智能溫室大棚監控系統的研究與設計

龔尚福+潘虹

摘 要： 針對目前各種智能監控系統成本高、使用不方便等特點，提出一種智能溫室大棚監控系統。本系統采用CC2530嵌入式微處理器作為主控芯片，無線傳感網絡采用ZigBee技術構建，軟件系統由電腦端的監控中心系統和Android移動客戶端系統組成，并輔助專家庫予以指導。本系統具有良好的人際交互界面，操作簡便，成本低，用戶可隨時隨地監控溫室大棚的生產和管理情況，具有實用價值。

關鍵詞： 智能溫室大棚監控； ZigBee技術； CC2530； Android移動客戶端系統

中圖分類號： TN919?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0119?04

Research and design of intelligent greenhouse monitoring system

GONG Shangfu， PAN Hong

（College of Computer Science and Technology， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： According to the characteristics of high cost and inconvenient use of various intelligent monitoring systems， an intelligent greenhouse monitoring system is put forward， in which the CC2530 embedded microprocessor is taken as the main control chip. The ZigBee technology is used to construct the wireless sensor network of the system. The software of the system is composed of the monitoring center system at computer terminal and Android mobile client system， and assisted with expert database for guidance. The system has perfect human?machine interactive interface， easy operation， low cost and high practical value， with which users can monitor the production and management of greenhouse whenever and wherever possible.

Keywords： intelligent greenhouse monitoring； ZigBee technology； CC2530； Android mobile client system

0 引 言

我國是一個農業大國，但是人口眾多，人均耕地面積少，所以如何提高農作物的產量和質量，最大化地利用耕地面積十分重要。傳統的日照溫室大棚主要采用手動來控制，生產效率低，生產成本高，且容易受到環境的干擾，造成植物的收成達不到理想狀態[1?2]。所以將物聯網技術和農業結合起來，將會提高農業的發展。

物聯網是一種按照約定的協議，通過信息傳感設備把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化跟蹤、識別、定位、監測、控制和管理的一種網絡[3?4]。在智能溫室大棚里，可以利用物聯網技術，采用各種傳感器采集土壤濕度、溫度以及空氣濕度、溫度、光照強度、CO2濃度等參數值，再通過與預設參數值相對比，自動調控設備調節溫室環境中各參數值，得到植物生長的最佳條件，使農作物增收。

此外，在溫室大棚生產的各個階段還可以應用物聯網技術。在溫室大棚的準備階段，用戶可以通過在溫室里布置各類傳感器，實時地分析溫室內部環境情況，從而選擇出最適宜種植的品種。在溫室大棚中植物培育階段，用戶可以通過各類傳感器來采集溫室內溫濕度、光照強度以及土壤的溫濕度等數據，實現精細化管理。在溫室大棚內植物收獲后，還可以通過傳感器采集的信息對不同階段植物的表現和環境因子進行分析，反饋到下一輪的生產中，從而獲得更優質的產品，提高農民的收入[5?6]。

本文研究并設計出的智能溫室大棚監控系統具有以下特點：

（1） 用戶可以利用手機隨時隨地對溫室大棚進行監測和控制，使用方便。

（2） 基于Android平臺的移動終端價格便宜，且現在幾乎人手一部智能手機，降低成本。

（3） 智能溫室大棚的建設和使用能夠節水節肥，為用戶減少成本，并使得農作物增產，增加用戶的收入。

（4） 增加具有豐富知識的專家庫，為用戶提供農作物播種前的品種選擇診斷、生長條件診斷、病蟲害問題診斷、專家知識查詢以及和專家交流。

（5） 系統可自動控制，這樣避免當用戶手機不在身邊時，影響溫室環境的控制。

1 系統總體設計

1.1 研究方案

系統由數據采集模塊、設備控制模塊、網絡模塊、監控中心模塊和用戶模塊五個模塊組成。數據采集模塊是在溫室大棚內布置各類傳感器來采集溫室大棚中各種參數值；設備控制模塊是通過控制設備來調節溫室大棚內各參數值，達到有利于植物生長的最佳環境，調控設備有卷簾電機、噴灌設備、澆灌設備、通風設備和照明設備等；網絡模塊是將數據采集模塊采集到的數據傳輸到服務器上，信息的傳輸通過無線傳感網來實現，無線傳感網主要采用ZigBee技術來構建；監控中心模塊對溫室環境進行監控，可以查看溫室大棚內各參數值，也可以根據用戶提前輸入的植物生長所需環境的目標參數來自動調節各種設備；用戶模塊使用戶可以隨時隨地通過Android平臺來查看溫室內的各種參數值，并能通過Android平臺來控制各種設備。其智能溫室大棚監控系統的原理示意圖如圖1所示。

1.2 主要參數

系統主要涉及對溫室大棚內的溫度、濕度、光照強度與CO2濃度的數據采集、顯示和調控。

（1） 溫度。溫室大棚內的溫度是影響作物生長的主要因素，大棚溫度過高時，打開卷簾電機放下黑紗遮擋強太陽光，開啟風扇；溫度過低時收起黑紗，打開加溫裝置。

（2） 濕度。溫室大棚內的濕度決定了大棚內植物生長的水分，大棚內的濕度可以分為兩部分：一部分是土壤濕度；一部分是空氣濕度。當土壤的濕度過低時，打開澆灌設備進行澆水；當空氣中的濕度過低時，打開噴灌設備進行噴灑。大棚內濕度過高可以打開通風設備進行通風，用以降低濕度。

