智慧農業控制系統設計

楊代利, 陸川

(1. 四川文理學院 計算機學院, 達州 635000 2. 成都市六二五科技有限公司, 成都 611730)

智慧農業控制系統設計

楊代利1, 陸川2

(1. 四川文理學院 計算機學院, 達州 635000 2. 成都市六二五科技有限公司, 成都 611730)

為了提高農業生產效率，實現科學化種植，基于單片機技術、傳感器技術、ZigBee技術、Android技術以及計算機網絡技術設計了遠程農業控制系統。控制系統實現了對農作物生長環境因素的遠程監控，并將實時參數通過手機APP客服端直觀形象呈現給用戶，且可以設置參數報警閾值，及時提醒用戶，用戶可選擇智能模式或者手動模式遠程調節農作物生長環境因素。

單片機； 傳感器； ZigBee； APP； 計算機網絡； 智能模式

0 引言

當今，農業科技水平不發達，農民主要依靠經驗種植農作物，很少針對農作物生長情況、土壤成分、害蟲防治等進行科學分析后，合理使用農藥化肥。當前，我國農藥使用量追年遞增，已成為世界第二大農藥使用國，尤其是生長周期短的蔬菜、瓜果類食品，由于蟲害多，往往大量使用農藥防止病蟲害，農藥殘留量較多。因此，解決農藥超標使用和亂使用，合理使用農藥促進農作物生長，是我國農業發展面臨的重要問題。

同時，在過去的幾年，由于技術落后的限制，過度消耗了有限的資源，大規模的使用農藥、化肥等物品，破壞了生態平衡，污染了農業生產環境。以致近年我國各地水質污染現象和地質災害頻繁發生，水土流失、草地退化、土壤沙等整體仍未遏制，應當引起重視。除此之外，現在的大規模的農業機械，都需要經過培訓的高技術人才才能正確使用，對普通農民來說具有很大的挑戰性，也注定無法大面積普及。并且我國的生物學家緊缺，普通農民根本不知道該如何科學的施灑農藥、化肥等，只能通過經驗來進行估計判斷，不具有科學性，更加劇了農作物減產的進程。

智慧農業控制系統可以遠程監控溫室大棚里的實時溫度、濕度，土壤水分，光照強弱，并根據統計數據綜合分析大棚的各種參數指標判斷是否適合作物生長以及是否有病蟲害，并進行遠程調節農作物生長環境參數。農業專家能遠程指導農戶，農戶也能精確了解農作物的生長環境；如此可以減少農藥的濫用，不僅保護了環境，也提供了營養無害的農作物產品。

1 智慧農業控制系統應用和需求分析

農作物賴以生存的環境主要包括：、生長環境溫度、濕度、光照度、土壤水分含量、土壤營養成分含量以及鹽堿度、空氣二氧化碳濃度。合理調節這些環境因素，才能促進農作物生長得更好。因此，智慧農業控制系統就必須依靠各種傳感器如光敏、溫濕度和土壤水分傳感器，收集作物環境中的各種參數信息，存儲到遠程數據庫，供專家和農戶分析統計，然后根據分析結果給出合理的控制參數信息，設置作物環境中各種參數的閥值，當環境中的參數越過閥值時，負反饋給帶控制功能的節點，改變相對應繼電器的狀態，如光線過暗，就打開燈變亮；土壤缺水，就打開水泵或滴灌補水；二氧化碳濃度降低，就控制繼電器動作，打開換氣窗，以促使二氧化碳含量回到正常范圍。

2 智慧農業控制系統的設計與實現

2.1 智慧農業控制系統設計流程

本系統結合單片機技術、傳感器技術、ZigBee技術、Android技術以及計算機網絡技術實現其功能。傳感器采集生產現場各種參數，經過轉換和初步處理，通過ZigBee無線通信技術上傳至上位計算機，計算機對數據進行分析處理后，轉發給服務器；服務器可以把所有的歷史數據都存儲起來，通過終端如手機APP，將數據直觀形象呈現出來，農業專家以及農戶可以利用當前和歷史數據分析農作物生長情況以便合理對農作物生長環境參數進行調節。該系統具有以下功能：

(1)通過終端設備如電腦、手機遠程監控大棚溫室的空氣溫度、濕度、光照度、土壤水分等實時環境因素。

(2)系統根據不同溫室農作物設置相應的環境因素上下限值，一旦超過設定值，系統可以通過電腦或者手機APP客戶端發出警報，提醒管理人員，同時管理者可以選擇智能控制或自己手動調節環境因素，進行遠程控制，從而保證系統穩定運行。

(3)系統通過先進的遠程工業自動化控制技術，讓用戶足不出戶遠程控制溫室設備。

(4)用戶可以通過該智能農業監控系統手機客戶端，隨時隨地查看自己負責溫室的環境參數，客戶可以通過手機在任意地點進行遠程控制。

該系統為B/S三層結構，主要分為客戶端、遠程服務器和硬件執行機構3部分。系統設計流程框圖,如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2.2 智慧農業控制系統的實現

