北方后墻體日光溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張維庭，楊宏業(yè)，馮文濤，王 銳

（1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010080；2內(nèi)蒙古禾青科技有限公司，呼和浩特 010110）

北方后墻體日光溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張維庭1，2，楊宏業(yè)1，馮文濤1，2，王 銳1，2

（1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010080；2內(nèi)蒙古禾青科技有限公司，呼和浩特 010110）

針對(duì)北方后墻體日光溫室智能化建設(shè)需要，提出了4層架構(gòu)體系，并設(shè)計(jì)開發(fā)了溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。該方案有別于現(xiàn)有架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，采用4層架構(gòu)，包括底層傳感網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)傳輸匯聚層、綜合服務(wù)層和頂層監(jiān)控應(yīng)用層。ZigBee無線數(shù)據(jù)采集終端和路由器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成底層傳感網(wǎng)絡(luò)層；由NI公司LabVIEW軟件開發(fā)的監(jiān)測軟件和協(xié)調(diào)器構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸匯聚層；服務(wù)器綜合監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)成綜合服務(wù)層；通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的電腦客戶端和手機(jī)移動(dòng)客戶端構(gòu)成監(jiān)控應(yīng)用層。溫室環(huán)境遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室環(huán)境信息（空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度等）的數(shù)據(jù)采集和控制，并可通過電腦客戶端和手機(jī)移動(dòng)客戶端實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)基地的遠(yuǎn)程管理。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，適合于北方后墻體日光溫室的信息化、智能化和集約化建設(shè)需要，具有示范推廣應(yīng)用價(jià)值。

日光溫室；環(huán)境監(jiān)測；ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

農(nóng)業(yè)信息化是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必經(jīng)之路，也是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然產(chǎn)物，更是國家在《十三五規(guī)劃綱要》中的重要組成部分。近年來，內(nèi)蒙古自治區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)已呈現(xiàn)出規(guī)?；图s化的發(fā)展特點(diǎn)。但是，多數(shù)種植企業(yè)仍以人工管理為主要生產(chǎn)管理方式，溫室的信息化建設(shè)相對(duì)滯后。所以，將信息技術(shù)引入到本領(lǐng)域，通過技術(shù)手段來解決高額人工投入的問題已是迫在眉睫。

經(jīng)過對(duì)呼和浩特市及周邊地區(qū)進(jìn)行市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)90%以上的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地信息化建設(shè)仍相對(duì)滯后，對(duì)溫室環(huán)境的測控管理依然沒有擺脫傳統(tǒng)手段，多數(shù)企業(yè)均通過懸掛溫度計(jì)和濕度計(jì)的方式監(jiān)測溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，其管理方式無法滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，還帶來高投入成本，使得種植企業(yè)不堪重負(fù)。

就呼和浩特市而言，現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)尚處于起步階段；在北方后墻體日光溫室中，新一代信息技術(shù)的集成應(yīng)用不足，甚至為零；主要原因是投入太大，市場上現(xiàn)有產(chǎn)品成本高、運(yùn)行費(fèi)用也高，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的推廣應(yīng)用。如何降低投入，減少成本，實(shí)現(xiàn)增值創(chuàng)收，成為當(dāng)前規(guī)?；N植企業(yè)亟待解決的問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Block diagram of remote monitoring system

