設(shè)施農(nóng)業(yè)中溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王建春　李鳳菊　于偉軍　張雪飛

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)溫室大棚溫濕度采集和實(shí)時(shí)信息查詢，開發(fā)完成了基于溫濕度傳感器的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)集成GSM/GPRS模塊、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、嵌入式控制器和web服務(wù)器等模塊；采用ZigBee的無線傳送數(shù)據(jù)方案，避免了傳感器布設(shè)的受限問題；嵌入式控制器通過GPRS模塊接入Internet網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至web服務(wù)器。Web服務(wù)器提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線查詢、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析等，并可以通過手機(jī)短信快速獲取參數(shù)的實(shí)時(shí)信息。

關(guān)鍵詞：溫濕度傳感器；監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)施農(nóng)業(yè)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.12.013

設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的顯著標(biāo)志，是轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，擺脫自然環(huán)境與土地資源束縛，走向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化生產(chǎn)的必由之路，屬于高投入、高產(chǎn)出，資金、技術(shù)、勞動力密集型的產(chǎn)業(yè)，可打破農(nóng)產(chǎn)品的季節(jié)性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的反季節(jié)均衡上市，進(jìn)一步滿足多元化、多層次消費(fèi)需求，增加農(nóng)民收入。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益成熟，傳感器在設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)采集中發(fā)揮著重要作用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用為農(nóng)田環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理、分析提供集成化解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、基于ARM的嵌入式控制器、web服務(wù)器模塊組成。溫室大棚現(xiàn)場由無線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)的單片機(jī)驅(qū)動溫濕度傳感器采集空氣溫濕度、土壤溫濕度等數(shù)據(jù)，通過無線方式發(fā)送到嵌入式控制器，嵌入式控制器通過GPRS模塊接入Internet，將數(shù)據(jù)上傳至web終端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中；嵌入式控制器具有多種接口與擴(kuò)展功能，能夠在溫濕度異常時(shí)，通過GPRS模塊給手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。不同權(quán)限的用戶可以在任何能夠上網(wǎng)的地方，通過Internet和web站點(diǎn)的形式隨時(shí)隨地獲取監(jiān)控點(diǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制，也可以通過手機(jī)短信的形式獲取相同的數(shù)據(jù)信息。因此，本系統(tǒng)既可以日常觀測也可以應(yīng)用在科學(xué)研究，通過對溫室數(shù)據(jù)的分析，找到更適合作物生長的途徑，用以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)，采用TI公司CC2430芯片及其外圍擴(kuò)展電路，該芯片集成超低功耗單片機(jī)和高性能低功耗發(fā)射芯片，內(nèi)置12bit高精度AD，可以直接連接主流的各種數(shù)字與模擬傳感器，具有良好的擴(kuò)展性能。

CC2430芯片集成ZigBee協(xié)議棧，使得多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)（增加中繼），各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以按照設(shè)置的時(shí)間間隔（1～120 s）向嵌入式控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。簡單、單向的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，采用兩節(jié)5號電池供電，可工作3年以上。星形網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸視距達(dá)700 m，樹形網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離達(dá)2 km。

考慮到溫室大棚對溫濕度精度要求并非特別高，選用溫濕度的集成傳感器DHT21，溫度范圍-20～70 ℃，精度1 ℃，濕度范圍0～99%，精度達(dá)10%，該芯片通過單總線與CC2430芯片的任意I/O口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

集成的無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有功耗低、成本低、穩(wěn)定性高、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足多種應(yīng)用環(huán)境，適合在塑料大棚、聯(lián)動溫室以及小規(guī)模日光溫室環(huán)境中使用，圖2為開發(fā)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。

