基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計*

潘金珠，王興元，肖云龍，趙國珍，徐 楠

(1.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.無錫中電科物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研發(fā)中心，江蘇 無錫 214131)

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計*

潘金珠1,2，王興元2，肖云龍2，趙國珍2，徐 楠2

(1.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.無錫中電科物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研發(fā)中心，江蘇 無錫 214131)

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的傳感器設(shè)備，檢測大棚的溫度、相對濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分、CO2體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)。通過Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)采集傳感器的數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)通過以STM32F103RBT6為核心設(shè)計的無線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測中心。監(jiān)測中心通過對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可對大棚環(huán)境進(jìn)行短信預(yù)警通知，同時在PC或手機(jī)終端可以實時查詢大棚狀態(tài)，并遠(yuǎn)程控制大棚的澆灌器、通風(fēng)天窗、外遮陽等設(shè)備，實現(xiàn)對大棚生態(tài)信息的自動監(jiān)測和對設(shè)施進(jìn)行自動控制的智能化管理。

物聯(lián)網(wǎng)；溫室大棚；Zig Bee；網(wǎng)關(guān)

0 引 言

在溫室大棚生產(chǎn)中，需要實時掌握和調(diào)節(jié)大棚的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照度、CO2體積分?jǐn)?shù)、土壤水分與有機(jī)含量等數(shù)據(jù)信息，才能保證農(nóng)作物有一個良好、適宜的生長環(huán)境。目前很多大棚使用了很多設(shè)備以確保農(nóng)作物健康快速生長，比如：天窗、外遮陽、通風(fēng)機(jī)、暖風(fēng)機(jī)，電磁閥等，但這些設(shè)備需要人工操作，給生產(chǎn)帶來很多不便。僅僅依靠人力對多個溫室大棚進(jìn)行監(jiān)測和管控，顯然是一種效率低、實時性差又耗費(fèi)人力資源的做法[1]。為實現(xiàn)對大棚的精確調(diào)控，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，需要建立起溫室大棚的智能監(jiān)控系統(tǒng)，對大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時的監(jiān)測，同時能夠?qū)Υ笈镌O(shè)備進(jìn)行自動化的管控。

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)，通過傳感器實時采集大棚的環(huán)境參數(shù)，通過無線通信方式傳輸大棚信息到遠(yuǎn)程監(jiān)測中心。用戶通過PC或手機(jī)終端可實時查詢大棚設(shè)備的狀態(tài)，并可以遠(yuǎn)程控制大棚設(shè)備，改善大棚種植環(huán)境，有效地改進(jìn)溫室大棚生產(chǎn)管理模式，提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器采集物品狀態(tài)數(shù)據(jù)，由通信網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒?wù)器，并對感知的數(shù)據(jù)實施智能分析與處理，從而實現(xiàn)對物品的反饋控制[2]。溫室大棚系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)遵循物聯(lián)網(wǎng)“感、傳、知、用”4層架構(gòu)[3]，溫室大棚架構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫室大棚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Greenhouse system architecture

通過各種智能傳感器等監(jiān)測設(shè)備對大棚內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行感知；對傳感器取得的大棚監(jiān)測數(shù)據(jù)由Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、3G通信網(wǎng)絡(luò)可靠地傳輸?shù)椒?wù)器端，使數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入上位機(jī)系統(tǒng)，并對大棚監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、計算分析和共享[4]；通過遠(yuǎn)程終端對大棚設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實現(xiàn)對大棚的監(jiān)測和智能控制。

1.2 系統(tǒng)通信原理

通信鏈路分為環(huán)境數(shù)據(jù)上行的感知數(shù)據(jù)鏈和命令數(shù)據(jù)下行的控制數(shù)據(jù)鏈。

在感知數(shù)據(jù)鏈中傳感節(jié)點通過Zig Bee協(xié)議將載有傳感器信息的數(shù)據(jù)包傳送到網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊再通過3G網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)模塊進(jìn)行套接字連接，轉(zhuǎn)發(fā)傳感信息給服務(wù)模塊，完成一次環(huán)境數(shù)據(jù)的上行傳輸。

在控制數(shù)據(jù)鏈中Web用戶通過http協(xié)議將操作命令發(fā)往中心服務(wù)模塊，服務(wù)模塊根據(jù)命令的特點進(jìn)行打包處理[5]，等待網(wǎng)關(guān)模塊的數(shù)據(jù)傳輸命令到達(dá)。每次數(shù)據(jù)傳輸完成之后，服務(wù)模塊如果有命令要下發(fā)，就會發(fā)起控制模式，將已經(jīng)準(zhǔn)備好的命令下發(fā)到網(wǎng)關(guān)模塊，完成了一次控制命令下行傳輸。

