基于物聯(lián)網(wǎng)技術的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計

蔡長安

(鹽城師范學院信息工程學院, 江蘇 鹽城 224002)

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計

蔡長安

(鹽城師范學院信息工程學院, 江蘇 鹽城 224002)

摘要：農作物的生長速度與溫濕度有緊密的聯(lián)系，溫濕度的實時監(jiān)控技術對于現(xiàn)代農業(yè)大棚生產而言，極其重要.設計了基于TI的CC2530射頻收發(fā)器以及數(shù)字溫濕度傳感器SHT10構成的無線傳感器節(jié)點, 使用ZigBee 技術組建無線溫濕度傳感遠程監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)具備性能穩(wěn)定、擴展性好、功耗低，可廣泛應用于農業(yè)環(huán)境溫濕度監(jiān)測領域.

關鍵詞：溫濕度監(jiān)測；ZigBee技術；CC2530；Cortex-A8

大棚的溫濕度是影響植物生長發(fā)育最主要的因素.它的作用是用來改變植物的生長環(huán)境，為植物提供適度的生長發(fā)育條件，避免一年的四季變化和惡劣氣候影響作物的生長.大棚常以采光和覆蓋材料作為主要結構材料，它能不受地區(qū)和季節(jié)氣候等條件的限制，調節(jié)農作物生產時間，提高農作物的產量.雖然有些大棚安裝了一些降溫、加熱、加濕除濕的設備，很多操作都是由人工來控制完成，當大棚數(shù)量較多時，職員的勞動強度仍然是比較大的，且溫濕度也無法準確地控制.采用基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的溫室大棚解決方案，可以實現(xiàn)大棚內溫濕度的智能控制，大大降低勞動強度.

1大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的結構

大棚的溫濕度信息首先由傳感器節(jié)點進行采集.運用ZigBee協(xié)議、無線收發(fā)技術構建一個簡單的無線傳感器網(wǎng)絡，然后將傳感器節(jié)點采集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調器，再通過串口將協(xié)調器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送給嵌入式平臺[1]，然后再通過網(wǎng)絡方式供遠程的PC端管理或查看.系統(tǒng)結構圖如圖1所示.

圖1系統(tǒng)結構圖

2系統(tǒng)硬件的設計

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點主要有： 溫濕度傳感器SHT10、 芯片CC2530、 Flash存儲芯片和電源模塊. 當系統(tǒng)的傳感器測試到有溫度和濕度的有關信息后， CC2530就對采集到的濕度和溫度數(shù)據(jù)信息進行處理， 處理的信息通過倒F天線發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡的路由器節(jié)點， 與協(xié)調器進行間接無線通信.

圖2　傳感器節(jié)點結構圖

2.1.1傳感器模塊

溫濕度傳感器選擇瑞士Sensirion 公司生產的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11.該芯片是智能型芯片，可以同時檢測濕度和溫度值.SHT11 工作電壓在2.4 ～ 5.5 V 的范圍內，測量的溫度范圍為-40.0 ～ 123.8℃ ，精度達到± 0．4℃;測量的濕度范圍為0～ 100%RH ，其采集精度為± 3.0% RH，符合大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的要求.

2.1.2CC2530

本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點采用TI公司生產的CC2530片上系統(tǒng)芯片作為核心配件.CC2530是基于2.4GHz的IEEE802.15.4ZigBee無線通訊協(xié)議的芯片.CC2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，采用業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內可編程128K閃存和8KB的RAM.由于CC2530提供的外設集比較廣泛，因此要構建ZigBee節(jié)點只需要用比較少的的外圍電路.

2.2協(xié)調器節(jié)點的硬件設計

傳感器把采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點進行處理后，再通過串口傳輸?shù)角度胧狡脚_.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)采用RS-232通訊接口，實現(xiàn)協(xié)調器使CC2530無線射頻模塊和PC機之間通信，RS-232串口電路將采集到溫度和濕度信息數(shù)據(jù)傳給PC機.RS232規(guī)定的高低電平標準與CC230的TTL電平標準不一致.電平轉換采用MAX232，典型的電平轉換電路可參看文獻[2].

