基于WIFI的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計

楊 飛,謝 濤,伍 英,蘇維均

(北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048)

基于WIFI的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計

楊 飛,謝 濤,伍 英,蘇維均

(北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048)

針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測中存在的問題，設計了基于WIFI技術的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；該系統(tǒng)由監(jiān)控中心、WIFI基站、環(huán)境采集節(jié)點與視頻監(jiān)控構成；環(huán)境采集節(jié)點以STM32F作為主控器，采集溫室大棚內(nèi)光照度、環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度等信息；視頻監(jiān)控采用有線與無線結合的方式；所得環(huán)境數(shù)據(jù)通過WIFI無線網(wǎng)絡及光纖傳回監(jiān)控中心。設計了基于B/S架構的上位軟件和基于C/S架構的移動終端環(huán)境監(jiān)測軟件來實現(xiàn)環(huán)境的監(jiān)測與控制的下達；現(xiàn)場應用結果表明，所設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡結構簡單、可靠性強、性能穩(wěn)定。

溫室大棚；環(huán)境監(jiān)測；WIFI；STM32F；B/S；C/S

0 引言

農(nóng)業(yè)溫室大棚的出現(xiàn)是為了使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不受環(huán)境、氣候、區(qū)域等因素的限制。為了給農(nóng)作物的生長創(chuàng)造合適的生長環(huán)境，其各項環(huán)境指標必須嚴格控制在一定的范圍內(nèi)。因此，生產(chǎn)人員需要時刻關注各項檢測指標是否正常，傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場監(jiān)測已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求，并引發(fā)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的變革。智能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的基礎上融合了物聯(lián)網(wǎng)技術、信息技術、自動化技術等，利用部署在大棚內(nèi)的各類傳感器節(jié)點采集土壤水分、溫度、濕度、光照、CO2等環(huán)境信息，實現(xiàn)無線采集、無線傳輸、視頻監(jiān)控、異地監(jiān)控等功能，不僅解放了勞動力，降低了生產(chǎn)成本，而且還能調節(jié)農(nóng)作物產(chǎn)期，提高了生產(chǎn)率[1-2]。

許多發(fā)達國家在農(nóng)業(yè)領域的智能監(jiān)測基本已經(jīng)實現(xiàn)全覆蓋。以美國為例，智能化農(nóng)業(yè)已經(jīng)占據(jù)主導地位，美國大農(nóng)場的物聯(lián)網(wǎng)設備的使用數(shù)量更是十分龐大，采用率高達80%。以日本為例，由于人口和耕地面積的限制，日本溫室大棚內(nèi)智能監(jiān)測系統(tǒng)使用率和普及率更高，為了克服耕地面積少的缺點，日本的農(nóng)作物前期培養(yǎng)通常是采用培養(yǎng)液代替土壤，因此，農(nóng)作物的生長過程必須嚴格把控，各項參數(shù)必須穩(wěn)定控制在一定范圍內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)的結合有效的解決了這一難題[3-4]。目前，我國還處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智能農(nóng)業(yè)的過渡階段，提出高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)解決方案，有利于改善我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術落后的現(xiàn)狀。本文針對傳統(tǒng)溫室大棚生產(chǎn)過程中存在的問題，設計了基于WIFI技術的農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

農(nóng)業(yè)園區(qū)溫室大棚有著面積大，棚數(shù)多，環(huán)境信息統(tǒng)計繁瑣的問題。采用基于無線通訊的智能監(jiān)測系統(tǒng)可有效改善這一現(xiàn)狀。紅外技術、藍牙技術的傳輸速率都較高，但傳輸距離十分有限；ZigBee網(wǎng)絡為自組網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸通過多跳路由節(jié)點來實現(xiàn)，不僅廉價而且功耗低，因此，目前絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)都采用ZigBee技術，但是當存在較多節(jié)點且傳輸數(shù)據(jù)量較大時，如存在多路視頻數(shù)據(jù)，ZigBee節(jié)點會出現(xiàn)組網(wǎng)復雜，傳輸速率慢且十分不穩(wěn)定等問題。WIFI具有傳輸速度快，覆蓋范圍廣，可實現(xiàn)以太網(wǎng)無縫連接等優(yōu)勢，并且WIFI在農(nóng)業(yè)園區(qū)的覆蓋，可直接使移動終端接入系統(tǒng)，更適應了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求[5-7]。

針對一個擁有85個農(nóng)業(yè)大棚的通州某農(nóng)業(yè)園區(qū)，僅需10個WIFI基站即可實現(xiàn)園區(qū)無死角的WIFI全覆蓋。由于農(nóng)業(yè)園區(qū)地勢環(huán)境復雜，對于視頻的采集，選取了有線與無線相結合的方式，難以走線的溫室大棚，采用無線攝像頭，通過與WIFI基站建立連接，高清視頻同樣可以高速傳輸至監(jiān)控中心，實現(xiàn)園區(qū)全方位視頻監(jiān)控，這一點是ZigBee等其他無線通訊技術難以做到的。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

