數設置為15lx，濕度上限參數設置為50%，溫度上限參數設置為20 ℃。待系統工作一段時間，對溫度傳感器進行加熱處理，對濕度傳感器進行水蒸氣加濕處理，對光照傳感器進行遮光處理，很快軟件監控界面出現報警顯示，如圖7所示。經過多次測試，該系統均能表現出較好的實時性。

圖5 部分程序結構框圖

圖6 程序界面設計

結 語

基于LabView 和XBEE 的智能農業無線監測系統，充分利用了LabView 友好的人機界面以及XBEE 遠距離無線傳輸的功能，配合多種傳感器檢測裝置以及執行裝置，完成了環境參數的有效采集、傳輸以及實時監控和遠程控制等，較好地實現了自動化的智能功能。針對“物聯網＋”概念的逐漸推廣和完善，此測試系統也可運用于其他領域中，如智能家居、無線探測、惡劣環境探測等。

圖7 報警界面

［1］管繼剛.物聯網技術在智能農業中的應用［J］.通信管理與技術，2012（5）.

［2］戴起偉，凡燕.物聯網技術與江蘇智能農業產業發展［J］.江蘇農業科學，2011（5）.

［3］宋艷.基于物聯網技術的智能農業種植系統設計［J］.現代電子技術，2013（4）.

［4］李志宇，肖前貴.基于LM35 溫度傳感器的溫控系統設計［J］.微計算機信息，2004（9）.

［5］韓英梅，趙建平.基于DHT11的無線溫濕度傳感器網絡節點的設計［J］.井岡山大學學報：自然科學版，2011（1）.

［6］王海燕，陳貴斌.基于BH1750 芯片的智能窗簾控制系統設計［J］.現代建筑電氣，2015（3）.

［7］楊繼志，楊宇環.基于Arduino 的網絡互動產品創新設計［J］.機電產品開發與創新，2012（1）.

［8］王 靜 霞.一 種 與ZigBee／802.15.4 協 議 兼 容 的RF 模 塊XBEE／XBEE Pro及其應用［J］.電子工程師，2007（3）.

［9］黃豪彩，楊燦軍.基于LabVIEW 的深海氣密采水器測控系統［J］.儀器儀表學報，2011（1）.

［10］唐亞鵬，侯媛彬.基于LabVIEW 的實踐教學平臺與Access數據庫的開發［J］.計算機技術與發展，2011（5）.