基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的智慧溫室監(jiān)測系統(tǒng)構建

劉勃妮， 王麗， 王威， 張楊梅

(西安航空學院 電子工程學院, 陜西 西安 710077)

0 引言

隨著科技水平的發(fā)展和人們生活水平的提升，人們對農產品品質要求也提高，物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等新興技術正推動農業(yè)科技自動化的發(fā)展。通過農業(yè)科技自動化技術構建農作物生長最佳環(huán)境，確保其產期與產量[1]，再通過物聯(lián)網(wǎng)技術監(jiān)控農作物的生長環(huán)境、控制環(huán)境，提供農作物生長最合適的條件。因此必須研究溫室內溫濕度、光照、二氧化碳等氣體濃度對農作物的影響，并對環(huán)境因子進行實時控制、精準控制[2]。綜上所述，溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制對于提高農業(yè)現(xiàn)代化水平具有深遠意義。

20 世紀90 年代，物聯(lián)網(wǎng)概念首次被麻省理工學院的Kevin Ashton等提出。物聯(lián)網(wǎng)即賦予每個物品唯一的代碼標示，結合互聯(lián)網(wǎng)與射頻技術，實現(xiàn)物品的自動識別及遠程管理[3-4]。國內外學者在這方面做了大量相關研究工作，取得了一些進展。使用關鍵詞“溫室”和“ 物聯(lián)網(wǎng)”在中國知網(wǎng)(CNKI)中的檢索結果，如圖1所示。

圖1 中國知網(wǎng)相關文獻檢測結果

從2011年開始，相關文獻開始出現(xiàn)，并快速增長，圖1數(shù)據(jù)表明：溫室物聯(lián)網(wǎng)技術得到了研究學者的關注。一些應用產品可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確采集，但仍存在功能單一、感知節(jié)點單一等缺點[5]。智能溫室利用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過各種傳感器采集光照強度、濕度、溫度和CO2濃度等參數(shù)值，并與預設值相對比，自動調節(jié)溫室環(huán)境的參數(shù)值，最終給植物提供最佳的生長條件。本文研究了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的智能溫室監(jiān)測系統(tǒng)[6]，結合無線傳感器網(wǎng)絡技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和嵌入式技術等，通過手機APP或平板電腦實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控，便于觀測者及時查看數(shù)據(jù)和調整環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)成本低、操作方便快捷，易于在廣大農戶中推廣。

1 總體方案設計

雖然溫室給農作物提供了良好的生長環(huán)境，但溫室管理非常復雜，其環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、光照和CO2濃度的要求很高。構建空氣與土壤溫濕度、光照強度和CO2濃度等參數(shù)可實時控制的智慧溫室，實現(xiàn)了生產要素的實時遠程調節(jié)控制[7]。

本系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集端(感知層)、數(shù)據(jù)傳輸端(網(wǎng)絡層)和數(shù)據(jù)監(jiān)測端(應用層)。其系統(tǒng)總體框架，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

數(shù)據(jù)采集端由主控制器和多個傳感器構成，主要負責采集溫室環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸端是將采集端的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳送到云平臺再傳送給數(shù)據(jù)監(jiān)測端。數(shù)據(jù)監(jiān)測端是負責實時監(jiān)測和控制溫室數(shù)據(jù)。操作人員可通過APP應用軟件進行可視化觀測和參數(shù)設置。傳感器感知模塊采集到溫室的溫濕度、光照等參變量后，通過物聯(lián)網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)監(jiān)控云平臺進行分析，并實時將最新動態(tài)信息傳輸?shù)紸PP應用軟件，便于管理員操作和監(jiān)控，最終達到移動監(jiān)控的效果。

2 系統(tǒng)硬件設計

智慧溫室監(jiān)控系統(tǒng)框圖，如圖3所示。

圖3 智慧溫室監(jiān)控系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)由傳感器模塊、主控制器、ZigBee無線通信模塊、云平臺和監(jiān)控平臺等組成。采用 STM32 芯片作為主控制器，以ZigBee無線通信技術進行數(shù)據(jù)信息的傳輸，再通過云平臺傳輸給監(jiān)測平臺進行顯示[8]。

2.1 主控制器模塊設計

最小系統(tǒng)主要由ARM芯片、復位電路和時鐘電路組成。該系統(tǒng)采用 STM32F407 微控制器，具備1 024 KB FLASH和192 KB SRAM，集成FPU和DSP指令[9]，具有較強的抗干擾能力和較高的可靠性；使用3.3 V工作電壓；時鐘電路由8 MHz和32 MHz的晶振以及電容組成。

