基于物聯網技術的大棚環境監測系統

張 健，溫金芳（黃淮學院，河南駐馬店 463000）

基于物聯網技術的大棚環境監測系統

張 健，溫金芳
（黃淮學院，河南駐馬店 463000）

隨著無線通信技術的快速發展，物聯網技術在環境監測的應用不斷深化。設計了基于物聯網的大棚環境檢測系統，可有效地解決大棚有線環境監測布線困難等一系列問題。該系統由終端傳感器節點采集環境數據，利用GPRS和ZigBee相結合的無線網絡技術將采集的數據傳送至終端用戶，管理人員通過終端就可以監測大棚蔬菜的生長環境。測試結果表明：該系統能夠實時準確地監測大棚蔬菜的環境，可以完成預期的工作目標。該系統不僅工作性能穩定，還具有低功耗和低成本的優點。

物聯網；環境監測；大棚蔬菜；STM32

大棚作物對生長環境中的溫度、光照強度、土壤濕度、土壤pH值等都有很高的要求，如果能夠實時監測大棚的環境參數，可以有效準確調節環境參數以促進農作物的生長［1］。傳統大棚環境監測系統主要采用有線傳感網絡進行檢測，數據傳輸主要依靠鋪設的電纜。有線傳輸具有可移動性差、線路布線復雜、線路檢測維護困難、線路擴容困難等一系列問題，本文設計了一款無線大棚蔬菜環境監測系統，種植人員通過用戶終端就可實現對大棚環境參數的實時監測。

目前，大棚環境無線監測技術的研究主要是采用2G、3G網絡通信技術、Wi-Fi、ZigBee、藍牙等方式進行大棚環境參數的無線傳輸。其中，2G（GSM、GPRS）、3G網絡通信技術主要用于遠距離的信息傳輸，ZigBee、Wi-Fi、RFID和藍牙主要用于短距離數據傳輸。如蔣鼎國開發了基于GPRS的溫室大棚溫濕度監控系統（2014年）［2］；如魏興設計了基于ZigBee的煙草育苗大棚群環境參數無線監測系統（2015年）［3］。由2G或3G網絡進行遠程監控，運行成本很高，而采用ZigBee 或Wi-Fi技術等進行檢測傳輸距離又短。為了實現遠距離監控同時又降低成本，本系統采用遠距離傳輸和近距離傳輸相結合的物聯網方式建立無線大棚檢測系統［4］。

1　系統總體架構

本論文提出的基于物聯網的大棚蔬菜無線監測系統的總體架構如圖1所示，主要由數據采集層即感知層、數據傳輸層、數據應用層組成。其中，數據采集層是終端采集節點完成對作物生長環境的溫度、光強度、土壤濕度和土壤pH值等數據的采集；數據傳輸層是匯聚節點完成各個監測節點的數據匯聚和遠程傳輸，即利用ZigBee協調器設計的網關實現與GPRS網絡的無縫連接，然后通過網絡層發送出去；數據處理應用層完成數據的接收處理以實現遠程訪問和在線監測，即應用層從網絡層下載數據包載入數據庫服務器，用戶可通過終端軟件實現對網絡中任意數據的監測，從而實現了用戶的遠程訪問。

2　系統設計

大棚蔬菜無線監測系統設計主要包括系統硬件和軟件設計兩部分。

圖1　系統總體架構圖

2.1系統硬件設計

系統硬件電路主要包括數據采集層電路和數據處理層電路兩部分組成。

數據采集層電路是整個系統的前端，大棚內的環境數據的采集都要通過該模塊完成，該模塊電路的設計質量直接影響通信的距離和可靠性。數據采集層電路又包括數據采集電路和數據傳輸電路兩部分。數據采集電路主要由各種傳感器采集大棚內對農作物的生長發育起決定作用的環境參數，傳感器的選型上選擇適于當地環境的耐用方便的傳感器［5］。本設計的溫度傳感器采用DALLAS公司生產的DS18B20溫度傳感器，該傳感器具有體積小，功能強大的優點，可實現從-55℃到+125℃的溫度測量；光強度傳感器采用靈敏度高的光敏電阻，只要改變微弱的光，它的阻值就會相應的改變；土壤濕度傳感器采用耐腐蝕經用的SHT11土壤濕度傳感器；土壤pH值傳感器采用鋁鎢電極傳感器測量土壤的酸堿性。這些傳感器都具有低功耗，響應快等優點。數據采集層的數據傳輸電路采用由CC2530芯片設計ZigBee無線傳輸模塊［6］。CC2530內核是8051MCU，工作頻段為2.4GHz，是美國TI公司生產的真正用于IEEE802.15.4和ZigBee應用的片上系統，研究開發人員設計電路時只需搭建少量的外圍電路就可應用。而且，CC2530的ZigBee協議站Z-stack均有對應的開發代碼，所以開發者只要在Z-stack協議站的應用層加入所需的程序就可實現所需功能。因此，它能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點。