1.2 基于ARM的嵌入式控制器

嵌入式控制器一般是由ARM9處理器、SDRAM、FLASH、電源及復(fù)位模塊、人機(jī)接口LCD觸摸屏及相關(guān)外圍電路組成。筆者選用的S3C2440處理器，是SAMSUNG公司開發(fā)的一款基于ARM9內(nèi)核的微處理器。S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核，0.13 UmComs標(biāo)準(zhǔn)單元和存儲單元復(fù)合體。它的特點(diǎn)是功耗低、簡單、穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、性價(jià)比相對高，并且還具有豐富的擴(kuò)展功能接口，便于構(gòu)建外圍電路，如圖3所示。

嵌入式控制器作為數(shù)據(jù)信息收集處理的主節(jié)點(diǎn)，通過SPI總線與ZigBee模塊通信，用于和無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該ZigBee模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建和給加入節(jié)點(diǎn)分配地址；嵌入式控制器通過UART串口與GPRS模塊通信，用于接入Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳web服務(wù)器，同時(shí)可以接入GSM網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)信息收發(fā)功能。在傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)存在溫濕度異常時(shí)，啟動報(bào)警信號。

嵌入式控制器上植入linux操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和監(jiān)控程序，系統(tǒng)啟動后依次加載各種驅(qū)動程序，并運(yùn)行監(jiān)控程序，如圖4所示。

1.3 基于Internet的遠(yuǎn)程在線客戶訪問服務(wù)平臺

數(shù)據(jù)管理級遠(yuǎn)程綜合服務(wù)平臺基于B/S（Browser/Sever），形成所謂前端Browser瀏覽器、中間層應(yīng)用程序（Application）、后端數(shù)據(jù)庫（Database）的3層3-Tier結(jié)構(gòu)。主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實(shí)現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實(shí)現(xiàn)，用戶工作界面是通過www瀏覽器來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)不同的用戶，從各自的所在地點(diǎn)，以各自的接入方式（比如Internet/Intranet，LAN，WAN等）訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫。從而簡化客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的工作量，節(jié)省了用戶的總體成本，同時(shí)它還能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺和管理訪問權(quán)限，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫也很安全（圖5）。

2 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)施溫室的應(yīng)用

2.1 設(shè)施蔬菜溫室中溫濕度監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用

所選溫室為天津應(yīng)用廣泛的溫室之一，覆蓋范圍廣，此設(shè)備是一套集溫濕度為一體的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備，有著監(jiān)控點(diǎn)分布廣泛、實(shí)時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，用戶可根據(jù)自身需要設(shè)定收發(fā)間隔，可廣泛應(yīng)用在大棚生產(chǎn)、溫室生產(chǎn)、特殊環(huán)境監(jiān)測等。即使遇到惡劣天氣，信號收發(fā)功能也能清楚地接收監(jiān)控設(shè)備的信號，實(shí)用性和適用性都符合天津現(xiàn)階段的要求，在農(nóng)戶應(yīng)用中口碑很好，而且設(shè)備占用空間小，在溫室本來就有限的面積內(nèi)，有著良好的空間優(yōu)勢。操作簡單，只要簡單培訓(xùn)，農(nóng)戶就可以上手，不需要專業(yè)的知識背景，界面人性化設(shè)計(jì)，可語音報(bào)數(shù)，提供良好的服務(wù)功能。

2.2 設(shè)施食用菌溫室中溫濕度監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用

天津市北辰區(qū)下河頭食用菌種植專業(yè)合作社是以工業(yè)化廠房為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模的大型食用菌種植基地，主要以生產(chǎn)白靈菇為主，其他食用菌為輔，現(xiàn)占地面積3.3 hm2，共建5個(gè)大型的工廠化車間。在已開發(fā)的溫濕度監(jiān)控器基礎(chǔ)上可以增加光照和二氧化碳傳感器，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、二氧化碳、氧氣的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程電腦端顯示，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境因子監(jiān)控的閾值報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)3個(gè)溫室的統(tǒng)一監(jiān)測管理平臺等實(shí)用功能的專業(yè)性管理系統(tǒng)?？捎行У毓?jié)約管理資源，提高業(yè)務(wù)產(chǎn)能，規(guī)避操作風(fēng)險(xiǎn)。

