基于物聯(lián)網(wǎng)的櫻桃大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

楊軼霞

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741025）

1 前言

被譽(yù)為“果中珍品”的櫻桃，不僅味道鮮美，營(yíng)養(yǎng)豐富，而且經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，是天水地區(qū)農(nóng)民發(fā)家致富的重要經(jīng)濟(jì)作物。近年來，隨著櫻桃市場(chǎng)行情的迅速發(fā)展，櫻桃種植范圍持續(xù)擴(kuò)大，但櫻桃生長(zhǎng)喜溫暖，不耐旱，對(duì)溫度、濕度和光強(qiáng)等環(huán)境因子具有嚴(yán)格要求，露地種植方式無法調(diào)控種植環(huán)境相關(guān)因素，極易受環(huán)境因素干擾造成減產(chǎn)甚至絕收等嚴(yán)重后果。

采用溫室大棚可以減小外界天氣對(duì)櫻桃成長(zhǎng)的影響，提升防御自然災(zāi)害的能力，避免晚霜凍、花季降雨等影響。傳統(tǒng)的溫室大棚通過人工判斷溫室大棚內(nèi)的環(huán)境，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、管理成本高，而且調(diào)控的及時(shí)性差，難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)控制。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)管理效率低、智能化程度不高，由于大棚櫻桃栽培技術(shù)要求較高，生產(chǎn)技術(shù)環(huán)節(jié)上操作嚴(yán)格，要達(dá)到早產(chǎn)、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)，必須實(shí)現(xiàn)大棚生產(chǎn)環(huán)境與櫻桃不同階段需求高度匹配，因此開展服務(wù)設(shè)施櫻桃栽培成套環(huán)境監(jiān)測(cè)研究，對(duì)于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、滿足人們不同時(shí)令的櫻桃消費(fèi)需求具有重要的意義。

本文研究基于物聯(lián)網(wǎng)的櫻桃大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與溫室大棚種植相結(jié)合，搭建了基于感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3層架構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)，通過以ZigBee技術(shù)為核心的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)櫻桃生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)采集與傳輸，通過無線組網(wǎng)的傳輸技術(shù)將櫻桃生長(zhǎng)信息傳送到服務(wù)器及電腦客戶端、手機(jī)APP等可視化平臺(tái)，使農(nóng)戶不用深入大棚就能實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室大棚櫻桃生長(zhǎng)環(huán)境狀況，并遠(yuǎn)程控制終端設(shè)備的工作狀態(tài)，有效提高棚內(nèi)櫻桃的產(chǎn)量和品質(zhì)。

2 智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)上，利用射頻識(shí)別和無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時(shí)共享的網(wǎng)絡(luò)。而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將農(nóng)作物、生長(zhǎng)環(huán)境、農(nóng)戶有效串聯(lián)起來，使用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的儀器設(shè)備監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的影響參數(shù)，采用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)探索農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境條件，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益。物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)層，負(fù)責(zé)采集物理信息，通過各種感知層設(shè)備來采集或識(shí)別物體和周圍環(huán)境的參數(shù)信息，并經(jīng)傳輸層將生成的數(shù)字信號(hào)量傳輸至應(yīng)用層，供用戶使用。網(wǎng)絡(luò)傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的傳輸，將感知層采集和識(shí)別的信息傳輸至應(yīng)用層，也可以反向傳輸應(yīng)用層下達(dá)的指令進(jìn)而對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。應(yīng)用層負(fù)責(zé)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)用戶的需求實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用功能。

通過對(duì)智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)功能要求的分析，將物聯(lián)網(wǎng)思想應(yīng)用于智能大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，搭建出智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖

感知層：主要由數(shù)據(jù)采集模塊、主控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，主要負(fù)責(zé)大棚內(nèi)環(huán)境信息采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，櫻桃生長(zhǎng)環(huán)境因素主要有空氣濕度和溫度、光照強(qiáng)度和土壤濕度等，各種傳感器與主控制器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括大棚內(nèi)安裝的加熱加濕器、補(bǔ)光燈、排風(fēng)扇、遮陽(yáng)棚和水泵等。通過控制排風(fēng)扇、補(bǔ)光燈、加濕器、遮陽(yáng)棚和頂棚等設(shè)備，保證櫻桃有一個(gè)良好的、適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。