系統(tǒng)中的服務(wù)模塊和硬件模塊的通信方式采用的是基于TCP/IP協(xié)議的Socket三次握手模式。由于項目處于初期，用戶量較少，系統(tǒng)暫時采用實時性好的長鏈接方式。待到用戶增加到一定數(shù)量(>100)再轉(zhuǎn)為輕量級的短連接，或換為其他通信協(xié)議。

2 硬件的組成和原理

硬件設(shè)備包括網(wǎng)關(guān)、傳感器節(jié)點、控制節(jié)點、傳感器和控制箱，硬件設(shè)備組成框圖如圖2所示。

圖2 硬件組成框圖Fig 2 Block diagram of hardware composition

2.1 節(jié)點組成

硬件設(shè)備各部分的組成基于局域網(wǎng)Zig Bee的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，Zig Bee網(wǎng)絡(luò)中有三種節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點。它們以協(xié)調(diào)器為中心形成星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，路由節(jié)點充當(dāng)中繼和終端節(jié)點的雙重功能，終端節(jié)點處于網(wǎng)絡(luò)的末端[6]。節(jié)點根據(jù)功能可分為兩大類型：傳感節(jié)點和控制節(jié)點，傳感節(jié)點傳輸傳感器采集的數(shù)據(jù)，控制節(jié)點接收中心服務(wù)模塊的控制命令控制大棚設(shè)備，傳感節(jié)點和控制節(jié)點框圖如圖3所示。

圖3 傳感節(jié)點和控制節(jié)點框圖Fig 3 Block diagram of sensing node and control node

傳感節(jié)點有溫濕度傳感節(jié)點、CO2傳感節(jié)點、土壤墑情傳感節(jié)點、光照傳感節(jié)點和水流傳感節(jié)點對大棚的環(huán)境進(jìn)行多項監(jiān)測。節(jié)點的MCU采用60k FLASH的STC12C5A60S2，對傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理傳送給Zig Bee模塊，或接收Zig Bee模塊的控制信號對大棚設(shè)備進(jìn)行控制；無線收發(fā)模塊采用高度整合了Zig Bee射頻前端、內(nèi)存和微控制器的CC2430模塊，用于完成數(shù)據(jù)的無線收發(fā)功能；電源采用開關(guān)電壓調(diào)節(jié)芯片LM2596輸出5 V電壓給單片機(jī)、傳感器和設(shè)備控制器供電，5 V電壓輸入到AMS1117-3.3提供3.3 V的電壓給CC2430供電 。

控制節(jié)點接收網(wǎng)關(guān)傳送過來的開關(guān)指令，控制節(jié)點上的相應(yīng)繼電器通斷來間接地控制外接電器設(shè)備。繼電器上的外接設(shè)備可以接澆灌器、通風(fēng)天窗、外遮陽等，由于通風(fēng)天窗和外遮陽屬于三相電機(jī)設(shè)備，有開、關(guān)、停三種狀態(tài)，因此，需要至少2個繼電器控制設(shè)備，而澆灌器的通斷只需要1個繼電器就可以控制。

由于Zig Bee自組網(wǎng)的組網(wǎng)方式，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成不是唯一的。通過在服務(wù)器端預(yù)先配置好網(wǎng)絡(luò)的幾個唯一固定屬性，包括網(wǎng)關(guān)和節(jié)點的長地址，以及節(jié)點類型。這樣通過每次上電掃描網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的長地址，把節(jié)點的長地址和網(wǎng)關(guān)地址一起傳輸?shù)椒?wù)器，就可以獲取該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點組成。同時網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器按照上報地址順序建立一個數(shù)據(jù)表格，網(wǎng)關(guān)將各個節(jié)點的數(shù)據(jù)按照地址順序進(jìn)行打包發(fā)送，服務(wù)器按照固定順序解析來獲得某個節(jié)點的數(shù)據(jù)。當(dāng)Zig Bee自組網(wǎng)失敗的時候，服務(wù)器也可以根據(jù)它的長地址精確地定位未成功組網(wǎng)的節(jié)點。

2.2 網(wǎng)關(guān)組成

網(wǎng)關(guān)需要快速的處理能力和穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，因此，網(wǎng)關(guān)MCU采用高性能Cortex-M3內(nèi)核、128 k FLASH、20 kRAM、最高72 MHz工作頻率和有豐富外設(shè)的STM32F103RBT6，用CC2430模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，GPRS無線通信模塊采用內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議的SIM900A無線通信模塊。由于網(wǎng)關(guān)供電采用12 V直流電壓，最大耗電流在2A左右，因此，采用最大支持輸入電壓60 V、輸出電壓4.1 V 、輸出電流最大支持3A的線性穩(wěn)壓芯片MIC29302為一級電源，輸出的4.1 V電壓輸入到穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3提供3.3 V的電壓，網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)硬件框圖Fig 4 Block diagram of gateway hardware

