智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張水保 徐守志 李豐杰

（三峽大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

溫室的智能化管理是農(nóng)業(yè)自動化的重要應(yīng)用領(lǐng)域［1］.近年來，農(nóng)業(yè)溫室基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展迅速，但是在自動監(jiān)控方面仍存在著諸多問題.溫室監(jiān)控區(qū)域較大，需要大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成大型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過各種傳感器采集諸如溫度、光照度、空氣濕度、土壤濕度、EC值、pH值等信息，實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)控.采用無線通信技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），具有安裝方便、成本低廉、易于維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)［2－4］.目前針對短距離的無線通信技術(shù)有藍(lán)牙、WIFI和ZigBee等，ZigBee技術(shù)以其低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用.本文結(jié)合溫室生產(chǎn)自動監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)，設(shè)計了一套溫室監(jiān)控系統(tǒng)以滿足現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)［5］生產(chǎn)中的應(yīng)用要求.系統(tǒng)能夠協(xié)同地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域各監(jiān)測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送給觀察者.基于ZigBee協(xié)議棧開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng).上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的自動監(jiān)測、控制和遠(yuǎn)程查詢及控制，從而為實(shí)現(xiàn)溫室的智能化管理奠定基礎(chǔ).

1 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的溫室監(jiān)控系統(tǒng)由系統(tǒng)監(jiān)控中心、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)（包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)）以及GPRS硬件模塊組成，如圖1所示.

圖1 溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控中心由上位機(jī)監(jiān)測控制軟件系統(tǒng)、后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及GPRS短信管理子系統(tǒng)構(gòu)成.其中上位機(jī)軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)同協(xié)調(diào)器應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、向協(xié)調(diào)器應(yīng)用層下達(dá)命令和網(wǎng)絡(luò)管理；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)行在后臺，存儲傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的溫室數(shù)據(jù)，為智能決策提供依據(jù).GPRS短信管理子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程查詢環(huán)境信息和環(huán)境控制.監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計人工管理和自動管理兩種管理模式.正常情況下，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的閾值參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，當(dāng)溫室環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會立即向管理員發(fā)送報警信息.系統(tǒng)允許管理員對系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，如采集特定信息、參數(shù)調(diào)整、特定控制等.

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分.在一個監(jiān)測區(qū)域布置一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和適當(dāng)?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)（根據(jù)監(jiān)測任務(wù)的需要布置）.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建、網(wǎng)絡(luò)管理和信息轉(zhuǎn)發(fā)等工作，它接收來自路由器節(jié)點(diǎn)或數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并將網(wǎng)絡(luò)采集的信息傳送給溫室系統(tǒng)監(jiān)控中心.傳感器節(jié)點(diǎn)分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，均可以采集相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)或執(zhí)行一定的控制操作.路由節(jié)點(diǎn)是在傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧中嵌入路由協(xié)議，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能.路由節(jié)點(diǎn)通過自組織方式形成自組織網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器充當(dāng)監(jiān)測區(qū)域的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)系統(tǒng)的互連.

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)3種工作：

1）信息采集.當(dāng)接收到查詢命令時，立即喚醒并采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)（如空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照以及CO2的濃度等），發(fā)送給自己的父節(jié)點(diǎn)（路由器節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）.

2）環(huán)境控制.無線控制節(jié)點(diǎn)接收系統(tǒng)的決策控制命令，根據(jù)命令參數(shù)控制溫室環(huán)境調(diào)控設(shè)備（如補(bǔ)光燈、風(fēng)機(jī)、噴水裝置、CO2的化學(xué)裝置等）的開啟及其調(diào)控參數(shù)的大?。ㄈ顼L(fēng)機(jī)開啟的時間，噴水設(shè)備灑水量的多少等）.

3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā).路由器節(jié)點(diǎn)除了自身要采集和發(fā)送數(shù)據(jù)之外，還要轉(zhuǎn)發(fā)來自其他數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)或路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù).

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計

圖1所示監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊包括傳感器節(jié)點(diǎn)及相應(yīng)的協(xié)議、短信管理子系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)等.本節(jié)從硬件設(shè)計、軟件或協(xié)議設(shè)計兩方面對系統(tǒng)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹.

2.1 關(guān)鍵硬件模塊設(shè)計

溫室監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及到的硬件主要包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，四者在硬件設(shè)計上結(jié)構(gòu)基本相同.不同類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要區(qū)別在于嵌入的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同，在后文作介紹.4種類型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均由微處理器單元、RF射頻無線通信單元、供電模塊單元和對應(yīng)的外設(shè)4個主要部分組成［6－7］，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)連接數(shù)據(jù)采集控制單元，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口等外設(shè)連接PC機(jī)，控制節(jié)點(diǎn)增加一個控制電路連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制.它們的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 傳感器硬件節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)議軟件設(shè)計

4種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)都是基于TI公司的Z－Stack協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計的.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行后，首先初始化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)入信道偵聽模式，介紹其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的加入請求；各傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧并加入網(wǎng)絡(luò)，之后路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入信道偵聽模式，而數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式.當(dāng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)收到父節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來數(shù)據(jù)采集命令時，節(jié)點(diǎn)從休眠模式進(jìn)入工作模式，根據(jù)相關(guān)命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集操作并發(fā)送給父節(jié)點(diǎn)，之后節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入休眠模式，控制節(jié)點(diǎn)接收到父節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的控制命令時，節(jié)點(diǎn)會根據(jù)命令中的參數(shù)控制溫室調(diào)控設(shè)備的開啟與關(guān)閉.他們的工作流程圖如圖3所示.