2.2 傳感器模塊設計

溫度傳感器選用DS18B20，測量范圍為-55 ℃—+125 ℃，抗干擾能力強，全數(shù)字溫度轉換及輸出，最高12位分辨率，具有限溫報警功能；濕度檢測器選用LM393，J是兩個插片，插在土壤里，通過檢測探針間電阻阻值和AC口采集的電壓值來判斷土壤濕度，當探針間電阻接近無窮大，AC值為VDD值(高電平)，OUT輸出高電平時，土壤濕度?。环粗?，土壤濕度大[10]。測量電路,如圖4所示。

圖4 濕度檢測電路

這兩種傳感器負責采集土壤溫濕度數(shù)據(jù)?？諝鉁貪穸葯z測采用溫濕度傳感器RHT03-A，自帶上拉電阻，具有傳輸速度快、精度高和連接方便等特點[11]。CO2傳感器COZIR，具有低功耗、精度高和溫濕度補償功能。光照傳感器BH1750采用進口光敏元件，可轉換的波長范圍為380-730 nm，精度高。

2.3 ZigBee通信模塊設計

ZigBee 通信協(xié)議是基于IEEE 802.15.4標準，其結構分為應用層、網(wǎng)絡層、MAC層和物理層。ZigBee技術是一種短距離無線通信技術[12]，具有功耗低、抗干擾保密性好和魯棒性強等特點。系統(tǒng)只需要了解應用層函數(shù)并合理調用，就可以構建性能穩(wěn)定的ZigBee無線網(wǎng)絡。本設計采用CC2530作為無線通信控制核心，能夠直接讀取各類傳感器數(shù)據(jù)，能夠保障各種供電模式下的數(shù)據(jù)完整性，且靈敏度高、抗干擾能力強，可適用于復雜環(huán)境[13]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主控程序

主控機STM32F407正常定時采集輸入各個傳感器的數(shù)據(jù)， 同時與ZigBee通信模塊進行通信，向云平臺上傳采集數(shù)據(jù)，或接收云平臺發(fā)出的指令。所以主程序上電后，先初始化I/O 口、通信串口等設備，判斷各節(jié)點模塊和主控制器之間是否能正常通信，再運行ZigBee通信模塊進行組網(wǎng)，在程序完成相關外設初始化和中斷時，進入主函數(shù)，判斷采集數(shù)據(jù)是否超過預警值，是否需要進行預警提示，并在用戶端進行顯示。主程序流程圖，如圖5所示。

3.2 云平臺設計

OneNET是一款PaaS物聯(lián)網(wǎng)云終端平臺。該平臺的設備接入和連接比較方便，產品開發(fā)快，將完美的物聯(lián)網(wǎng)解決方案輸送至智慧溫室監(jiān)控中心。它是數(shù)據(jù)交互中心，開發(fā)者可以通過此平臺對智能設備進行實時監(jiān)測。本文實現(xiàn)了基于OneNET平臺的智慧溫室監(jiān)控系統(tǒng)，感知層將采集的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)通過ZigBee通信與OneNET平臺進行交互，將數(shù)據(jù)記錄到OneNET云平臺對應的虛擬設備，并傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺或移動端APP，最終用戶可通過監(jiān)控平臺或移動端APP進行實時環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測和遠程控制。

圖5 主程序流程圖

3.3 移動端APP設計

移動端APP設計采用Android操作系統(tǒng)，程序設計語言為Java。在開發(fā)設計過程中，實現(xiàn)了APP的人機交互，實現(xiàn)了APP對數(shù)據(jù)庫的實時讀取。通過物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)了移動端APP和智慧溫室監(jiān)控系統(tǒng)有機融合，可實時監(jiān)測各項環(huán)境數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)的主要功能模塊包括APP前端數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)(包括溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度等)、APP管理設置系統(tǒng)(主要包括環(huán)境的閾值)和歷史數(shù)據(jù)查詢功能[14]。

4 結果與分析

任意選擇5個點(A、B、C、D、E)進行模擬實驗測試，通過數(shù)據(jù)傳輸時間、誤碼率和傳輸速度的測試分析，驗證系統(tǒng)是否具有可行性。實驗數(shù)據(jù)表,如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)表

從表1中看出，5個點的平均傳輸時間為0.192 s；平均誤碼率為0.35%；平均傳輸速度為23.42 Mbit/s。結果表明：該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效果良好。

對系統(tǒng)性能進行測試，主要進行系統(tǒng)可靠性測試、無線傳輸可靠性測試和移動端APP實時數(shù)據(jù)查詢測試、移動端APP遠程控制測試等。系統(tǒng)72小時連續(xù)運行測試結果,如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)

5 總結

本文設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的智慧溫室監(jiān)控系統(tǒng)，結合嵌入式技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和云計算等技術，可對溫室數(shù)據(jù)(溫濕度、二氧化碳和光照強度等)實時監(jiān)測和有效調節(jié)，可以給農作物一個最優(yōu)的生長環(huán)境。該設計可以提高農作物生產效率;降低勞動成本;增加農業(yè)的經濟效益，具有很強的推廣性。