本系統由感知層、網絡層、管理服務層、應用層四層組成。感知層實時采集農作物生長環境的各種參數。網絡層主要為感知層和管理服務層提供鏈接鏈路，傳輸環境參數。管理服務層整合和利用由網絡層傳輸的數據。應用層手機APP終端使各種復雜的數據簡單化，可控制簡單化，圖形化的界面讓普通用戶都能很方便的使用。

2.2.1 感知層

本系統把CC2530F256與zigbee協議棧(Z-StackTM)相結合，在zigbee協議棧基礎上進行二次開發，技術成熟，成本低，在業界智能產品中被廣泛使用，系統的穩定性更高。該系統使用CC2530F256引腳P1_1、P1_1、P1_4、P0_1控制指示燈，其中LED1是可以使用PWM技術進行調光；P0_2、P0_3作為RJ232串口通信口；P0_5作為光敏電阻的信號輸入口；P0_6作為溫濕度傳感器DHT22信號輸入口，P0_7作為土壤水分傳感器的信號輸入口；P0_11作為繼電器的信號輸出口。該系統中主要使用了土壤水分傳感器、溫濕度DHT11、光敏電阻傳感器；光敏電阻主要用于采集光照度，DHT22可以同時測量環境中的溫度和濕度，土壤水分傳感器檢測土壤濕度。使用Altium Designer軟件進行原理圖設計和PCB板繪制。

2.2.2 原理圖設計和PCB設計

系統的電路設計共分為5個部分,如圖2、圖3所示。

核心板、供電模塊、穩壓模塊、傳感器模塊、串口收發模塊。系統使用5 V供電，經過穩壓模塊將電壓變成3.3 V的穩定輸入電壓，為核心板供電。其中繼電器需要5 V電壓進行驅動，DHT22為提高精確度必須要加上一個5K的上拉電阻，光敏電阻應該接一個R1=10K的參照電阻，通過ADC采集到模擬電壓Va，利用公式：R光=Va/(3.3-Va)/R1就可以得到光敏電阻隨光照強度而改變的電阻值。

2.2.3 協調器節點設計

協調器只需要使用3.3 V驅動CC2530核心模塊就可以使協調器開始工作，CC2530UART0的RX和TX分別與CH340的RX與TX相互反接，才能使用RJ232進行串口與上位機通信。協調器具有3個功能。

(1)使用ZigBee協議棧與所有的終端節點組成網絡；

(2)接收終端節點發送過來的各種數據，包括各個節點采集的溫濕度、光照強度、土壤溫濕度、繼電器開關狀態、是否啟用智能模式等信息，通過串口傳輸數據給上位機；

(3)接收從串口發送到的數據指令并接收數據，根據解析到地址發給控制終端節點。

2.2.4 終端節點設計

本系統的終端節點分為兩類，一種是采集數據的節點，一種是和繼電器相連接的控制節點。采集節點上設計有一個溫濕度傳感器DHT22，光敏電阻，土壤水分傳感器，終端節點每隔5s向協調器發送一次采集到的所有數據，控制節點上設有一個繼電器，用與控制各種設備的開關。系統設計有智能模式和用戶模式：

(1)用戶模式下，當環境參數指標超出設置的閥值時，APP客戶端會發出警報，用戶可以通過查看即時的傳感器采集的數據，判斷當前環境是否適合農作物生長，然后遠程控制繼電器的開關，打開對應的設備，當環境指標回到正常狀態，再手動關閉繼電器。

(2)智能模式下，當環境參數指標超出閥值時，APP客戶端并不會發生警報，而至自動控制繼電器，改變環境參數指標，到再次達標時，繼電器也智能改變狀態。

圖2 電路設計

圖3 PCB設計

2.3 網絡層

網絡層的主要作用是傳遞數據，如何讓硬件設備采集到的數據無差錯的傳輸到網絡遠程服務器中。本系統包含兩種網絡結構，一是由所有硬件設備自組成的Zigbee網絡，一是將節點采集到的數據發送到網絡服務器的傳統INTERNET網絡。

2.3.1 Zigbee網絡技術

Zigbee協議是一種短距離無線傳感器網絡與控制協議，主要用于傳輸控制信息，數據量相對來說比較小，一般用于無線傳感網絡。本系統設計采用星型網絡拓撲結構來盡量保證數據可以沿著不同的傳輸路徑到達目的地址。協調器和終端節點利用Zigbee網絡進行低數據傳輸，具有良好的可靠性和安全性，為整個智慧農業系統的穩定性提供底層的保障。2.3.2 TCP/IP通信

