基于物聯網的智能農業溫室大棚監管系統

作者/吳蓬勃，石家莊郵電職業技術學院電信工程系；張金燕，河北電信設計咨詢有限公司信息應用咨詢院；楊斐，石家莊郵電職業技術學院電信工程系

基金項目：河北省高等學校科學技術研究青年基金項目QN2015326；工業和信息化職業教育教學指導委員會教學研究課題GXH2016-84；工業和信息化職業教育教學指導委員會通信專指委教育教學項目TXZZW2016044

基于物聯網的智能農業溫室大棚監管系統

作者/吳蓬勃，石家莊郵電職業技術學院電信工程系；張金燕，河北電信設計咨詢有限公司信息應用咨詢院；楊斐，石家莊郵電職業技術學院電信工程系

基金項目：河北省高等學校科學技術研究青年基金項目QN2015326；工業和信息化職業教育教學指導委員會教學研究課題GXH2016-84；工業和信息化職業教育教學指導委員會通信專指委教育教學項目TXZZW2016044

針對目前精細化農業大棚種植中對植物監控管理的需要，提出了一種基于物聯網技術的智能農業溫室大棚監管系統。基于WiFi與ZigBee無線傳感器網絡，通過多種傳感器節點采集大棚的環境溫濕度、土壤濕度、光照、圖像等數據，實現了對農業生產環境的智能感知、智能預警；同時結合Android App實現了大棚內設備的遠程可視化管理。試驗證明，該智能農業溫室大棚監管系統可實時感知大棚環境信息，可實現農業設備的有效控制，為植物生長提供了良好的環境、降低了人力成本，具有很好的實用價值。

物聯網；農業大棚；Zigbee；WiFi；智能感知；可視化管理

引言

在農業生產過程中，農業溫室大棚的出現使得植物的生長不再受限于自然環境，農民可以在任何季節種植所需要的農作物。傳統的農業大棚多為人工控制農業溫室大棚的采光、溫度情況，對于溫室大棚內植物的生長情況需要定時去觀察，進而降低了農業生產效率、增加了勞動力成本。

隨著物聯網技術的快速發展，物聯網與農業的有效結合，促使我國傳統農業向現代化精細種植方向發展。物聯網應用于農業溫室大棚，也必將促進其向著智能化、自動化和信息化方向發展[1—2]。

本文基于物聯網的三層架構：感知層、網絡層、應用層構建農業溫室大棚監控管理系統，通過多種傳感器實時感知農業溫室大棚內部環境參數；通過WiFi和Zigbee無線傳感器網絡采集將各個節點采集的數據上傳到服務器；用戶通過手機APP即可實時了解到大棚內部情況，并可進行遠程設備控制。

1. 系統總體規劃

系統架構圖[3]如圖1所示，在溫室大棚內部，通過多種傳感器：環境溫濕度、光照強度、土壤濕度、雨滴、煙霧等實現農業溫室大棚內部環境感知；通過對燈光、草簾、換氣扇等設備的控制，動態調整溫室大棚環境。智能環境感知和控制設備通過Zigbee轉WiFi網關連接3G無線路由器，IP攝像頭也通過WiFi網絡連接到3G無線路由器。用戶通過手機APP可實時觀察溫室大棚內部情況，了解環境信息，并可進行遠程設備的控制。

2. 硬件設計

2.1 CC2530無線感知與控制節點設計

溫室大棚內部環境感知和設備的控制均基于CC2530構建的Zigbee無線傳感器網絡來實現，CC2530單元原理圖[4]如圖2所示。CC2530為TI公司的一款基于增強型8051CPU的遵循IEEE802.15.4協議的無線射頻收發芯片。CC2530內部的電源管理器可動態調整供電模式，實現了長電池壽命的低功耗應用，確保了各個無線節點的長期低功耗運行[5]。下面將對各個無線感知和控制節點進行具體介紹。

圖1 系統架構圖

（1）溫濕度感知節點

該節點基于CC2530和DHT11溫濕度傳感器實現。DHT11采用單總線方式與CC2530通信，一次可傳送40位數據，包括：8位濕度數據整數部分、8位濕度數據小數部分、8位溫度數據整數部分、8位溫度數據小數部分和8位校驗位。

（2）光照感知節點

光照節點基于CC2530和數字光照傳感器ISL29003實現。ISL29003為Intersil公司的基于I2C接口的16bit數字光照傳感器。其光照度檢測范圍可在1000lux、4000lux、16000lux、64000lux之間調整。與光敏電阻相比，ISL2903體積更小，光照感知更加快速、精確。