3 小結(jié)與討論

筆者設(shè)計(jì)了適用于溫室大棚的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠采集大棚中任意位置的溫濕度參數(shù)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中；無線傳感器節(jié)點(diǎn)預(yù)留傳感器接口，可以接插相應(yīng)的傳感器實(shí)現(xiàn)更大范圍參數(shù)的監(jiān)測。Web服務(wù)器提供用戶可以通過Internet網(wǎng)隨時(shí)查詢溫室大棚各個(gè)參數(shù)信息，用戶也可以通過手機(jī)短信獲取溫室大棚中的參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)刻任何地點(diǎn)對大棚的數(shù)據(jù)監(jiān)測。后期將對大棚中參數(shù)調(diào)節(jié)控制方法進(jìn)行研究，采用增加溫度、濕度調(diào)節(jié)等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的自然催長環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王健，王樹恩.關(guān)于大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)的對策研究——以天津市為例[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012，239（1）：44-46，34.

[2] 劉竹琴，白澤生.設(shè)施農(nóng)業(yè)中溫度動態(tài)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（8）：63-65.

[3] 譚石堅(jiān)，董明利，壽國梁.基于ZigBee技術(shù)的低功耗溫室監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2014（10）：213-217，222.

[4] 馬琦.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學(xué)，2009.

[5] 呂立新，汪偉，卜天然.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2009（8）：5-9.

[6] 杜英.基于GSM的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，34（1）：81-83，92.

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)溫室大棚溫濕度采集和實(shí)時(shí)信息查詢，開發(fā)完成了基于溫濕度傳感器的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)集成GSM/GPRS模塊、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、嵌入式控制器和web服務(wù)器等模塊；采用ZigBee的無線傳送數(shù)據(jù)方案，避免了傳感器布設(shè)的受限問題；嵌入式控制器通過GPRS模塊接入Internet網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至web服務(wù)器。Web服務(wù)器提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線查詢、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析等，并可以通過手機(jī)短信快速獲取參數(shù)的實(shí)時(shí)信息。

關(guān)鍵詞：溫濕度傳感器；監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)施農(nóng)業(yè)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.12.013

設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的顯著標(biāo)志，是轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，擺脫自然環(huán)境與土地資源束縛，走向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化生產(chǎn)的必由之路，屬于高投入、高產(chǎn)出，資金、技術(shù)、勞動力密集型的產(chǎn)業(yè)，可打破農(nóng)產(chǎn)品的季節(jié)性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的反季節(jié)均衡上市，進(jìn)一步滿足多元化、多層次消費(fèi)需求，增加農(nóng)民收入。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益成熟，傳感器在設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)采集中發(fā)揮著重要作用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用為農(nóng)田環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理、分析提供集成化解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、基于ARM的嵌入式控制器、web服務(wù)器模塊組成。溫室大棚現(xiàn)場由無線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)的單片機(jī)驅(qū)動溫濕度傳感器采集空氣溫濕度、土壤溫濕度等數(shù)據(jù)，通過無線方式發(fā)送到嵌入式控制器，嵌入式控制器通過GPRS模塊接入Internet，將數(shù)據(jù)上傳至web終端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中；嵌入式控制器具有多種接口與擴(kuò)展功能，能夠在溫濕度異常時(shí)，通過GPRS模塊給手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。不同權(quán)限的用戶可以在任何能夠上網(wǎng)的地方，通過Internet和web站點(diǎn)的形式隨時(shí)隨地獲取監(jiān)控點(diǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制，也可以通過手機(jī)短信的形式獲取相同的數(shù)據(jù)信息。因此，本系統(tǒng)既可以日常觀測也可以應(yīng)用在科學(xué)研究，通過對溫室數(shù)據(jù)的分析，找到更適合作物生長的途徑，用以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)，采用TI公司CC2430芯片及其外圍擴(kuò)展電路，該芯片集成超低功耗單片機(jī)和高性能低功耗發(fā)射芯片，內(nèi)置12bit高精度AD，可以直接連接主流的各種數(shù)字與模擬傳感器，具有良好的擴(kuò)展性能。

