智能物聯網溫室自動監控系統設計與實現

范立南，劉 洲，武 剛，李佳洋，戴 祥

（沈陽大學 信息工程學院，沈陽 110000）

0 引言

目前，發達國家設施農業已具備了技術成套、設施設備完善、生產規范、產量穩定、質量保證性強等特點，形成了設施制造、環控調節、生產資材為一體的產業體系，能根據動植物生長的最適宜生態條件在現代化設施農業內進行四季恒定的環境自動控制，使得不受氣候條件的影響，實現了周年生產、均衡上市。

當前，國內正處在由傳統農業向現代化農業轉變的過渡時期，智能溫室大棚已經成為了現代化農業的一個重要的組成部分，國內智能溫室自動監控系統的應用與研究已經從引進吸收階段開始向綜合性研究、創新應用階段過渡，未來幾年，物聯網智能農業將迎來飛速發展的新時期。

1 系統總體方案設計

1.1 系統技術架構

依據溫室大棚環境控制目標及參數特點，以物聯網技術為支撐，設計溫室大棚智能控制系統，實現溫室大棚環境參數的全面感知、可靠傳輸與智能處理，達到溫室大棚自動化、智能化、網絡化和科學化生產的目標[1]。該系統由主控系統和節點相結合設計，系統可在兩種模式下運行，在沒有網絡的條件下，可以通過人工按鍵模式操作系統。如圖1所示，本設計基于互聯網技術大棚農業監測控制系統，主要實現對農作物的環境生長參數指標的監測，并通過管理機制，實時改善農作物的最佳生長環境方案。

系統基于物聯網體系架構，采用4層結構進行設計，分為感知層、控制層、網絡層、應用層4個部分。

圖1 系統架構圖Fig.1 System architecture diagram

1）感知層由各類傳感器和攝像頭組成，用于采集光照強度、土壤溫濕度、CO2濃度、空氣溫濕度以及大棚內的圖像。

2）控制層由水簾、風扇、補光燈、散熱器、滴灌管、放風設備、遮陽設備組成，滿足對智能溫室大棚的溫濕度、光照強度等生長條件進行調控的需求。

3）網絡層由Zigbee收發設備、路由器、工業平板電腦、云平臺等組成，通過Zigbee無線傳輸技術把傳感器數據每20s一次發送給接收器，然后通過工業平板電腦每20min一次把信息發送到云平臺上。攝像頭圖像通過路由器實時傳輸到云平臺。

4）應用層包括PC端平臺、手機APP和主控制平臺，主控制平臺可以直接對控制層的設備進行控制，PC端和手機APP發送指令通過云平臺傳輸給主控平臺，完成對控制層設備的控制。

1.2 ZigBee技術概述

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功率、低速率、低成本，可靠性高的雙向無線通信技術，主要用于各種電子設備之間的短距離、低功耗、低傳輸速率的數據傳輸和典型周期數據、間歇數據和響應時間的數據傳輸應用[2]。隨著ZigBee技術的不斷發展，其應用領域越來越廣泛，將其應用于智能溫室大棚進行信息傳輸成為必然趨勢[3]。由于其體積小、自動組網，架設十分方便，并且由于它強調了大量節點進行群組協作，網絡具有很強的自愈能力，任何節點的故障都不會對整個任務產生致命的影響，所以它特別適合用于構建無線傳感器網絡。

基于以上優勢，ZigBee節點連接傳感器、執行器，配置在相應的設備位置，安裝施工簡單，能滿足數據傳輸要求，網絡可抗性強，成本低。

1.3 傳感器節點設計

傳感器節點是無線傳感器網絡的基本功能單元，傳感器節點由傳感器單元、處理器單元、無線通信單元和電源管理單元組成。傳感器單元負責區域內的信息采集和數據轉換；處理器負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據和其他節點發來的數據；無線通信單元負責與其他傳感器節點進行通信，交換控制信息和收發采集上來的數據；電源模塊為傳感器節點提供運行所需的能量。傳感器節點總體設計如圖2所示。

1.4 智能溫室大棚的功能

1）種植環境數據監測

高精度、實時測量溫室大棚生產過程中溫室內空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度，土壤PH值等數據，通過無線傳感網絡，將數據實時顯示在控制箱和APP及PC端界面，使用戶可以隨時隨地觀察大棚內部環境。

圖2 傳感器節點設計框圖Fig.2 Sensor node design diagram

2）種植環境視頻監控

通過大棚內的高清攝像頭實時傳輸的畫面，用戶可以在APP上查看大棚內的視頻監控圖像，可通過APP對攝像頭進行不同方向的轉動和放大縮小畫面的操作。

3）自動分析預警

事先通過控制箱或APP為大棚內作物設置種植策略，當采集到的實時數據超過或低于報警值時，系統將自動報警，并自動開啟或關閉指定設備，以調節溫室內部環境。

4）遠程自動控制

用戶可以通過APP和PC端界面隨時隨地查看大棚內的生長數據和設備運行狀態，并可以遠程自動操控大棚內的控制層設備，實現自動滴灌、自動控溫、自動補光等功能，不用到現場也能達到種植要求。