北方后墻體日光溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖1可知，該系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為4層，底層是傳感網(wǎng)絡(luò)層，由布設(shè)在生產(chǎn)現(xiàn)場各溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集終端和各溫室耳房內(nèi)的路由器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，用來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、顯示、發(fā)送及轉(zhuǎn)發(fā)等功能；中間第一層是數(shù)據(jù)傳輸匯聚層，由種植企業(yè)監(jiān)控中心裝有溫室監(jiān)測軟件的上位機(jī)及通過串行通信線路與之相連的協(xié)調(diào)器構(gòu)成，用來匯聚生產(chǎn)基地所有采集終端采集并上傳的數(shù)據(jù)，并通過TCP/IP協(xié)議將匯聚所得數(shù)據(jù)傳至綜合信息服務(wù)平臺(tái)，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)基地所有溫室內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測、調(diào)控及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；中間第二層是綜合服務(wù)層，核心組成是綜合信息服務(wù)平臺(tái)，用來匯總某地區(qū)所有生產(chǎn)基地的綜合數(shù)據(jù)，通過建立數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及相應(yīng)處理，同時(shí)為用戶進(jìn)行移動(dòng)端的遠(yuǎn)程生產(chǎn)管理提供接口，進(jìn)而為農(nóng)戶、企業(yè)和政府提供綜合信息服務(wù)；頂層是監(jiān)控應(yīng)用層，由可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的電腦客戶端和手機(jī)移動(dòng)客戶端組成，使得底層生產(chǎn)管理者不必身處現(xiàn)場即可進(jìn)行溫室的遠(yuǎn)程生產(chǎn)管理，并可大幅削減管理者在生產(chǎn)過程中的流程［1-4］。

市場現(xiàn)有產(chǎn)品多是基于GPRS技術(shù)，產(chǎn)品在使用過程中需按月繳納網(wǎng)絡(luò)月租費(fèi)用，其系統(tǒng)架構(gòu)僅由底層、中間第二層和頂層構(gòu)成，雖結(jié)構(gòu)較為簡單，但隨之而來的是產(chǎn)品成本和運(yùn)行費(fèi)用的增高以及用戶體驗(yàn)的下降。上文所闡述的監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建方案是針對(duì)北方后墻體日光溫室結(jié)構(gòu)構(gòu)建而成的，系統(tǒng)架構(gòu)在頂層和底層之間增設(shè)了數(shù)據(jù)傳輸匯聚層，解決了數(shù)據(jù)通信擁擠的問題，并在頂層設(shè)計(jì)中增加了移動(dòng)端的軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程管理的操作功能，更符合于現(xiàn)實(shí)需求。并且，系統(tǒng)的使用可進(jìn)一步提高種植企業(yè)生產(chǎn)管理效率，降低人工投入，適合于規(guī)?；⒓s化的生產(chǎn)方式。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件主要由數(shù)據(jù)采集終端、路由器和協(xié)調(diào)器組成。采集終端用來采集溫室內(nèi)空氣中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，并將采集所得數(shù)據(jù)在本地OLED顯示器上進(jìn)行顯示，同時(shí)利用ZigBee無線通信協(xié)議通過路由器節(jié)點(diǎn)將其傳至協(xié)調(diào)器，以進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚及相應(yīng)處理。該終端實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境參數(shù)（空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度）的實(shí)時(shí)采集，成本約為120元（人民幣，下同），而市場上現(xiàn)有產(chǎn)品多是基于GPRS技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)同等功能基礎(chǔ)上成本約為1 000元。

本項(xiàng)目所研制的新產(chǎn)品不僅將價(jià)格降低了50%，而且設(shè)備還不需要運(yùn)行費(fèi)用。并且，終端選用直插式封裝傳感器和干電池供電方式，將兩種傳感器和干電池集于一體，完成了溫室環(huán)境參數(shù)的采集、顯示和傳輸功能，使得終端完全實(shí)現(xiàn)無線連接［5-9］。終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．1 處理器模塊

終端選用主控芯片為CC2530F256RHAR的ZigBee模塊，內(nèi)嵌高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核，符合應(yīng)用環(huán)境對(duì)采集終端低功耗的設(shè)計(jì)需求；工作在2.4 GHz頻段，并擁有適應(yīng)2.4 GHz的RF收發(fā)器；工藝精細(xì)、運(yùn)行穩(wěn)定，空曠環(huán)境下通信距離可在150 m以上，并可實(shí)現(xiàn)掉網(wǎng)自動(dòng)重連。