硬件要將采集到的數據發送到APP客戶端，必須要經過上位機和服務器進行數據的轉發，APP客戶端發送的控制指令，同樣也要經過服務器的編譯處理，然后通過上位機轉發給協調器，協調器根據相應協議規范解析指令，控制終端節點。在系統中，協調器和上位機使用RJ232進行串口通信，協調器向串口發送固定長度的字符串格式數據，上位收到數據后通過SOCKET與服務器進行及時通信。服務器把收到的數據存儲到mysql中，APP通過HTTP請求向服務器請求當前節點采集的數據。APP發送控制指令給服務器，服務器以同樣的方式轉發給硬件設備，達到控制的目的。系統的通信協議如下：

設置閥值：安卓手機發送指令

0X00 起始標示位

0X—(溫度下限符號位，00為零上，01為零下)

0X—(溫度下限值整數部分)

0X—(溫度下限值小數部分)

0X—(溫度上限符號位)

0X—(溫度上限值整數部分)

0X—(溫度上限值小數部分)

0X—(濕度下限值整數部分)

0X—(濕度下限值小數部分)

0X—(濕度上限值整數部分)

0X—(濕度上限值小數部分)

0X—(光強下限值)

0X—(光強上限值)

0X—(土壤濕度下限值)

0X—(土壤濕度上限值)

0XFF 結束標示位

設置手動或者自動模式：

0X01 起始標志位

0X—(01為手動模式，00為自動模式)

0X00 結束標志位

默認值：0x01 0x000x00

PWM調光(安卓手機控制)

0X02 0XFF

0X-(范圍0x00～0xFF)

控制節點：安卓手機發送指令(手機權限更大)

0X03 0XFF

0X—(00為關閉繼電器，01為打開繼電器)

數據傳輸格式(char)：

第1位：0表示傳輸采集的數據，1表示響應上位機

第2～3位：節點編號

第4位：溫度的符號 1表示正，0表示負2表示操作成功 3表示操作失敗

第5～7位：表示溫度值 表示對應的命令編號，級命令的第一個字節的值

第8～10位：表示濕度值

第11～13位：表示光強值

第14～16位：表示土壤濕度值

第17位：表示有無人(1為有人，0為無人)

如：00212536551170681表示：節點02,收集的溫度為25.3，濕度為65.5%，光強為117，土壤濕度為68，有人在附近2.4 管理服務層

在該系統中，管理服務層是指服務器。服務的作用，至關重要，服務器擔任的角色，首先服務器是數據的倉庫，服務器把從APP客戶端發送而來的指令或上位機發送而來的節點采集數據存儲到MYSQL數據庫中，方便查詢和數據持久化，生物學家可隨時觀看和分析。另外，服務器也是數據的中轉站，上位機和服務進行Socket通信，而APP與服務器進行以C/S模式進行HTPP訪問請求方式通信，APP客戶端每隔5S向服務器發送一次訪問請求，服務器查詢數據庫，按照一定的格式把把各種參數信息組織起來。服務器通過JavaWeb進行編寫，同時支持HTTP請求和Socket連接。為了數據的一致性，兩種請求的都只能操作同一個數據庫，從同一個數據庫中讀取數據。服務器流程圖,如圖4所示。

圖4 系統流程圖

2.5 應用層

該系統直觀形象的把采集的數據體現到APP客戶端上，在APP客服端上以各種圖表的方式把數據整合起來供用戶觀看，APP可以看到采集節點所采集的及時數據，可以查看節點環境參數指標數據的變化，還可以設置節點的智能模式；還可以改變節點的繼電器的狀態，可控制燈光亮度。APP截圖,如圖5所示。

圖5 APP操作界面截圖

3 總結

本系統的硬件層設計是對Zigbee協議棧進行二次開發，在原有的基礎上增添各種功能，保持底層結構不改變，系統具有良好的穩定性。智慧農業控制系統就是依據物聯網技術，通過各種無線傳感器實時收集農作物生長環境的光照、溫度、濕度等參數，而對農作物生產環境進行遠程監控以及調節控制，從而達到增產增收、節約資源以及作物多樣化及保障安全。

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The Design of Intelligent Agricultural Control System

Yang Daili1,Lu Chuan2

(1. Sichuan University of Arts and Science Department of Computer,Dazhou 635000,China;2. Chengdu 625 Science and Technology Co.,Ltd,Chengdu 611730,China)

In order to improve the efficiency of agricultural production and realize scientific planting, Based on single chip computer technology,sensor technology, ZigBee technology, Android technology and network technology, this paper designed a remote agricultural control system. The control system can realize the remote monitoring of the environmental factors of crop growth. And the real time parameters, through the mobile phone APP, were intuitivly and vividly presented to users. Operator can set alarm threshold of the parameters to remind users, Users can choose intelligent mode or manual mode to remotly regulate environment factors of crop growth.

Single chip computer; Sensors; ZigBee; APP; Computer network; Intelligent mode

楊代利(1985-),男,助教,碩士,研究方向：智能控制、物聯網 達州 635000 陸 川(1990-),男,學士學位,研究方向：物聯網 成都 611700

1007-757X(2017)01-0035-04

TP311

A

2016.04.30)