CC2430芯片集成ZigBee協(xié)議棧，使得多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)（增加中繼），各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以按照設(shè)置的時(shí)間間隔（1～120 s）向嵌入式控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。簡單、單向的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，采用兩節(jié)5號電池供電，可工作3年以上。星形網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸視距達(dá)700 m，樹形網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離達(dá)2 km。

考慮到溫室大棚對溫濕度精度要求并非特別高，選用溫濕度的集成傳感器DHT21，溫度范圍-20～70 ℃，精度1 ℃，濕度范圍0～99%，精度達(dá)10%，該芯片通過單總線與CC2430芯片的任意I/O口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

集成的無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有功耗低、成本低、穩(wěn)定性高、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足多種應(yīng)用環(huán)境，適合在塑料大棚、聯(lián)動溫室以及小規(guī)模日光溫室環(huán)境中使用，圖2為開發(fā)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。

1.2 基于ARM的嵌入式控制器

嵌入式控制器一般是由ARM9處理器、SDRAM、FLASH、電源及復(fù)位模塊、人機(jī)接口LCD觸摸屏及相關(guān)外圍電路組成。筆者選用的S3C2440處理器，是SAMSUNG公司開發(fā)的一款基于ARM9內(nèi)核的微處理器。S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核，0.13 UmComs標(biāo)準(zhǔn)單元和存儲單元復(fù)合體。它的特點(diǎn)是功耗低、簡單、穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、性價(jià)比相對高，并且還具有豐富的擴(kuò)展功能接口，便于構(gòu)建外圍電路，如圖3所示。

嵌入式控制器作為數(shù)據(jù)信息收集處理的主節(jié)點(diǎn)，通過SPI總線與ZigBee模塊通信，用于和無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該ZigBee模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建和給加入節(jié)點(diǎn)分配地址；嵌入式控制器通過UART串口與GPRS模塊通信，用于接入Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳web服務(wù)器，同時(shí)可以接入GSM網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)信息收發(fā)功能。在傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)存在溫濕度異常時(shí)，啟動報(bào)警信號。

嵌入式控制器上植入linux操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和監(jiān)控程序，系統(tǒng)啟動后依次加載各種驅(qū)動程序，并運(yùn)行監(jiān)控程序，如圖4所示。

1.3 基于Internet的遠(yuǎn)程在線客戶訪問服務(wù)平臺

數(shù)據(jù)管理級遠(yuǎn)程綜合服務(wù)平臺基于B/S（Browser/Sever），形成所謂前端Browser瀏覽器、中間層應(yīng)用程序（Application）、后端數(shù)據(jù)庫（Database）的3層3-Tier結(jié)構(gòu)。主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實(shí)現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實(shí)現(xiàn)，用戶工作界面是通過www瀏覽器來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)不同的用戶，從各自的所在地點(diǎn)，以各自的接入方式（比如Internet/Intranet，LAN，WAN等）訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫。從而簡化客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的工作量，節(jié)省了用戶的總體成本，同時(shí)它還能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺和管理訪問權(quán)限，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫也很安全（圖5）。

2 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)施溫室的應(yīng)用

2.1 設(shè)施蔬菜溫室中溫濕度監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用

所選溫室為天津應(yīng)用廣泛的溫室之一，覆蓋范圍廣，此設(shè)備是一套集溫濕度為一體的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備，有著監(jiān)控點(diǎn)分布廣泛、實(shí)時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，用戶可根據(jù)自身需要設(shè)定收發(fā)間隔，可廣泛應(yīng)用在大棚生產(chǎn)、溫室生產(chǎn)、特殊環(huán)境監(jiān)測等。即使遇到惡劣天氣，信號收發(fā)功能也能清楚地接收監(jiān)控設(shè)備的信號，實(shí)用性和適用性都符合天津現(xiàn)階段的要求，在農(nóng)戶應(yīng)用中口碑很好，而且設(shè)備占用空間小，在溫室本來就有限的面積內(nèi)，有著良好的空間優(yōu)勢。操作簡單，只要簡單培訓(xùn)，農(nóng)戶就可以上手，不需要專業(yè)的知識背景，界面人性化設(shè)計(jì)，可語音報(bào)數(shù)，提供良好的服務(wù)功能。