2.3嵌入式平臺

串口接收傳感器網(wǎng)絡傳送來的數(shù)據(jù)信息，顯示溫度和濕度，并進行檢測，同時接收遠程PC端對數(shù)據(jù)的請求，通過網(wǎng)絡向遠程的PC端發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，這一系列工作是由嵌入式平臺來完成的.這里的嵌入式網(wǎng)關主要由CORTEX-A8處理器OMAP3530實現(xiàn).本嵌入式平臺采用核心板外加底板的形式，支持Linux、Windows CE 6.0系統(tǒng)和Google Android操作系統(tǒng).TI的OMAP3530處理器為板的核心，該核心板有一個7寸TFT 24位液晶觸摸屏，接口資源比較豐富，擴展了通用的存儲器、通訊接口.

2.4PC平臺

PC端的數(shù)據(jù)請求是通過網(wǎng)絡向嵌入式平臺發(fā)出的，獲取一定的溫濕度值.PC端即遠程的主機，它對接收到的溫濕度數(shù)據(jù)信息進行處理，然后提交給控制中心，控制中心再進行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，實現(xiàn)對大棚內溫濕度進行調控的目的.

3系統(tǒng)軟件的設計

圖3　傳感節(jié)點的程序流程圖

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的大棚的溫濕度系統(tǒng)軟件采用TI公司的Z-Stack-CC2530-2.3.0 -1.4.0 協(xié) 議 棧 進行設計， 用 IAR Embedded WorkbenchV8.0 for 8051集成開發(fā)平臺進行開發(fā).開始工作時，上位機開啟串口連接，設置波特率、串口號等一系列參數(shù).下位機在協(xié)調器上電后，根據(jù)PANID號，啟動并組建一個ZigBee網(wǎng)絡，并等待路由節(jié)點或終端節(jié)點加入網(wǎng)絡.完成組網(wǎng)后，大棚內的所有溫濕度傳感節(jié)點就可以采集溫濕度值， 采集到的溫濕度值可以直接發(fā)送到串口上，或者經路由器節(jié)點間接發(fā)送到與協(xié)調器連接的RS-232串口上.在ZigBee網(wǎng)絡中， 路由器節(jié)點相當于協(xié)調器節(jié)點， 其功能模塊基本和協(xié)調器類似.對接收到的溫濕度等信息進行處理，提交控制中心進行后續(xù)的控制動作.其程序流程圖如圖3所示.

3.1傳感節(jié)點的軟件設計

傳感器節(jié)點工作時，要初始化硬件和協(xié)議棧.初始化結束后，查找附近是否有Zigbee網(wǎng)絡，如果發(fā)現(xiàn)附近有Zigbee網(wǎng)絡，就會發(fā)出加入請求.在加入到Zigbee網(wǎng)絡成功之后，進入休眠模式，等待有無條件中斷的產生.如果有中斷產生，就對中斷做出判斷，然后作出是否響應或執(zhí)行[3].

3.2協(xié)調器的軟件設計

協(xié)調器主要是建立ZigBee 網(wǎng)絡，負責網(wǎng)絡的啟動工作，同時會協(xié)調在組建網(wǎng)絡中的安全層及其應用層的綁定等工作，整個網(wǎng)絡配置完成后，其退化成路由器[4].在組建網(wǎng)絡的過程中，協(xié)調器通過網(wǎng)絡地址的分配、節(jié)點成員的加入、信息的轉發(fā)與收集等來實現(xiàn)網(wǎng)絡的組建.

3.3嵌入式平臺的軟件設計

嵌入式平臺主要的功能數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)關，利用RS-232串口接收協(xié)調器傳送過來的溫濕度數(shù)據(jù)信息，并對溫濕度數(shù)據(jù)信息進行處理，然后經過Interne網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程的PC機.串口的讀寫操作用的是Linux底層串口操作，讀寫串口的方式采用非阻塞式，實現(xiàn)用的是QT在Linux環(huán)境下編寫的應用程序[5]，采用多線程循環(huán)的方法解析處理Internet部分數(shù)據(jù).