（3） 光照。溫室大棚內植物的生長狀況與光照有著緊密的關系，需要增加光照強度時，打開照明設備并打開卷簾。如果光照強度過強可以通過卷簾電機放下卷簾來降低光照。

（4） CO2濃度。溫室大棚內的CO2濃度一般要保持與大氣中的CO2濃度值一致，無論溫室大棚內的CO2濃度過低還是過高，都需要打開通風設備使溫室大棚內CO2的濃度達到一個穩定值。

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee技術

由于有線通信方式存在成本高、布線復雜度高等缺點，所以系統采用無線通信技術。目前比較常見的無線通信技術包括 WiFi，Bluetooth，ZigBee，NFC等通信技術[7]。對這幾種通信技術的比較，如表1所示。

通過表1可知，ZigBee具有成本較低、傳輸速率低、組網能力強、網絡容量大等特點，滿足無線傳感網絡的要求[8?9]。由此可見，ZigBee技術最適合用來組建智能溫室大棚監控系統的無線傳感網絡。

ZigBee技術是一種基于IEEE 802.15.4的近距離、低復雜度、低功率消耗、低速率和低成本的雙向無線通信技術[10?11]。在一個基本的ZigBee網絡中，根據網絡中各個節點的功能不同分為終端節點、路由器節點和協調器節點[12]。ZigBee節點硬件框圖如圖2所示。

該節點電路的工作流程為：傳感器模塊采集溫室大棚各個采集點的數據，然后通過ZigBee協議無線傳輸到CC2530單片機上，再把數據傳到協調器。

2.2 CC2530

本文選用TI公司的CC2530作為ZigBee節點的MCU，CC2530是一款完全兼容的8051內核，同時支持IEEE 802.15.4協議的無線射頻單片機，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能[13]。它既可以處理數據，又可以把收到的數據通過無線發送出去，在大型網絡中可以大大節約成本，另外減少了設計環節，相對比較穩定[14?15]。CC2530開發板原理如圖3所示。

2.3 溫濕度傳感器DHT11

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[16]。該傳感器包括電阻式感濕元件和NTC測溫元件，并與一個性能很高的單片機相連接，因此該產品具有響應速度超快、測量精度高、抗干擾能力強、性價比極高等優點[17?18]。產品為 4 針單排引腳封裝，連接方便[19?20]。DHT11模塊原理如圖4所示。

3 系統軟件設計

Android是一款基于Linux內核的開源操作系統，由Google主導的開放手機聯盟（Open Handset Alliance）開發，于2007年11月5日發布第一個版本，它是一款先進的、流行的嵌入式操作系統[21?23]。選擇Android是因為它具有開發周期短、技術先進成熟、實用性強等特點，而且隨著智能手機的普及，幾乎人手一臺智能手機，這降低了開發智能溫室大棚監控系統的成本，也使用戶可以隨時隨地查看溫室大棚內的狀況，使用方便。

移動APP采用Java語言編寫，UI設計采用Fragement解決多個頁面展示的問題。該軟件設計分為監控模塊、控制模塊和專家庫三個模塊。

（1） 監控模塊主要用來顯示溫室大棚內的溫度數據、濕度數據、光照強度數據、CO2濃度數據。用戶可以通過手機客戶端隨時隨地查看溫室大棚內的情況。

（2） 控制模塊主要用來控制卷簾設備、噴灌設備、澆灌設備、通風設備、照明設備、加溫設備等。用戶可以通過手機客戶端來控制設備，使溫室內的各種參數達到植物生長最適宜的值。

（3） 專家庫為用戶提供農作物播種前的品種選擇診斷、生長條件診斷、病蟲害診斷、專家知識查詢以及和專家交流。便于用戶能實時查詢有關農作物的種植技術，實時診斷農作物在各個階段的各種狀況及對應的防治方案，實時解決農作物出現的問題。軟件系統結構如圖5所示。

4 總 結

本文設計的智能溫室大棚監控系統具備如下特點：

（1） 在傳統的電腦端的監控系統上增加了可移動的智能監控系統，實現了Android手機監控功能，操作方便、用戶界面友好，還可隨時隨地監測溫室大棚的數據和控制設備；

（2） 設計了專家庫，為用戶提供植物的品種選擇診斷、生長條件診斷、病蟲害診斷以及專家知識查詢。便于用戶能實時查詢有關農作物的種植技術，實時診斷農作物在各個階段的各種狀況及對應的防治方案，實時解決農作物出現的問題，提高農作物的產量，增加農民的收入。

設計的溫室大棚智能監控系統操作簡單、成本低、通用性強，不但適用于各類溫室大棚監控與管理，而且可以應用到智能停車場、智能家居、醫院病人的病況監測、家禽養殖等，對智能監控系統應用起到了有利的推動作用。

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