2.2 設(shè)施食用菌溫室中溫濕度監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用

天津市北辰區(qū)下河頭食用菌種植專業(yè)合作社是以工業(yè)化廠房為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模的大型食用菌種植基地，主要以生產(chǎn)白靈菇為主，其他食用菌為輔，現(xiàn)占地面積3.3 hm2，共建5個(gè)大型的工廠化車間。在已開發(fā)的溫濕度監(jiān)控器基礎(chǔ)上可以增加光照和二氧化碳傳感器，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、二氧化碳、氧氣的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程電腦端顯示，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境因子監(jiān)控的閾值報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)3個(gè)溫室的統(tǒng)一監(jiān)測管理平臺等實(shí)用功能的專業(yè)性管理系統(tǒng)?？捎行У毓?jié)約管理資源，提高業(yè)務(wù)產(chǎn)能，規(guī)避操作風(fēng)險(xiǎn)。

3 小結(jié)與討論

筆者設(shè)計(jì)了適用于溫室大棚的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠采集大棚中任意位置的溫濕度參數(shù)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中；無線傳感器節(jié)點(diǎn)預(yù)留傳感器接口，可以接插相應(yīng)的傳感器實(shí)現(xiàn)更大范圍參數(shù)的監(jiān)測。Web服務(wù)器提供用戶可以通過Internet網(wǎng)隨時(shí)查詢溫室大棚各個(gè)參數(shù)信息，用戶也可以通過手機(jī)短信獲取溫室大棚中的參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)刻任何地點(diǎn)對大棚的數(shù)據(jù)監(jiān)測。后期將對大棚中參數(shù)調(diào)節(jié)控制方法進(jìn)行研究，采用增加溫度、濕度調(diào)節(jié)等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的自然催長環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王健，王樹恩.關(guān)于大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)的對策研究——以天津市為例[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012，239（1）：44-46，34.

[2] 劉竹琴，白澤生.設(shè)施農(nóng)業(yè)中溫度動態(tài)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（8）：63-65.

[3] 譚石堅(jiān)，董明利，壽國梁.基于ZigBee技術(shù)的低功耗溫室監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2014（10）：213-217，222.

[4] 馬琦.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學(xué)，2009.

[5] 呂立新，汪偉，卜天然.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2009（8）：5-9.

[6] 杜英.基于GSM的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，34（1）：81-83，92.

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)溫室大棚溫濕度采集和實(shí)時(shí)信息查詢，開發(fā)完成了基于溫濕度傳感器的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)集成GSM/GPRS模塊、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、嵌入式控制器和web服務(wù)器等模塊；采用ZigBee的無線傳送數(shù)據(jù)方案，避免了傳感器布設(shè)的受限問題；嵌入式控制器通過GPRS模塊接入Internet網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至web服務(wù)器。Web服務(wù)器提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線查詢、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析等，并可以通過手機(jī)短信快速獲取參數(shù)的實(shí)時(shí)信息。

關(guān)鍵詞：溫濕度傳感器；監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)施農(nóng)業(yè)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.12.013