主控芯片管腳使用說明：P1.0、P1.1分別接LED指示燈以執(zhí)行報(bào)警提示及電源指示功能，P1.6接空氣溫濕度傳感器，P2.1、P2.2接光照強(qiáng)度傳感器，P1.7接TPS61230模塊進(jìn)行電壓監(jiān)測，P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6接OLED液晶顯示模塊。使用Altium Designer 10進(jìn)行采集終端硬件原理圖和印制電路板（PCB）圖設(shè)計(jì)。硬件電路原理圖如圖3所示。

2．2 傳感器模塊

終端選用型號(hào)為DHT22的空氣溫濕度傳感器，選用型號(hào)為BH1750的光照強(qiáng)度傳感器，其測量范圍均滿足溫室內(nèi)測量環(huán)境需求，并且測量精度較高，適合于課題應(yīng)用環(huán)境。兩種傳感器相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Structure of terminal hardware

圖3 硬件電路原理圖Fig．3 Schematic diagram of hardware circuit

表1 兩種傳感器技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of 2 kinds of sensors

2．3 電壓監(jiān)測模塊

終端采用2節(jié)5號(hào)干電池供電，輸出電壓為3 V，同時(shí)使用TPS61230模塊電路對(duì)干電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，使其輸出值穩(wěn)定在2.8—3.0 V之間。隨著電池電量的消耗，電池輸出電壓也隨之降低，當(dāng)其輸出電壓低于1.8 V時(shí)，紅色指示燈亮起，提示低電壓報(bào)警。此時(shí)，兩節(jié)干電池已無法正常供電，更換電池后，系統(tǒng)可繼續(xù)正常工作。為進(jìn)一步滿足低功耗的需求，特在產(chǎn)品右側(cè)方增設(shè)了功能按鍵，用來觸發(fā)OLED液晶屏幕。終端正常運(yùn)行時(shí)屏幕處于暗滅狀態(tài)，倘若管理者需要觀測溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，只需按下按鍵屏幕即可亮起，觀察完畢再次按下按鍵屏幕即可熄滅，若沒有進(jìn)行此項(xiàng)操作，屏幕在30 s后會(huì)自動(dòng)熄滅。PCB圖和實(shí)物圖如圖4、圖5所示。

圖4 PCB圖Fig．4 Printed circuit board

圖5 實(shí)物圖Fig．5 Physical picture

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖6 終端程序流程圖Fig．6 Program flow chart of terminal

使用美國Keil Software公司的Keil μVision 5軟件進(jìn)行采集終端程序開發(fā)，使用美國NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)，使用Java語言在Eclipse軟件環(huán)境下進(jìn)行服務(wù)器平臺(tái)開發(fā)及手機(jī)客戶端開發(fā)。

3．1 硬件程序設(shè)計(jì)

終端在上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括硬件外設(shè)初始化及ZigBee協(xié)議棧初始化；接著進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜尋，與協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)；組網(wǎng)成功后，將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通信協(xié)議發(fā)送至協(xié)調(diào)器；數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，終端處理器立刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個(gè)采集周期自動(dòng)喚醒。程序流程圖如圖6所示。

3．2 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)測控軟件開發(fā)

LabVIEW軟件采用圖形化的編程方式，即G語言，使得程序開發(fā)便捷、有效，并簡化了軟件設(shè)計(jì)流程，便于開發(fā)者進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

3.2.1 軟件功能介紹

本項(xiàng)目選用基于LabVIEW的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測界面設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括登錄界面設(shè)計(jì)及人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。完成的主要功能有：用戶名、密碼登錄界面；溫室監(jiān)測界面的切換功能；各溫室空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的列表和波形圖表顯示功能；對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)數(shù)據(jù)值和上下閾值的比較報(bào)警功能；歷史數(shù)據(jù)查詢功能［10］。上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖7所示。

3.2.2 軟件程序設(shè)計(jì)介紹

采集終端將采集所得數(shù)據(jù)通過路由器節(jié)點(diǎn)傳至協(xié)調(diào)器進(jìn)行匯聚，協(xié)調(diào)器通過串口與上位機(jī)連接，并將匯聚所得數(shù)據(jù)通過串行通信協(xié)議傳至上位機(jī)，在上位機(jī)監(jiān)測軟件執(zhí)行顯示、判斷、報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及反饋控制等功能，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至本地Access數(shù)據(jù)庫，以便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢和分析處理，LabVIEW程序圖如圖8所示。