此外，土壤濕度感知節點，基于CC2530的內部ADC實現。雨滴、煙霧和人體紅外感知節點為開關量節點，基于CC2530的IO口檢測實現。燈的控制、草簾電機控制和換氣扇控制也通過CC2530的IO口控制繼電器實現。

圖2 CC2530原理圖

2.2 Zigbee轉WiFi網關設計

本網關中的Zigbee設備為Zigbee網絡協調器，其通過串口與WiFi模塊通信，傳輸的僅僅是少量的間歇數據，并不傳輸圖像；考慮到系統的成本和功耗要求，本系統的WiFi模塊選用了上海樂鑫的ESP8266。

ESP8266內部集成了的2.4G無線射頻收發電路、電源管理電路、CPU內核、10bit高精度ADC、TCP/IP協議棧等，支持WiFi 的WPA/WPA2安全模式[6]。可單獨使用，也可做為串口透傳模塊配合其它MCU使用。

ESP8266原理圖如圖3所示，26MHz的外部晶振為ESP8266提供時鐘信號；ESP8266的程序存儲到外部的SPI Flash中；CC2530可通過芯片使能引腳CHIP_EN控制ESP8266是否進入工作狀態，通過串口與ESP8266進行數據通信，實現Zigbee網絡數據到WiFi網絡數據的轉換。

3. 軟件設計與功能驗證

軟件部分主要包括：Zigbee無線感知節點的環境數據采集與控制、ESP8266的WiFi配置和用戶端手機App的設計，本文將對后兩者進行重點介紹。

圖3 ESP8266原理圖

3.1 ESP8266的配置

ESP8266配置流程如圖4所示。首先配置CC2530的串口、開啟串口接收中斷；配置連接ESP8266的芯片使能和復位引腳并使能芯片；CC2530通過串口向ESP8266發送復位AT指令，進行復位測試。然后，設置ESP8266進入STA模式，配置ESP8266要連接的目標AP的SSID和密碼，如果連接成功，則配置ESP8266進入單連接模式。最后，基于TCP協議連接服務器的指定端口，如果連接成功，則配置ESP8266進入串口透傳模式。以上的步驟配置完成后，ESP8266即進入串口透傳模式，CC2530即可與服務器進行數據的透明收發。

圖4 ESP8266配置流程圖

3.2 AnroidApp客戶端設計

手機App部分主要包括：環境監測、報警數據查詢、遠程設備控制、遠程視頻監控幾個部分。用戶可以通過App實時了解溫室大棚內部環境，并可遠程控制設備動作。圖5是智能農業溫室大棚系統試驗平臺，圖6～9顯示了An—droid App端所采集的環境數據、報警信息、視頻信息以及遠程設備的控制界面。

4. 總結

本文根據現代農業溫室大棚智能感知、智能控制的實際需要，設計了基于物聯網的溫室大棚監控管理系統。基于Zigbee無線傳感器網絡實現了大棚內部溫濕度、光照、土壤濕度等數據的采集，通過WiFi網絡和3G無線路由器實現了數據遠傳。 結合手機App實現了對農業生產環境的智能感知、智能預警和遠程設備控制。試驗證明，該智能農業溫室大棚監管系統方便了農民對大棚地監管，有利于為植物生長提供良好的環境，提高了農業的生產效率，降低了人力成本，具有很好的實用和推廣價值。

圖5 智能農業溫室大棚監管系統試驗平臺

圖6 環境監測

圖7 報警信息查詢

圖8 遠程視頻監控

圖9 遠程設備控制

＊ [1] 韓毅. 基于物聯網的設施農業溫室大棚智能控制系統研究[D].

太原：太原理工大學，2016.

＊ [2]吳朋林. 溫室大棚智能控制系統研究[D]. 濟南：山東大學，2015.

＊ [3]曾令培. 智能溫室大棚系統的設計[D]. 成都：西南交通大學，2015.

＊ [4] 吳蓬勃、楊斐、李莉等. 基于Zigbee的新型激光模擬對抗訓練系統設計[J]. 激光與紅外，2015,45(6):616—620.

＊ [5] Texas, Instruments. CC253x System—on—Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee? Applications User’s Guide[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/product/cn/CC2530/ technicaldocuments, 2017—07—06.

＊ [6] 樂鑫信息科技（上海）有限公司. ESP8266EX Datasheet[ EB/OL]. http://www.espressif.com/en/products/hardware/ esp8266ex/resources, 2017—07—06.