設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的顯著標(biāo)志，是轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，擺脫自然環(huán)境與土地資源束縛，走向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化生產(chǎn)的必由之路，屬于高投入、高產(chǎn)出，資金、技術(shù)、勞動力密集型的產(chǎn)業(yè)，可打破農(nóng)產(chǎn)品的季節(jié)性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的反季節(jié)均衡上市，進(jìn)一步滿足多元化、多層次消費(fèi)需求，增加農(nóng)民收入。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益成熟，傳感器在設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)采集中發(fā)揮著重要作用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用為農(nóng)田環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理、分析提供集成化解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、基于ARM的嵌入式控制器、web服務(wù)器模塊組成。溫室大棚現(xiàn)場由無線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)的單片機(jī)驅(qū)動溫濕度傳感器采集空氣溫濕度、土壤溫濕度等數(shù)據(jù)，通過無線方式發(fā)送到嵌入式控制器，嵌入式控制器通過GPRS模塊接入Internet，將數(shù)據(jù)上傳至web終端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中；嵌入式控制器具有多種接口與擴(kuò)展功能，能夠在溫濕度異常時(shí)，通過GPRS模塊給手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。不同權(quán)限的用戶可以在任何能夠上網(wǎng)的地方，通過Internet和web站點(diǎn)的形式隨時(shí)隨地獲取監(jiān)控點(diǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制，也可以通過手機(jī)短信的形式獲取相同的數(shù)據(jù)信息。因此，本系統(tǒng)既可以日常觀測也可以應(yīng)用在科學(xué)研究，通過對溫室數(shù)據(jù)的分析，找到更適合作物生長的途徑，用以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)，采用TI公司CC2430芯片及其外圍擴(kuò)展電路，該芯片集成超低功耗單片機(jī)和高性能低功耗發(fā)射芯片，內(nèi)置12bit高精度AD，可以直接連接主流的各種數(shù)字與模擬傳感器，具有良好的擴(kuò)展性能。

CC2430芯片集成ZigBee協(xié)議棧，使得多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)（增加中繼），各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以按照設(shè)置的時(shí)間間隔（1～120 s）向嵌入式控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。簡單、單向的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，采用兩節(jié)5號電池供電，可工作3年以上。星形網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸視距達(dá)700 m，樹形網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離達(dá)2 km。

考慮到溫室大棚對溫濕度精度要求并非特別高，選用溫濕度的集成傳感器DHT21，溫度范圍-20～70 ℃，精度1 ℃，濕度范圍0～99%，精度達(dá)10%，該芯片通過單總線與CC2430芯片的任意I/O口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

集成的無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有功耗低、成本低、穩(wěn)定性高、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足多種應(yīng)用環(huán)境，適合在塑料大棚、聯(lián)動溫室以及小規(guī)模日光溫室環(huán)境中使用，圖2為開發(fā)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。

1.2 基于ARM的嵌入式控制器

嵌入式控制器一般是由ARM9處理器、SDRAM、FLASH、電源及復(fù)位模塊、人機(jī)接口LCD觸摸屏及相關(guān)外圍電路組成。筆者選用的S3C2440處理器，是SAMSUNG公司開發(fā)的一款基于ARM9內(nèi)核的微處理器。S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核，0.13 UmComs標(biāo)準(zhǔn)單元和存儲單元復(fù)合體。它的特點(diǎn)是功耗低、簡單、穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、性價(jià)比相對高，并且還具有豐富的擴(kuò)展功能接口，便于構(gòu)建外圍電路，如圖3所示。

嵌入式控制器作為數(shù)據(jù)信息收集處理的主節(jié)點(diǎn)，通過SPI總線與ZigBee模塊通信，用于和無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該ZigBee模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建和給加入節(jié)點(diǎn)分配地址；嵌入式控制器通過UART串口與GPRS模塊通信，用于接入Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳web服務(wù)器，同時(shí)可以接入GSM網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)信息收發(fā)功能。在傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)存在溫濕度異常時(shí)，啟動報(bào)警信號。

嵌入式控制器上植入linux操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和監(jiān)控程序，系統(tǒng)啟動后依次加載各種驅(qū)動程序，并運(yùn)行監(jiān)控程序，如圖4所示。