3．3 綜合信息服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖7 LabVIEW軟件界面Fig．7 LabVIEW software interface

平臺(tái)設(shè)計(jì)分為三大模塊，包括用戶信息管理模塊、溫室信息管理模塊及溫室具體信息管理模塊，其中，溫室具體信息管理模塊又分為數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊和設(shè)備控制模塊。平臺(tái)使用“分級(jí)管理、注冊有效”的設(shè)計(jì)理念，將企業(yè)級(jí)用戶和私人用戶、整片溫室基地和單個(gè)溫室進(jìn)行分別管理；并且，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及信息交互的安全性，所涉及的硬件設(shè)備均需在服務(wù)器平臺(tái)注冊才可投入使用，例如，所有種植企業(yè)監(jiān)控中心安置的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，只有在服務(wù)器平臺(tái)進(jìn)行注冊才能實(shí)現(xiàn)終端與平臺(tái)間的信息交互。上文所述平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，既使得用戶管理和設(shè)備管理更具合理性和便捷性，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性［11］。綜合信息服務(wù)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖9所示。

圖8 LabVIEW程序框圖Fig．8 Block diagram of LabVIEW program

圖9 綜合信息服務(wù)平臺(tái)功能架構(gòu)圖Fig．9 Function chart of integrated information service platform

建立物聯(lián)網(wǎng)集約化設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合信息服務(wù)平臺(tái)，可為規(guī)?；姆N植企業(yè)建立溫室環(huán)境參數(shù)專用數(shù)據(jù)庫，并為政府、企業(yè)、農(nóng)戶提供綜合信息服務(wù)。平臺(tái)可以通過電腦、手機(jī)等信息終端向用戶推送實(shí)時(shí)監(jiān)測信息、預(yù)警信息、公告信息等，反之，生產(chǎn)管理者可通過電腦客戶端和手機(jī)移動(dòng)客戶端訪問綜合信息服務(wù)平臺(tái)，參與到種植企業(yè)的生產(chǎn)管理中，真正實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場集約化、網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程管理。平臺(tái)實(shí)行用戶等級(jí)制登錄方式，將用戶分為超級(jí)用戶、企業(yè)管理員及溫室管理員，用戶權(quán)限等級(jí)相應(yīng)由高到低。圖10為綜合信息服務(wù)平臺(tái)溫室管理員登錄界面。

3．4 手機(jī)客戶端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

基于Android系統(tǒng)的溫室監(jiān)測系統(tǒng)手機(jī)客戶端可對(duì)生產(chǎn)基地進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)測管理，其包含了溫室數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、設(shè)備控制、歷史數(shù)據(jù)查詢及修改管理者信息等功能。編寫Android手機(jī)應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和人機(jī)交互的關(guān)鍵，這種遠(yuǎn)程管理的操作功能，突破了時(shí)空對(duì)作物生產(chǎn)管理的限制，使得管理者不必身處生產(chǎn)現(xiàn)場同樣可實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測管理，進(jìn)一步提高了企業(yè)生產(chǎn)管理效率并大幅度降低人工投入。圖11為歷史數(shù)據(jù)查詢功能界面，用戶可通過選擇管理權(quán)限內(nèi)的溫室編號(hào)和需要查詢的時(shí)間段，即起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，查詢某溫室在某時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)情況，并以曲線圖的形式顯示。可通過點(diǎn)擊曲線圖下方的溫室參數(shù)種類實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線的切換［12-14］。

圖10 綜合信息服務(wù)平臺(tái)溫室管理員登錄界面Fig．10 Greenhouse administrator’s login interface of integrated information service platform

圖11 手機(jī)客戶端應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)監(jiān)測界面Fig．11 Mobile client’s data monitoring interface of application software