圖1中的環(huán)境采集節(jié)點主要由環(huán)境傳感器、控制器和WIFI模塊所組成，其中環(huán)境傳感器包括：空間光照度傳感器、空間溫濕度傳感器與土壤溫濕度傳感器?？刂破魍ㄟ^IIC協(xié)議與485協(xié)議等實現(xiàn)對數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)采集，并通過UART口將數(shù)據(jù)轉送給WIFI模塊。WIFI模塊、無線攝像頭、移動終端等與WIFI基站建立連接，并由基站通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心的服務器，遠程PC和移動終端可實時監(jiān)測溫室大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計主要包括無線網(wǎng)絡覆蓋及接入設計和環(huán)境采集節(jié)點設計。硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

2.1 無線網(wǎng)絡覆蓋及接入設計

WIFI技術是近年出現(xiàn)的基于以太網(wǎng)的無線局域網(wǎng)技術，WIFI網(wǎng)絡傳輸速率快，傳播距離遠，最大可以達到300米左右，在移動狀態(tài)下，WIFI網(wǎng)絡也能保持很好的傳輸特性，且十分易于系統(tǒng)后期擴展。因此針對通州某農(nóng)業(yè)大棚園區(qū)，采用多個由北京億波普天公司生產(chǎn)的2401型智能WIFI基站進行無線網(wǎng)絡覆蓋。智能WIFI基站配備了高功率天線，可以有效覆蓋方圓200米內(nèi)的范圍,之內(nèi)的環(huán)境采集節(jié)點、PC及移動終端可與其連接。同時基站具有Ping Watchdog功能，即通過設置一定時間內(nèi)Ping 1至2個IP地址的方式來檢測當前連接狀態(tài)，當遠程IP地址均Ping失敗的時候，基站會執(zhí)行失敗動作，失敗動作可配置為重啟基站或重新建立WIFI連接，這一機制，有效保證了智能基站長期穩(wěn)定工作。

環(huán)境采集節(jié)點通過WIFI模塊接入基站網(wǎng)絡。WIFI模塊是超低功耗嵌入式UART轉WIFI模塊USR-C322。該模塊采用的控制器是德州儀器生產(chǎn)的CC3200芯片，內(nèi)核為ARM Cortex-M4，超低功耗，80 MHz的運行頻率，內(nèi)帶硬件看門狗，穩(wěn)定性高抗干擾能力強。嵌入式控制器STM32F僅需通過UART口與WIFI模塊連接即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。環(huán)境數(shù)據(jù)往往不需要一直上傳，為了進一步減小功耗，可以開啟USR-C322的低功耗模式，即當USR-C322的串口在一定時間內(nèi)沒有收到數(shù)據(jù)時，則會進入DeepSleep模式，在此模式下，工作頻率會下降為40MHz，功耗減至5mA，當需要上傳數(shù)據(jù)時，可以通過串口數(shù)據(jù)包或網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進行喚醒。WIFI模塊支持IEEE802.b/g/n標準，采用外置2.4 G天線來增加信號強度，接口為IPEX接口。

無線WIFI模塊有兩種工作模式：STA模式和AP模式，STA為無線站點，是一個無線網(wǎng)絡的終端，AP為無線接入點，是一個無線網(wǎng)絡的中心節(jié)點。本系統(tǒng)WIFI模塊工作于STA模式，基站處于中心位置。USR-C322 WIFI模塊集成了多種通信模式：TCP/UDP透傳模式、Httpd Client模式、SSL Client模式以及Web Socket模式，本文采用的是TCP/UDPClient透傳模式，WIFI串口接收數(shù)據(jù)后，模塊對數(shù)據(jù)進行PC1加密，上傳至服務器，同時服務器也可下發(fā)送命令給模塊。通過自定義注冊包信息，實現(xiàn)服務器對數(shù)據(jù)來源的區(qū)分，在本文應用中，自定義注冊包信息為節(jié)點位置信息。

2.2 環(huán)境采集節(jié)點設計

環(huán)境采集節(jié)點由數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及穩(wěn)壓電源模塊組成。如圖3所示。

圖3 環(huán)境采集節(jié)點結構圖

數(shù)據(jù)處理模塊采用STM32F來實現(xiàn)，STM32F是ARM公司采用Cortex-M3內(nèi)核生產(chǎn)的增強型處理器，具有外圍接口廣，功耗低，串口資源豐富，抗干擾能力強及價格低廉的優(yōu)勢[8]。STM32F工作頻率可達72MHz，MHZ下的功耗僅為uA級別,有效保證了數(shù)據(jù)采集及處理的時效性，并采用SP706設計了硬件看門狗電路，結構如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊結構圖