5）數據分析和統計匯總

系統自動保存采集到的數據，用戶可在操作界面查看歷史數據折線圖，通過比較同一作物在不同種植環境中的生長情況，分析種植環境因素對作物生長和產量的影響，形成科學低成本種植，提高作物產量和品質。

6）專家數據庫

為用戶提供作物品種選擇診斷、生長狀況診斷、病蟲害診斷和專家知識查詢。方便用戶實時查詢作物種植技術，實時診斷各種作物狀況及各階段相應的控制方案，實時解決作物問題，提高作物產量。

2 智慧農業系統的軟件設計

軟件部分主要包括主控系統和節點兩部分程序設計。節點的程序是在KEIL4.0集成開發環境下設計和編譯，通過ST LINK系列燒錄軟件、USB轉TTL下載器將編譯好的程序燒錄到單片機的FLASH中，采用C語言進行編程設計。主控系統主要使用Android Studio進行編程設計。

圖3 主控系統軟件設計流程圖Fig.3 Master control system software design flowchart

主控系統主要負責接收節點數據并對其進行數據處理，將處理的數據通過串口連接安卓平板，接收數據，并通過安卓平板將數據傳輸到互聯網云端，最后通過管理機制控制風機等開關狀態來調節環境參數。主控系統上電后首先對MCU控制器初始化，然后創建ZigBee無線傳感網絡，接著接收器開始接收節點傳輸的數據并對數據進行處理，接收器通過串口連接安卓平板，接收數據，然后將數據上傳至互聯網云端，系統通過接收手機、電腦終端發出的控制指令，或者人工設置的種植策略來啟動管理機制。

主控系統的軟件設計流程圖如圖3所示。在具體的軟件設計過程中，節點主要通過傳感器采集環境數據，并將這些數據發送給主控系統。節點上電后，首先初始化MCU控制器，然后建立ZigBee無線傳感網絡，接著啟動傳感器模塊采集數據并通過無線傳感網絡將采集的數據發送給主控系統。

3 系統的界面設計

3.1 主機端

主界面左側為傳感器信息列表，如圖4所示。傳感器信息包括：上傳時間、數值、單位、所在分區、傳感器編號（十六進制）。右側為控制信息及報警信息列表，右側下部為控制器開關列表。“遠程控制”狀態下，主機端虛擬按鈕有效。“本地控制”狀態下，控制箱機械按鈕有效。控制箱上的“就地/遠程”旋鈕，可切換“遠程”和“本地”控制狀態。如圖4所示。

圖4 主機端界面Fig.4 Host-side interface

圖5 策略添加界面Fig.5 Policy add interface

可以設置控制層設備開關根據綁定的傳感器數值和時間范圍作出相應的動作，使控制更加精確、簡便。使用時，可通過查詢相關作物的最佳生長環境進行設置，生成種植策略，系統通過對比傳感器上傳的數據自動控制管理機制的開關，使作物隨時保持最佳生長環境，實現精細化自動控制，如圖5所示。

3.2 手機端APP

手機端功能與主機端功能相近，增加了歷史數據查詢和視頻監控功能。點擊相應的傳感器信息區域，可查看該傳感器歷史數據曲線，在監控界面，點擊視頻下方按鈕后，可通過滑動屏幕控制攝像頭的角度，或雙指捏合屏幕調整攝像頭的焦距。如圖6所示。

3.3 PC端

PC端界面可顯示傳感器信息，查看歷史數據，底部的區域是大棚控制按鈕，可控制該大棚的設備控制開關。如圖7所示。

4 結論

圖6 手機端APP界面Fig.6 Phone-side app interface

圖7 PC端界面Fig.7 PC-side interface

本文設計了一種基于物聯網和ZigBee無線傳感器網絡技術的智能溫室自動監控系統，該系統采用主控系統和節點相結合的方式進行系統設置，系統采用兩種工作模式運行，人工按鍵模式下操作系統可以降低使用者操作系統的門檻要求，在沒有網絡的條件下系統可以正常工作。本設計基于ZigBee等物聯技術主要實現對農作物的環境生長參數指標的監測，并通過管理機制實時改善農作物的最佳生長環境方案。與傳統的農業生產模式相比較，該系統的優點是系統操作簡單，使用范圍廣，對使用者的操作能力要求低，系統靈活性強，能有效地改善生長環境，提高農作物的產量，降低人力成本。