4 系統(tǒng)性能測試

為體現(xiàn)整套監(jiān)測系統(tǒng)在遠(yuǎn)程管理的操作功能上所存在的優(yōu)勢，并驗(yàn)證溫室監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、時(shí)效性及整體聯(lián)動(dòng)性，特在呼和浩特市畢克齊項(xiàng)目示范基地選擇四座后墻體溫室進(jìn)行了測試，試驗(yàn)周期為一個(gè)月，觀察分析一個(gè)月內(nèi)軟硬件系統(tǒng)對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、顯示、傳輸及處理情況。

在選定溫室和基地監(jiān)控中心布設(shè)測試所需的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，包括采集終端、路由器、協(xié)調(diào)器及監(jiān)測軟件等。終端節(jié)點(diǎn)將采集周期設(shè)置為10 min，每執(zhí)行一次采集命令就將采集所得的數(shù)據(jù)通過路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至基地監(jiān)控中心協(xié)調(diào)器，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯聚，上位機(jī)監(jiān)測軟件顯示和存儲(chǔ)所接收到的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)以一定數(shù)據(jù)量打包并通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送至服務(wù)器綜合信息服務(wù)平臺(tái)。測試者在基地監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)上觀察基地各溫室的環(huán)境參數(shù)情況，并通過電腦客戶端和手機(jī)移動(dòng)客戶端訪問綜合服務(wù)平臺(tái)以對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

結(jié)果表明，底層傳感網(wǎng)絡(luò)在測試期間可穩(wěn)定執(zhí)行具體功能，能完成溫室環(huán)境參數(shù)的采集、顯示、傳輸及發(fā)送功能，基地監(jiān)測軟件可實(shí)時(shí)接收并處理匯聚所得數(shù)據(jù)，同時(shí)，也能將數(shù)據(jù)存入設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合信息服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，并可通過手機(jī)客戶端對(duì)所選溫室進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。但是，通過觀察后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)列表中存在數(shù)據(jù)紊亂和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率約為0.95%，不過在測試周期內(nèi)誤差在允許范圍內(nèi)。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)成功接收到的數(shù)據(jù)都可在LabVIEW監(jiān)測軟件、電腦客戶端及手機(jī)移動(dòng)客戶端進(jìn)行完整顯示和查詢。而且，基地管理者只需安排1—2人即可對(duì)測試所選溫室進(jìn)行生產(chǎn)管理，不僅將人工投入減少為原來的一半，也在管理效率和管理便捷性上有很大提高。

試驗(yàn)證明，整套溫室遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)工作性能較穩(wěn)定，可靠性較高。系統(tǒng)為終端用戶增加了遠(yuǎn)程管理的操作功能，使得種植企業(yè)在生產(chǎn)管理效率上得以進(jìn)一步提升，并且由于移動(dòng)客戶端和電腦客戶端所帶來的遠(yuǎn)程操作便捷性，使得種植企業(yè)可以大幅減少人工投入，適合于規(guī)模化的種植企業(yè)應(yīng)用，具有較高應(yīng)用價(jià)值。但是，如何繼續(xù)合理布局底層傳感網(wǎng)絡(luò)，完善系統(tǒng)架構(gòu)，如何進(jìn)一步提高監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，并降低數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率是本課題今后的研究重點(diǎn)。試驗(yàn)周期中某一天6 h內(nèi)手機(jī)客戶端顯示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖12—14所示，圖中曲線所描繪的數(shù)據(jù)源于綜合信息服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫。但是，由于靜態(tài)截圖無法體現(xiàn)手機(jī)屏幕的移動(dòng)和縮放功能，而測試曲線在測量區(qū)間內(nèi)量程范圍超出屏幕顯示區(qū)域，故圖12和圖14只顯示出整條曲線其中一段。