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于感知溫室大棚內(nèi)的環(huán)境信息，包括空間光照度傳感器、空間溫濕度傳感器及土壤溫濕度傳感器。滿足精度的前提下，盡量選擇低功耗的復合型傳感器。1)光照度傳感器采用了B-LUX-V30B環(huán)境光傳感器，與STM32F通過IIC協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，具有32位光照值寄存器和112字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲單元，滿負荷工作時功耗僅為0.7 mA，外部設計有濾光器，以防止紫外線和紅外線對光強的檢測的影響，從0.054流明至200000流明，片內(nèi)自動量程調整機制能夠自動進行增益調整，其性能十分適用于農(nóng)業(yè)大棚。2)溫濕度測量采用了Sensirion溫濕度傳感器中的SHT11系列，與STM32F通過IIC協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，傳感器封裝尺寸小，內(nèi)部通過調用存儲在OTP內(nèi)存的校準系數(shù)對檢測信號進行精確校準，因此，可同時實現(xiàn)對溫室與濕度的高精度測量。3)土壤溫室度檢測采用SWR-100W土壤溫濕度傳感器，與STM32F通過485協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，傳感器通過測量土壤的介電常數(shù)來測量土壤的濕度，通過內(nèi)嵌德國Heraeus公司A級ST-1-PT1000鉑電阻來測量土壤的溫度。是目前國內(nèi)外較為先進的土壤環(huán)境檢測方法。各傳感器指標如表1所示。

表1 傳感器指標

穩(wěn)壓電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能量。通過在每個溫室的配電箱內(nèi)安裝一個明緯DR-30-24電源轉換模塊將220V的交流電壓轉換為24V的直流電壓再輸入到節(jié)點，通過德州儀器生產(chǎn)的LM2596產(chǎn)生5V直流電壓，5V電源與LM1117-3.3V的輸入端相連，產(chǎn)生3.3V直流電壓。

3 系統(tǒng)軟件設計

基于WIFI技術的農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其軟件設計包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設計、監(jiān)控中心軟件設計及移動終端軟件設計，并進行了長期穩(wěn)定性系統(tǒng)測試。

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟件運行于控制器STM32F中，主要實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的發(fā)送。其流程如圖5所示。

圖5 環(huán)境采集節(jié)點流程圖

如圖所示，系統(tǒng)上電后，首先進行軟硬件環(huán)境初始化，讀取節(jié)點位置信息編號后進入循環(huán)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，時間節(jié)奏由STM32F的中斷來控制，一次觸發(fā)中斷進行一次數(shù)據(jù)采集，當采集60次數(shù)據(jù)后，進行環(huán)境數(shù)據(jù)的滑動平均濾波處理。為了防止數(shù)據(jù)發(fā)送過程中出錯，傳輸過程中引入了循環(huán)冗余校驗，即CRC校驗。它利用多項式運算來作錯誤偵測。發(fā)送前計算出CRC值并附在數(shù)據(jù)末端隨數(shù)據(jù)一同發(fā)送給接收端，接收端對收到的數(shù)據(jù)重新進行多項式運算得到CRC的值并與數(shù)據(jù)末端收到的CRC值相比較，若兩個CRC值不同，則說明數(shù)據(jù)通訊出現(xiàn)錯誤，其特點是信息字段和校驗字段的長度可以自由選定。

3.2 監(jiān)控中心軟件設計

基于B/S架構的智能農(nóng)業(yè)大棚園區(qū)的監(jiān)控中心軟件運行于監(jiān)控中心的服務器，采用C#語言進行web應用程序開發(fā)。監(jiān)測系統(tǒng)劃分為四大功能模塊，分別是實時數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊、設備安全預警模塊及系統(tǒng)管理模塊。

1)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測：查詢各測點的溫度、濕度、光照、土壤溫濕度等信息，并通過數(shù)字和曲線圖的方式展現(xiàn)。

2)歷史數(shù)據(jù)查詢：查看不同測點在某時間段內(nèi)所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)與統(tǒng)計信息，支持excel表格導出，方便園區(qū)工作人員管理。

3)設備安全報警：系統(tǒng)分別針對不同環(huán)境因子設置相應的警戒線數(shù)值，一旦測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)超過警戒線，將生成報警記錄。

4)系統(tǒng)管理：主要對系統(tǒng)進行配置和管理，其中包括用戶權限管理、數(shù)據(jù)信息維護管理(警戒線設置與節(jié)點初值設置)等。系統(tǒng)WEB端首頁局部效果展示如圖6所示。