網(wǎng)絡(luò)層：是連接感知層和應(yīng)用層的紐帶，將采集的環(huán)境參數(shù)上傳至云服務(wù)器，由云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理與存儲(chǔ)。由WiFi無線傳輸模塊和云端服務(wù)器組成，主要完成設(shè)備與服務(wù)器之間的通信。采集數(shù)據(jù)通過WiFi實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)端云服務(wù)器，用戶可以隨時(shí)獲取溫室大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主控制器和WiFi模塊通過串口相連。WiFi模塊通過廣域網(wǎng)連接云端服務(wù)器，與服務(wù)器以及主控制器進(jìn)行信息交互，屬于網(wǎng)關(guān)。

智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取和遠(yuǎn)程監(jiān)控選用云端服務(wù)器做后盾，在眾多的阿里云、百度云、T-Link云、機(jī)智云等云服務(wù)器中，從切合度及經(jīng)濟(jì)價(jià)值考慮，本系統(tǒng)選用致力于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的機(jī)智云服務(wù)器。WiFi模塊作為搭建機(jī)智云的媒介，通過廣域網(wǎng)與主控制器連接。機(jī)智云平臺(tái)通過廣域網(wǎng)下達(dá)對(duì)終端設(shè)備的控制指令。

應(yīng)用層：主要由手機(jī)客戶端和電腦客戶端組成，通過智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)APP，實(shí)現(xiàn)用戶管理員人機(jī)交互的途徑。主要負(fù)責(zé)大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，通過對(duì)智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

3 智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)框架，運(yùn)用Zig Bee無線組網(wǎng)技術(shù)，通過布置在大棚現(xiàn)場(chǎng)的終端傳感器對(duì)空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息進(jìn)行采集檢測(cè)。選用以Zig Bee為核心的無線傳感網(wǎng)絡(luò)把采集結(jié)果發(fā)送給大棚種植戶。種植戶通過電腦客戶端、手機(jī)APP即可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查詢櫻桃大棚內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)狀況，及時(shí)調(diào)整做到精準(zhǔn)控制管理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要由無線傳感網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件部分主要由空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境傳感器、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器3部分組成，主要負(fù)責(zé)溫室大棚監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)采集和本地傳輸。

網(wǎng)關(guān)硬件部分主要由 STM32主控制器和 ESP8266模塊組成，主要負(fù)責(zé)接收和處理Zig Bee協(xié)調(diào)器傳來的數(shù)據(jù)，并將處理后的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，同時(shí)當(dāng)大棚內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)異常時(shí)，通過網(wǎng)關(guān)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，及時(shí)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部的環(huán)境數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關(guān)是設(shè)備與服務(wù)器連接的橋梁，主要負(fù)責(zé)處理和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)接收監(jiān)控平臺(tái)傳遞過來的控制指令，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)，用以調(diào)節(jié)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)吞吐量大，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)選用STM32F103微處理器作為網(wǎng)關(guān)主控制器，智能網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)較大，本系統(tǒng)WiFi模塊采用正點(diǎn)原子ESP8266模塊，該模塊支持LVTT串口，工作電壓為3.3～5V，具有體積小、價(jià)格低、具備UART通用接口等優(yōu)點(diǎn)。與STM32主控制器之間采用串口通訊。然后，利用ESP8266WIFI無線傳輸模塊進(jìn)行網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)通信，當(dāng)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)異常時(shí)，需要利用微處理器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

執(zhí)行結(jié)構(gòu)由繼電器模塊和被控設(shè)備組成，主要功能是通過微處理器控制繼電器開關(guān)，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟和關(guān)閉，從而調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以無線通信技術(shù)為核心，以自組織模式構(gòu)建而成的網(wǎng)絡(luò)形式。通過在無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上加裝采集各種物理信息的傳感器，完成現(xiàn)場(chǎng)各環(huán)境參數(shù)信息采集工作。傳感器采集到的數(shù)據(jù)匯集到終端節(jié)點(diǎn)，借助互聯(lián)網(wǎng)以及衛(wèi)星等通訊方式進(jìn)行發(fā)送，供管理者監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。因此，智能大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要包括環(huán)境傳感器的選用和無線通信技術(shù)的選擇。