網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)收集各個傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將其打包處理，發(fā)送給指定的服務(wù)平臺。同時解析來自服務(wù)平臺的指令，傳輸?shù)綄?yīng)的控制節(jié)點控制相應(yīng)的大棚設(shè)備。網(wǎng)關(guān)上電后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化后對節(jié)點進(jìn)行掃描建立最優(yōu)信道網(wǎng)絡(luò)，在GPRS網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)良好的情況下，根據(jù)模式進(jìn)行不同的工作。在數(shù)據(jù)傳輸模式下，采集傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)平臺；在控制模式下，把上位機(jī)的控制指令發(fā)送相應(yīng)的控制節(jié)點對設(shè)備進(jìn)行控制，程序流程圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)程序流程圖Fig 5 Program flow chart of gateway

2.3 控制箱的設(shè)計

控制箱可以通過在上位機(jī)或手機(jī)終端執(zhí)行操作，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)給網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制命令，控制箱收到命令后操作相關(guān)的繼電器控制大棚設(shè)備，也可以根據(jù)需求切換到手動控制方式對大棚設(shè)備進(jìn)行控制。

控制箱主要由電源、風(fēng)扇、斷路器、控制板組、交流接觸器、雙刀雙擲繼電器模組、旋鈕開關(guān)、指示燈等模塊組成，其中旋鈕開關(guān)、指示燈固定在控制箱門上，其余的安裝在控制箱內(nèi)?？紤]到各個溫室大棚的規(guī)模相差較大，控制箱可以根據(jù)實際應(yīng)用需要，增加或減少繼電器、接觸器和接線的數(shù)量，便于裁剪，同時可以達(dá)到節(jié)約成本的目的。

3 系統(tǒng)軟件

大棚系統(tǒng)軟件由四大模塊組成，分別是大棚管理、預(yù)約管理、歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)置。

在大棚管理的環(huán)境參數(shù)中可查看大棚環(huán)境詳細(xì)信息，包括傳感器實時數(shù)據(jù)、大棚控制器實時狀態(tài)、澆灌組實時狀態(tài)。同時可以對控制器、澆灌器組進(jìn)行操作，比如：打開、關(guān)閉、預(yù)約、自控設(shè)置等，傳感器實時數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 傳感器實時數(shù)據(jù)Fig 6 Real-time datas of sensor

預(yù)約管理中，用戶可以預(yù)定在未來某個時間啟動控制器，并指定執(zhí)行命令，使得用戶可以方便地掌控控制器的動作；實時數(shù)據(jù)曲線可以直觀地反映歷史數(shù)據(jù)的變化，方便用戶根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整作物種植；系統(tǒng)設(shè)置能夠使用戶方便地對大棚進(jìn)行管理，包括各種參數(shù)的配置、報警設(shè)置和澆灌器組維護(hù)。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)對溫室大棚內(nèi)的詳細(xì)信息，包括大棚名稱、種植作物、環(huán)境參數(shù)和當(dāng)前大棚內(nèi)控制器狀態(tài)，進(jìn)行有效的監(jiān)測和管控。通過大面積采集的大量信息，用戶能夠掌控大棚的實時狀況并做出準(zhǔn)確的決策，對溫室大棚澆灌器、通風(fēng)天窗和外遮陽等設(shè)備的精準(zhǔn)調(diào)控，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更大大經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化。

[1] 杜尚豐,李迎霞,馬承偉,等.中國溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(1):7-12.

[2] 孫其博,劉 杰, 黎 羴,等.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報,2010,33(3):1-9.

[3] 高順尉,楊冬菊,何可文.北京市物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究[J].電信科學(xué),2012(12):10-17.

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[5] 孫忠富,曹洪太,李洪亮,等.基于GPRS和WEB的溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22(6):131-134.

[6] 武永勝,王 偉,沈昱明.基于Zig Bee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2009,32(11):121-124.

Design of greenhouse system based on Internet of things*

PAN Jin-zhu1,2, WANG Xing-yuan2, XIAO Yun-long2, ZHAO Guo-zhen2, XU Nan2

(1.School of Internet of Things, Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Internet of Things Innovative R&D Center,China Electronics Technology Group Corporation,Wuxi 214131,China)

The greenhouse system is based on Internet of things with sensor devices to detect temperature,relative humidity,light intensity,soil moisture,volume fraction of CO2and other parameters.Datas collected by Zig Bee wireless sensor networks(WSNs) and then transmitted to remote monitoring center through wireless gateway which is based on STM32F103RBT6.Message warning can be carried out in greenhouse environment by analysis of

parameters,and PC or mobile phone terminal can get real-time state information of greenhouse and remote control irrigation device,natural ventilation,shading and other equipments of greenhouse realize intelligent management include automatic monitoring and automatic control.

Internet of things; greenhouse; Zig Bee; gateway

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0051—03

2014—07—08

無錫市科技計劃資助項目(CYES1004)

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0051—03

潘金珠(1988- )，男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。