圖6 WEB首頁局部效果展示

3.3 移動終端軟件設計

基于C/S架構的移動終端軟件，采用java語言開發(fā)。終端連接至園區(qū)WIFI網(wǎng)絡或者移動流量網(wǎng)絡下進行登入。園區(qū)工作人員可隨時隨地通過終端查看溫室大棚環(huán)境信息，并設計有消息推送功能，當某一環(huán)境值超出預設值時，會立刻向手機發(fā)送報警推送，同時園區(qū)工作人員可以通過APP進行短信交流與消息的通知。手機APP軟件首頁中包括了園區(qū)圖片輪播，天氣預報與農(nóng)業(yè)新聞資訊等，首頁效果展示如圖7所示。

圖7 APP首頁展示

4 系統(tǒng)測試與結果分析

通過模擬現(xiàn)場10個農(nóng)業(yè)溫室大棚，對所設計的基于WIFI的農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行30*24小時的軟硬件測試。測試結果表明：

1)環(huán)境采集節(jié)點可以穩(wěn)定采集環(huán)境信息，其采集結果與標定裝置的測量結果統(tǒng)一，在系統(tǒng)精度范圍之內(nèi)。

2)30個節(jié)點同時與WIFI基站建立連接，無連接失敗節(jié)

點，可以適應現(xiàn)場最多20個節(jié)點同時向WIFI發(fā)出連接請求的情況。

3)WEB端進行壓力測試，系統(tǒng)運行良好穩(wěn)定，網(wǎng)絡傳輸實時性滿足要求。

5 結束語

針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)過程中存在的問題，提出了基于WIFI的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點為:引入了WIFI無線通訊技術，具有帶寬高、覆蓋范圍廣以及網(wǎng)絡結構簡單的優(yōu)勢；設計了多參數(shù)的環(huán)境采集節(jié)點，可監(jiān)測溫室溫度、濕度、光照度、土壤溫濕度以及視頻信息，簡化了農(nóng)業(yè)溫室生產(chǎn)管理過程；設計了基于C#的WEB端軟件與基于android的移動終端APP監(jiān)測軟件，使農(nóng)業(yè)監(jiān)測更加智能化，便捷化。目前該系統(tǒng)已運用于通州區(qū)某智能農(nóng)業(yè)示范基地，并取得了良好的應用效果。

[1] 覃夢甜.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)運用[D].武漢：武漢輕工大學,2014.

[2] 李 瑾,郭美榮,高亮亮.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術應用及創(chuàng)新發(fā)展策略[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2015,31(S2):200-209.

[3] 曾 強.WIFI無線傳感器網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)[D].太原：中北大學,2012.

[4] Xiong D L.Crop growth remote sensing monitoring and its application[J]. Sensors & Transducers,169(4):174-178.

[5] 李立揚,王華斌,白鳳山.基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡的溫室大棚無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制,2012,20(12): 3148-3150.

[6] 何 勇,聶鵬程,劉 飛.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與傳感儀器研究進展[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2013,44(10):216-226.

[7] 劉紅義,趙 方,李朝暉,等.一種基于WiFi傳感器網(wǎng)絡的室內(nèi)外環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 計算機研究與發(fā)展,2010,47(S2):361-365.

[8] 陳致遠,朱葉承,周卓泉,等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術應用,2012,38(09):138-140.

Design of Monitoring System for Greenhouse Environment of Agricultural Internet of Things Based on WIFI

Yang Fei,Xie Tao,Wu Ying,Su Weijun

(School of Computer and Information Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

In view of the problems existing in the modern agricultural greenhouse environment monitoring, the monitoring system of the Agricultural Internet of things based on WIFI technology is designed. The system consists of the monitoring center, WIFI base station, the environment collecting node and the video surveillance system. Environmental data acquisition nodes to STM32F as main controller, collecting the information of illumination, temperature and humidity, soil temperature and humidity in the greenhouse; video monitor with wired and wireless combination; environmental data obtained through the WiFi wireless network and fiber returns monitoring center. The design of the upper software based on B/S architecture and C/S architecture based mobile phone APP environmental monitoring software to achieve environmental monitoring and control of the release. Field application results show that the design of the environmental monitoring system is simple, reliable and stable performance.

greenhouse;environmental monitoring;WIFI;STM32F;B/S; C/S

2016-08-27；

2016-09-14。

北京市教委科研計劃面上項目(KM201510011010)；北京市自然科學基金青年項目(9164025)；2016年研究生科研能力提升計劃項目。

楊 飛(1992-)，男，河北省邢臺市人，碩士研究生，主要從事智能控制與檢測技術方向的研究。

1671-4598(2017)02-0050-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.013

TP274

A