1.3 基于Internet的遠(yuǎn)程在線客戶訪問服務(wù)平臺

數(shù)據(jù)管理級遠(yuǎn)程綜合服務(wù)平臺基于B/S（Browser/Sever），形成所謂前端Browser瀏覽器、中間層應(yīng)用程序（Application）、后端數(shù)據(jù)庫（Database）的3層3-Tier結(jié)構(gòu)。主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實(shí)現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實(shí)現(xiàn)，用戶工作界面是通過www瀏覽器來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)不同的用戶，從各自的所在地點(diǎn)，以各自的接入方式（比如Internet/Intranet，LAN，WAN等）訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫。從而簡化客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的工作量，節(jié)省了用戶的總體成本，同時(shí)它還能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺和管理訪問權(quán)限，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫也很安全（圖5）。

2 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)施溫室的應(yīng)用

2.1 設(shè)施蔬菜溫室中溫濕度監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用

所選溫室為天津應(yīng)用廣泛的溫室之一，覆蓋范圍廣，此設(shè)備是一套集溫濕度為一體的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備，有著監(jiān)控點(diǎn)分布廣泛、實(shí)時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，用戶可根據(jù)自身需要設(shè)定收發(fā)間隔，可廣泛應(yīng)用在大棚生產(chǎn)、溫室生產(chǎn)、特殊環(huán)境監(jiān)測等。即使遇到惡劣天氣，信號收發(fā)功能也能清楚地接收監(jiān)控設(shè)備的信號，實(shí)用性和適用性都符合天津現(xiàn)階段的要求，在農(nóng)戶應(yīng)用中口碑很好，而且設(shè)備占用空間小，在溫室本來就有限的面積內(nèi)，有著良好的空間優(yōu)勢。操作簡單，只要簡單培訓(xùn)，農(nóng)戶就可以上手，不需要專業(yè)的知識背景，界面人性化設(shè)計(jì)，可語音報(bào)數(shù)，提供良好的服務(wù)功能。

2.2 設(shè)施食用菌溫室中溫濕度監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用

天津市北辰區(qū)下河頭食用菌種植專業(yè)合作社是以工業(yè)化廠房為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模的大型食用菌種植基地，主要以生產(chǎn)白靈菇為主，其他食用菌為輔，現(xiàn)占地面積3.3 hm2，共建5個(gè)大型的工廠化車間。在已開發(fā)的溫濕度監(jiān)控器基礎(chǔ)上可以增加光照和二氧化碳傳感器，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、二氧化碳、氧氣的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程電腦端顯示，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境因子監(jiān)控的閾值報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)3個(gè)溫室的統(tǒng)一監(jiān)測管理平臺等實(shí)用功能的專業(yè)性管理系統(tǒng)?？捎行У毓?jié)約管理資源，提高業(yè)務(wù)產(chǎn)能，規(guī)避操作風(fēng)險(xiǎn)。

3 小結(jié)與討論

筆者設(shè)計(jì)了適用于溫室大棚的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠采集大棚中任意位置的溫濕度參數(shù)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中；無線傳感器節(jié)點(diǎn)預(yù)留傳感器接口，可以接插相應(yīng)的傳感器實(shí)現(xiàn)更大范圍參數(shù)的監(jiān)測。Web服務(wù)器提供用戶可以通過Internet網(wǎng)隨時(shí)查詢溫室大棚各個(gè)參數(shù)信息，用戶也可以通過手機(jī)短信獲取溫室大棚中的參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)刻任何地點(diǎn)對大棚的數(shù)據(jù)監(jiān)測。后期將對大棚中參數(shù)調(diào)節(jié)控制方法進(jìn)行研究，采用增加溫度、濕度調(diào)節(jié)等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的自然催長環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王健，王樹恩.關(guān)于大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)的對策研究——以天津市為例[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012，239（1）：44-46，34.

[2] 劉竹琴，白澤生.設(shè)施農(nóng)業(yè)中溫度動態(tài)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（8）：63-65.

[3] 譚石堅(jiān)，董明利，壽國梁.基于ZigBee技術(shù)的低功耗溫室監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2014（10）：213-217，222.

[4] 馬琦.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學(xué)，2009.

[5] 呂立新，汪偉，卜天然.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2009（8）：5-9.

[6] 杜英.基于GSM的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，34（1）：81-83，92.