基于WiFi的立體無土化栽培智能控制系統的研究

虞斌斌 楊亞偉 宿州學院信息工程學院

關鍵字：WiFi傳感器 立體無土化 遠程控制

1 項目研究的背景

隨著物聯網技術的快速進步、WiFi技術的成熟和新型農業無土化栽培技術的發展，越來越多的新平臺為智能化遠程控制提供了新方向。設計在物聯網環境下的信管服務模式，可降低用戶對信息獲取的成本與服務階檻，實現各行業高效性與智慧性管理。未來將會有更多的行業使用人工智能調用機器和傳感器檢測到的數據實現遠程控制。電子信息技術的提高，計算機、手機、平板電腦等電子設備成為大眾化的互聯網終端，更何況我國是農業大國，怎么提高農業產量是如今一直研究的方向。本項目就基于WiFi的立體無土化栽培智能控制系統展開了深度研究。

2 系統結構的設計

無線傳感器網絡是通過大量的無線傳感器節點構成的數據傳遞網絡，本系統大體是由WiFi傳感器節點模塊、用于接收數據的計算機、電子終端設備組成，通過大面積地部署WiFi傳感器節點經無線網絡與各傳感器節點接通，通過WiFi網絡將檢測到的數據實時傳輸到用戶并下指令到處理機。遠程控制總體設計圖如下：

圖1 系統總體設計圖

2.1 硬件設計

2.1.1 WiFi傳感器節點

WiFi傳感器節點是一種無線微型嵌入式設備，低功耗、高性能，內置傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊（如圖2）。WiFi模式更適合本項目，傳輸距離和傳輸速率相比其他網絡具有特別大的優勢。WiFi傳感器節點通過監測到的數據經過A/D轉換由其它節點進行傳輸，最后路由匯聚到達中控室管理節點，用戶通過管理節點對控制處理節點進行操作。

圖2 WiFi無線傳感器節點構成圖

2.1.2 STM32 嵌入式系統

STM32單片機實質上是一個小芯片，同時也是一個微控制器，比傳統的51單片機有更多的功能、性能和接口，STM32單片機包含ARM32位CPU、存儲器、時鐘電路、A/D轉換元件，可集成的外設很多，并且有很強的實時性能。

2.1.3 GS1010 芯片無線通信模塊

GS1010芯片是一種高集成，低功耗的WiFi無線微型系統，標準802.11協議線，傳輸速率高，通過SPI口連接主控制器和網絡。在Arduino開發環境下，連接無線傳感器到Arduino主板上，編寫可控代碼，實現通信。

2.1.4 電磁閥和繼電器

電磁閥內含電磁線圈及磁芯，線圈被通電，磁芯運行。當溫濕度升高時，監測節點檢測到數據傳給管理節點，和人為設定的數據值匹配，當匹配不成功時，管理節點通過WiFi控制節點對電磁閥作出指令，給其通電，使其工作，控制噴頭噴灑，降低大棚內溫濕度。同理，繼電器也是一種控制通斷的開關，當光源過暗時，通過上述步驟，控制補光燈自行補光。

2.2 軟件設計

本設計將采用WiFi模塊配置為UDP客戶端方式來實現數據的傳輸，UDP方式相對于TCP方式傳輸快、更安全、程序結構更簡單。基本步驟：

1.初始化讀取用戶指令參數IP，判斷IP地址是否合格；2.建立UDP socket；3.建立和服務程序的連接。與TCP協議不同，UDP少了三次握手功能。UDP連接，可直接返回錯誤信息到程序，避免因沒有收到數據而一直等待狀態；4.向服務程序發送讀取到的用戶輸入數據；5.接收服務程序返回的數據；6.處理接收數據，輸出到標準輸出上。代碼設計過程如下圖：

圖3 代碼框圖

在手機、平板等操作系統終端設備中，開發一款適用于項目的APP通過建立協議與PC機匹配數據，用戶可以隨時隨地通過終端查看蔬果棚環境信息，并設定消息推送功能，當某環境值與設定值不匹配時，向用戶預警，用戶即可進行便攜式可視化智能遠控。

2.3 系統測試

通過放入一些冰塊使蔬果棚內溫度適當降低，溫度傳感器將檢測到溫度數據傳送給A/D轉換器轉換成數字信號，通過WiFi網絡節點傳送到中控室管理節點匹配數據，匹配不成功，控制節點進行處理提高光照強度，溫度得到回升。與此同時，也可以通過手機等設備事先觀察棚內狀況進行人性化處理。

3 WiFi智能遠程控制系統的優勢

1.對無土栽培蔬果的各類實時數據信息進行采集、監測和控制；2.通過WiFi協議進行無土化栽培室、中控室和手機終端兩兩互聯；3.對所有的設備單元器件進行智能遠控；4.通過太陽能供電，節省能源；5.通過APP的開發，實現WiFi連接手機終端的立體無土化栽培智能控制應用。

4 結論

盡管藍牙、Zigbee等無線網絡技術應用廣泛，但是存在傳輸數據信息距離短，速率低，少量地方安裝網絡困難的缺點。然而 WiFi技術在眾多短距離的無線組網技術對比下脫穎而出，WiFi網絡傳輸速率快，無需布線，裝網方便，適用于封閉的環境。該研究設計具備很好的擴展性，如測量了已知測量的因素外的蔬果類生長的因素，還能附加攝像頭，實現對圖象、視頻信號的實時監測和上傳。