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)議軟件流程圖

2.3 GPRS短信系統(tǒng)協(xié)議設(shè)計

該系統(tǒng)通信模塊主要實(shí)現(xiàn)短信的收發(fā)及管理.該模塊在AT串口指令集基礎(chǔ)上，設(shè)計收件箱和發(fā)送箱兩個類，用于短信的管理，并向上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供接口供調(diào)用.短信模塊采用支持中文的PDU短信編碼方案，發(fā)送PDU協(xié)議字段見表1.

表1 發(fā)送PDU協(xié)議定義

2.4 溫室監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計

該上位機(jī)系統(tǒng)主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)管理和短信管理兩個線程，如圖4所示.

傳感器網(wǎng)絡(luò)管理線程通過串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信，主要任務(wù)包括：①網(wǎng)絡(luò)管理.以一定的頻率發(fā)送網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)命令RND和讀傳感器命令RAS，根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)返回的信息計算并繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并能及時發(fā)現(xiàn)是否存在部分節(jié)點(diǎn)失效的問題；②數(shù)據(jù)采集.讀取傳感器發(fā)送回來的數(shù)據(jù)后，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，存入數(shù)據(jù)庫或并在界面上實(shí)時顯示，方便溫室管理員查看和查詢數(shù)據(jù)記錄.

圖4 上位機(jī)系統(tǒng)主要線程流程圖

短信管理線程通過串口連接GPRS MODEM設(shè)備，主要任務(wù)包括：①接收短信.處理短信請求并按應(yīng)用協(xié)議解析短信內(nèi)容，并向上位機(jī)系統(tǒng)提交.如果是查詢請求，系統(tǒng)將啟動查詢?nèi)蝿?wù)，并將查詢結(jié)果返回給短信管理線程；②發(fā)送短信.按照系統(tǒng)提交的發(fā)送指令發(fā)送短信.系統(tǒng)的發(fā)送短信指令包括用戶查詢結(jié)果的返回和監(jiān)控系統(tǒng)的報警信息.

3 系統(tǒng)測試

測試工作包括在一個溫室大棚布置傳感器網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口連接上位機(jī)系統(tǒng)、進(jìn)行組網(wǎng)測試、數(shù)據(jù)采集、節(jié)點(diǎn)控制和短信遠(yuǎn)程查詢.系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5所示，圖中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)表示節(jié)點(diǎn)之間的信號強(qiáng)度值.頂層節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，即網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，中間層的節(jié)點(diǎn)為路由器節(jié)點(diǎn)，葉子節(jié)點(diǎn)均為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)或控制節(jié)點(diǎn).其中編號00000008的節(jié)點(diǎn)采集溫室光敏數(shù)據(jù).節(jié)點(diǎn)周期性采集光照等信息，經(jīng)過系統(tǒng)處理后存入數(shù)據(jù)庫，以供后期分析，同時通過實(shí)時信息曲線圖顯示，圖5（b）中峰值為手電筒直射該節(jié)點(diǎn)的測試結(jié)果.管理員也可以通過特定格式的短信發(fā)送查詢指令，指定傳感器節(jié)點(diǎn)的信息通過短信發(fā)送給特定用戶.

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行界面圖

4 結(jié) 語

精細(xì)農(nóng)業(yè)成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的熱門領(lǐng)域，溫室自動化生產(chǎn)監(jiān)控技術(shù)是其典型的應(yīng)用.其關(guān)鍵是實(shí)時地獲取地塊中每個小區(qū)土壤、農(nóng)作物的信息，診斷作物的長勢和產(chǎn)量在空間上差異的原因，并對每一個小區(qū)做出決策，準(zhǔn)確地進(jìn)行作業(yè)，從而最大限度地提高生產(chǎn)效益.無線傳感器技術(shù)被認(rèn)為是滿足溫室應(yīng)用需求的最好方式.本文結(jié)合最新的ZigBee技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫室監(jiān)控系統(tǒng)：通過在溫室大棚內(nèi)布置溫度、濕度、光照等傳感器，對棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測，從而對棚內(nèi)的溫濕度，光照等進(jìn)行自動化控制.在已有成果的基礎(chǔ)上，下一步可以通過更加精細(xì)和動態(tài)監(jiān)控的方式，實(shí)現(xiàn)更好地感知到農(nóng)作物生長環(huán)境信息，優(yōu)化農(nóng)作物管理，對提高資源利用率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有很好的實(shí)踐價值.

［1］ Wang Ning，Zhang Naiqian，Wang Maohua.Wireless Sensors in Agriculture and Food Industry－recent Development and Future Perspective［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2006，50（1）：1－14.

［2］ 鮑軍民.ZigBee技術(shù)在溫室監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)化研究，2008（2）：184－187.

［3］ 周建明，徐冬冬，周其顯，等.現(xiàn)代溫室監(jiān)控系統(tǒng)的主要架構(gòu)方案及發(fā)展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（3）：1440－1441，1459.

［4］ 杜曉明，陳 巖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室農(nóng)業(yè)監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009（6）：141－144.

［5］ 高 峰，盧尚瓊，徐青香，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.浙江林學(xué)院學(xué)報，2010，27（5）：762－769.

［6］ 岳 青，張海輝，盧博友.基于 WSN的溫室環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（30）：17219－17221，17254.

［7］ 陳 莉，陶正蘇.環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008（10）：7－8，30.