3.2 無線通信技術(shù)的選擇

溫室大棚在種植和管理過程中需要經(jīng)常澆水、施肥、噴藥，環(huán)境比較復(fù)雜，不方便布線，加上布線成本高。所以，系統(tǒng)采用無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。比較常用的無線通信技術(shù)主要有ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等。ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4的一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee相比藍(lán)牙和WiFi，功耗更低、工作頻段靈活，組網(wǎng)成本低。組網(wǎng)能力強(qiáng)，ZigBee大量的節(jié)點(diǎn)數(shù)更能滿足農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的各種需求。本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)作為底層網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕行切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3種。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有專門的路由節(jié)點(diǎn)，由一個(gè)協(xié)調(diào)器以及與協(xié)調(diào)器連接的終端組成。終端節(jié)點(diǎn)之間的通信必須通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的中轉(zhuǎn)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)與范圍內(nèi)所有的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)給處理設(shè)備；樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆梢粋€(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、至少一個(gè)路由器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)三部分組成，各層節(jié)點(diǎn)都配備有路由節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器與路由器直接相連，終端節(jié)點(diǎn)與路由器直接相連，每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理自己的終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、一系列路由器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和樹形結(jié)構(gòu)相似，但網(wǎng)狀的信息路由規(guī)則比較靈活，多終端節(jié)點(diǎn)可以與多路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行混合通信，最大優(yōu)勢(shì)在于路由節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)直接通訊。其特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件成本較高。

本設(shè)計(jì)出于對(duì)系統(tǒng)可靠性、功耗等方面的考慮，選擇較簡(jiǎn)單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.3 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)搭載各傳感器設(shè)備，主要包括空氣溫濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度傳感器，利用ZigBee無線傳感技術(shù)，將布置于智能大棚中的各傳感器采集的空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等物理參數(shù)匯聚到ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，即傳感器與ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)直接相連接,分別采集溫室內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后，通過ZigBee終端控制器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)讀取，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及處理，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將處理的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器接收ZigBee終端發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)并通過串口將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。WiFi通過協(xié)議通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、以及可視化等操作。

本系統(tǒng)ZigBee終端選用TI公司的CC2530主控芯片，支持IEEE802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機(jī)，CC2530芯片搭載增強(qiáng)型8051內(nèi)核，具有很強(qiáng)的兼容性，可以兼容UART和A/D等外設(shè)，具有穩(wěn)定、安全的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，此外，CC2530有多個(gè)信道可供選擇，支持ZigBee 2007/PRO協(xié)議棧，使得運(yùn)用CC2530設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)通信距離更遠(yuǎn)，組網(wǎng)性能更穩(wěn)定可靠，適合應(yīng)用于本系統(tǒng)。

3.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)器件選型

（1）溫濕度傳感器。大棚內(nèi)空氣溫濕度的數(shù)據(jù)采集選用溫濕度復(fù)合傳感器DHT11，該傳感器內(nèi)部包含1個(gè)電阻式測(cè)濕元件和1個(gè)NTC測(cè)溫元件構(gòu)成，并與1個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)會(huì)保存在OTP內(nèi)，方便數(shù)據(jù)校準(zhǔn)時(shí)隨時(shí)調(diào)用查看。而且DHT11傳感器體積小且功耗低，非常適用于對(duì)溫室大棚環(huán)境的監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)中，每個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)DHT11溫濕度傳感器，采集的溫濕度數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。

（2）光敏傳感器。光敏電阻器是一種利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的電阻，其電阻值隨入射光強(qiáng)度的改變而改變，又稱光電導(dǎo)探測(cè)器。當(dāng)入射光強(qiáng)時(shí)，電阻減少，而當(dāng)入射光弱時(shí)，電阻增大。櫻桃生長(zhǎng)階段光照是進(jìn)行光合作用的必要條件，所以，使用光照強(qiáng)度傳感器來檢測(cè)櫻桃生長(zhǎng)環(huán)境中的光照強(qiáng)度，具體型號(hào)選用GM5516光敏傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)光照強(qiáng)度變化感應(yīng)敏捷，而且價(jià)格低廉，適合在大棚內(nèi)進(jìn)行大范圍布置，保證光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)信息 采集精確。

（3）土壤濕度傳感器。本系統(tǒng)選用精訊暢通的JXBS-3001-TR型土壤水分濕度傳感器，該傳感器采用了FDR測(cè)量方式，利用頻域反射電磁脈沖技術(shù)測(cè)量土壤濕度，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、響應(yīng)快，受土壤含鹽量影響較小，使用壽命長(zhǎng)。

4 結(jié)語

以無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的溫室大棚櫻桃環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用Zig Bee無線自組織網(wǎng)絡(luò)采集、傳輸傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從智能大棚環(huán)境中采集實(shí)時(shí)的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等數(shù)值，采用多個(gè)Zig Bee終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)Zig Bee協(xié)調(diào)器搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，組建環(huán)境參數(shù)信息采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)采集櫻桃生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，為保證櫻桃的優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)制定了有效的方案，對(duì)農(nóng)作物的科學(xué)化管理具有重要意義。