圖12 手機(jī)客戶端溫度曲線Fig．12 Temperature curve of mobile client

圖13 手機(jī)客戶端濕度曲線Fig．13 Humidity curve of mobile client

圖14 手機(jī)客戶端光照強(qiáng)度曲線Fig．14 Light intensity curve of mobile client

5 結(jié)論

所研制的智能采集終端應(yīng)用ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)自組織延伸技術(shù)，解決了無GSM網(wǎng)覆蓋地區(qū)的數(shù)據(jù)無線上傳問題。

（2）ZigBee自組織無線傳感網(wǎng)具有無需付費(fèi)、無月租等特點(diǎn)，從根本上解決了使用GSM網(wǎng)絡(luò)所需費(fèi)用高而無法規(guī)模化推廣應(yīng)用的瓶頸問題。

（3）實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)多點(diǎn)、多環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，既解決了信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)的問題，又解決了多個(gè)傳感器級(jí)聯(lián)問題，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性。

基于目前設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)所存在的不足，課題在原有系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行布局，構(gòu)建了如文中所述的4層物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)。其具有穩(wěn)定性高、維護(hù)方便等特點(diǎn)。與現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)相比，有以下幾方面優(yōu)勢：

（1）終端設(shè)備采用超低功耗設(shè)計(jì)理念，完全實(shí)現(xiàn)無線連接，成本低、運(yùn)行費(fèi)用低，使底層傳感網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)備互聯(lián)，并且數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸，錯(cuò)誤率極低。

（2）底層傳感網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)架構(gòu)中的感知層和傳輸層合為一層，使得基于ZigBee技術(shù)的終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸更具有合理性，更體現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備的聯(lián)動(dòng)性。

（3）系統(tǒng)在底層傳感網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器平臺(tái)之間增加了數(shù)據(jù)傳輸匯聚層，為終端與平臺(tái)間的通信增設(shè)緩沖區(qū)，解決了數(shù)據(jù)通信擁擠、實(shí)時(shí)性較差的問題。

（4）系統(tǒng)在頂層設(shè)計(jì)中增加了移動(dòng)端的應(yīng)用軟件開發(fā)，進(jìn)一步突破了時(shí)空對(duì)于生產(chǎn)管理者的限制，并將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中，增強(qiáng)了系統(tǒng)完整性，使得系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用方面更好地滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展需求。

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（責(zé)任編輯：程智強(qiáng)）

The design and implementation of remote monitoring system of heliogreenhouse environment in the north of China

ZHANG Wei-ting1，2，YANG Hong-ye1，F(xiàn)ENG Wen-tao1，2，WANG Rui1，2
（1Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010080，China；2Inner Mongolia Heqing Tchnology Company Limited，Hohhot 010110，China）

According to the requirement of building intelligent heliogreenhouses of rear walls in northern China，a 4-layer framework system is put forward and the remote monitoring system of the greenhouse environment is developed.The scheme different from the existing design ideas adopts the 4-layer framework including a basal sensor network layer，a data transmission convergence layer，an integrated service layer and a top layer of monitoring and application.The basal layer consists of ZigBee wireless data acquisition terminal and router nodes，the data transmission convergence layer includes the monitoring software and coordinator developed via the NI LabVIEW software，the integrated service layer is a comprehensive monitoring platform of server，and both computer clients and mobile clients making remote access through the internet comprise the monitoring and application layer.The remote monitoring system realizes the data acquisition and control of greenhouses’environmental parameters such as air temperature and humidity and light intensity and the remote management of production base through computer clients and mobile clients.The experimental result showed the system runs stably，is suitable for intelligent and intensive heliogreenhouses and so has a certain value of application and extension in northern China.

Heliogreenhouse；Environmental monitoring；ZigBee；IOT technology；Remote monitoring

S625.3

A

1000-3924（2016）06-052-07

2016-05-19

內(nèi)蒙古自治區(qū)應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)資金計(jì)劃項(xiàng)目“ZigBee物聯(lián)網(wǎng)集約化設(shè)施農(nóng)業(yè)智能終端的研制及應(yīng)用示范”（20140114）

張維庭（1992—），男，在讀碩士，研究方向：電子技術(shù)、智能控制。E-mail：312387059＠qq.com