3.4PC端程序的設計

上位機的應用程序在PC機運行.基于Internet的Web服務后臺監(jiān)控中心管理軟件采用Visual studio 2010和SQL server 2008數(shù)據(jù)庫開發(fā).主要負責實時檢測大棚的溫濕度值，控制各個大棚的溫度和濕度在一個合適的界限內.當大棚內的溫濕度超過設定的界限時, PC機就會發(fā)送命令通知相應的下位機采取相應的動作，例如增溫加濕等措施.

4應用效果與分析

圖4　溫室環(huán)境信息采集節(jié)點

我們在某鄉(xiāng)鎮(zhèn)的3個農戶進行了6個大棚的試點，大棚內種植了蔬菜，每個用戶有幾個大棚.用戶認為基于物聯(lián)網(wǎng)技術的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)有很大的作用，系統(tǒng)在超過了某設定溫濕度值后有報警功能，他們不用再跑到每個大棚里監(jiān)測溫濕度.監(jiān)控系統(tǒng)能根據(jù)作物生物的需要，自動地開關窗簾、加溫降濕等，用戶可以遠程查看設施環(huán)境數(shù)據(jù)和設備運行情況，方便靈活管理.圖4和5分別表示信息采集節(jié)點和查詢信息.

圖5　服務端查詢的信息報警情況

該系統(tǒng)可以精確采集溫室中的濕濕度信息，后臺可以把環(huán)境信息推送到農戶手機上，為用戶提供參考.今后還可在此基礎上進一步增加專家系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程程技術咨詢、病蟲害遠程診斷等功能.

5結束語

運用無線射頻CC2530芯片為核心組建一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結構簡單、投資成本不高、功耗低、組網(wǎng)比較快、通信非常靈活的特點[6]，同時，基于Internet的Web服務后臺可以提供非常便捷的遠程監(jiān)控功能.該溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)應用到農業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測中，具有很好的實用性.

參考文獻：

[1]張健,阮海清.基于物聯(lián)網(wǎng)的觀賞園藝植物生理檢測系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術,2015,(10)：28-20.

[2]蔡長安,鐘銳,王琪. 基于 SEP3203 的嵌入式串口通信的設計和實現(xiàn)[J].微計算機信息,2008,(8):168-170.

[3]李志強,華新.基于SHT10 的數(shù)字溫濕度計設計[J].廣西輕工業(yè),2007, (10):35-38.

[4]李正民,張興偉,柳宏川.基于CC2530的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].測控技術,2013,(5):25-28.

[5]蔡長安,萬小霞.4種嵌入式實時操作系統(tǒng)的兩種主要技術分析和選擇[J].重慶工商大學學報(自然科學版),2007,(2):161-166.

[6]呂文龍,孫炎輝，白航，等.一種基于ZigBee網(wǎng)絡的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術,2014,(7):78-79.

(責任編校：晴川)

Design of Greenhouse Temperature and Humidity Monitoring System Based on the Internet of Things

CAI Changan

(School of Information Engineering, Yancheng Teachers University, Yancheng Jiangsu 224002, China)

Abstract：For modern agricultural greenhouse production, temperature and humidity monitoring is very important. The wireless sensor nodes based on CC2530 TI and digital temperature and humidity sensor SHT10 are designed. The wireless sensor and remote monitoring system based on ZigBee technology is constructed. The system has good performance, good scalability and low power consumption, and can be widely used in the field of agricultural environment temperature and humidity monitoring

Key Words：temperature and humidity monitoring; ZigBee technology; CC2530; Cortex-A8

中圖分類號:TP212

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0070-03

作者簡介：蔡長安(1964— )，男，江蘇鹽城人，鹽城師范學院信息工程學院高級實驗師，碩士.研究方向：計算機應用.

基金項目：鹽城市科技局科研項目(批準號：YKN2013012).

收稿日期：2015-12-01