數據處理層電路，即匯聚節點模塊采用STM32單片機進行數據處理，STM32擁有各種各樣的省電模式，滿足大棚環境采集需要低功耗的要求［7］。該單片機具有32位的ARM核心微控制器和豐富而增強的I/O端口，其內核是高性能的ARM Cortex-M3，工作頻率是72MHz，在電機驅動、應用控制和工業上都有很廣泛的應用。STM32采用串口設置相應波特率實現與ZigBee模塊和GPRS模塊進行數據傳輸。數據處理層與數據應用層的無線通信模塊采用是SIMCom推出的一款雙頻GSM/GPRS無線模塊SIM900［8］。其功能強大穩定，性價比高，尺寸小，采用標準工業接口，工作頻率為900/1 800MHZ，可以實現低功耗的數據傳輸。

2.2系統軟件設計

系統軟件主要包括ZigBee節點程序、網關程序和上位機軟件三部分組成。ZigBee節點程序由數據采集程序和組網程序組成，即將采集大棚中的環境數據發送到ZigBee模塊進行數據處理，將處理的數據傳送給匯聚節點。匯聚節點采用星型拓撲結構的組網技術，處理完成后采用GPRS技術直接傳送給終端上位機。星型拓撲結構的ZigBee無線通信技術，傳感器節點與匯聚節點交換數據是基于需求時喚醒的。當兩者間沒有數據交換時，傳感器節點處于休眠狀態的，此時兩者只進行低功耗的信道掃描。由于每個傳感器節點與匯聚節點直接傳輸的數據很少，數據碰撞的可能性就小，因而可保證數據的低功耗和可靠傳輸。系統終端的上位機軟件采用VB編寫，可以實現從網絡上下載access格式的實時數據包供上位機調用和查詢，從而可實時顯示大棚基地的環境參數。

3　系統驗證

表1　大棚內環境監測數據（2016年3月5日）

本系統在農戶的種植大棚中進行監測，布置三個終端采集節點。將系統搭建好后對硬件上電，然后運行軟件程序，監測大棚內的溫度、光照度、土壤濕度和pH值。監測時設定溫度采集范圍為-55～125℃，光照度的采集范圍0～3 270lux，土壤濕度的采集范圍0-100%，土壤pH值的采集范圍0～14。在實際監測時，將終端采集節點放置在大棚不同的位置，傳感器每隔10min進行數據采集，然后每隔1h對采集的數據進行融合，融合后上傳至網絡。大棚內環境數據采集的采集結果如表1所示，從運行結果來看，系統能實時地監測數據溫度、光照度、土壤濕度和土壤pH值，從而就可指導大棚種植者根據專家對作物的氣候條件和生長特性的研究，有效及時的調整大棚內作物的生長環境以滿足作物生長需求。從整個運行過程來看，系統運行穩定可靠，檢測數據準確，符合預期目標。

4　結束論

一個基于物聯網的大棚環境監測系統，可以根據環境參數實現大棚的實時監測，從而可控制大棚作物各生長階段的環境情況。系統采用星型拓撲結構的ZigBee無線傳感技術，改善了系統的靈活性，解決了有線電纜布線困難等問題，使得系統日后維護變得便利。在以后的工作中還可從以下幾點對系統進行改進：一是系統的供電問題，系統可考慮太陽能供電和電池供電相結合方式代替目前的單電池供電，這樣既可增加電池的使用壽命，又可保證數據采集的準確性。二是采取算法優化節點部署可解決節點數增加導致的數據包丟失、節點能量消耗等問題。

［1］ 王純枝，李良濤，陳健，等.作物產量差研究與展望［J］.中國生態農業學報，2009，17（6）：1283-1287.

［2］ 蔣鼎國.基于GPRS的溫室大棚溫濕度監控系統的設計［J］.湖北農業科學，2014，（9）：2153-2155.

［3］ 王純枝，李良濤，陳健，等.作物產量差研究與展望［J］.中國生態農業學報，2009，17（6）：1283-1287.

［4］ 屈利華，趙春江，楊信廷，等.Zigbee 無線傳感器網絡在溫室多源數據采集系統中的應用綜述［J］.中國農機化學報，2012（4）：179-183.

［5］ 王風.基于CC2530的ZigBee無線傳感器網絡的設計與實現［D］.西安：西安電子科技大學，2012.

［6］ 王超，駱德漢.基于STM32的嵌入式智能家居無線網關設計［J］.計算機技術與發展，2013，（23）：241-244.

［7］ 趙亮，黎峰.GPRS無線網絡在遠程數據釆集中的應用［J］.計算機工程與設計，2005，（9）：2552-2554.

Things Technology Greenhouse Environment Monitoring System Based on

Zhang Jian，Wen Jin-fang

With the rapid development of wireless communication technology，networking technology in environmental monitoring continues to Shenhua.We design things greenhouse environmental monitoring system is based on，can effectively solve the greenhouse environment monitoring cable wiring difficulties and other issues.The system collects data from the data terminal environment sensor nodes using a combination of GPRS and ZigBee wireless network technology will be collected sent to end-users，managers can monitor through a terminal greenhouse vegetable growth environment.Test results show that：the system is capable of real-time accurate monitoring of greenhouse vegetables environment，we can expect to complete work objectives.The system not only stable，but also has low power consumption and low cost.

internet of things；environmental monitoring；greenhouse vegetables；STM32

TP277

A

1003-6490（2016）05-0229-02

2016-05-10

張健（1980—），男，河南駐馬店人，講師，主要從事物聯網應用，智能控制工作。