智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊代利, 陸川

(1. 四川文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 達(dá)州 635000 2. 成都市六二五科技有限公司, 成都 611730)

智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊代利1, 陸川2

(1. 四川文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 達(dá)州 635000 2. 成都市六二五科技有限公司, 成都 611730)

為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化種植，基于單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、Android技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物生長環(huán)境因素的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并將實(shí)時(shí)參數(shù)通過手機(jī)APP客服端直觀形象呈現(xiàn)給用戶，且可以設(shè)置參數(shù)報(bào)警閾值，及時(shí)提醒用戶，用戶可選擇智能模式或者手動(dòng)模式遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長環(huán)境因素。

單片機(jī)； 傳感器； ZigBee； APP； 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)； 智能模式

0 引言

當(dāng)今，農(nóng)業(yè)科技水平不發(fā)達(dá)，農(nóng)民主要依靠經(jīng)驗(yàn)種植農(nóng)作物，很少針對(duì)農(nóng)作物生長情況、土壤成分、害蟲防治等進(jìn)行科學(xué)分析后，合理使用農(nóng)藥化肥。當(dāng)前，我國農(nóng)藥使用量追年遞增，已成為世界第二大農(nóng)藥使用國，尤其是生長周期短的蔬菜、瓜果類食品，由于蟲害多，往往大量使用農(nóng)藥防止病蟲害，農(nóng)藥殘留量較多。因此，解決農(nóng)藥超標(biāo)使用和亂使用，合理使用農(nóng)藥促進(jìn)農(nóng)作物生長，是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的重要問題。

同時(shí)，在過去的幾年，由于技術(shù)落后的限制，過度消耗了有限的資源，大規(guī)模的使用農(nóng)藥、化肥等物品，破壞了生態(tài)平衡，污染了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。以致近年我國各地水質(zhì)污染現(xiàn)象和地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，水土流失、草地退化、土壤沙等整體仍未遏制，應(yīng)當(dāng)引起重視。除此之外，現(xiàn)在的大規(guī)模的農(nóng)業(yè)機(jī)械，都需要經(jīng)過培訓(xùn)的高技術(shù)人才才能正確使用，對(duì)普通農(nóng)民來說具有很大的挑戰(zhàn)性，也注定無法大面積普及。并且我國的生物學(xué)家緊缺，普通農(nóng)民根本不知道該如何科學(xué)的施灑農(nóng)藥、化肥等，只能通過經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行估計(jì)判斷，不具有科學(xué)性，更加劇了農(nóng)作物減產(chǎn)的進(jìn)程。

智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室大棚里的實(shí)時(shí)溫度、濕度，土壤水分，光照強(qiáng)弱，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)綜合分析大棚的各種參數(shù)指標(biāo)判斷是否適合作物生長以及是否有病蟲害，并進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)。農(nóng)業(yè)專家能遠(yuǎn)程指導(dǎo)農(nóng)戶，農(nóng)戶也能精確了解農(nóng)作物的生長環(huán)境；如此可以減少農(nóng)藥的濫用，不僅保護(hù)了環(huán)境，也提供了營養(yǎng)無害的農(nóng)作物產(chǎn)品。

1 智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用和需求分析

農(nóng)作物賴以生存的環(huán)境主要包括：、生長環(huán)境溫度、濕度、光照度、土壤水分含量、土壤營養(yǎng)成分含量以及鹽堿度、空氣二氧化碳濃度。合理調(diào)節(jié)這些環(huán)境因素，才能促進(jìn)農(nóng)作物生長得更好。因此，智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)就必須依靠各種傳感器如光敏、溫濕度和土壤水分傳感器，收集作物環(huán)境中的各種參數(shù)信息，存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，供專家和農(nóng)戶分析統(tǒng)計(jì)，然后根據(jù)分析結(jié)果給出合理的控制參數(shù)信息，設(shè)置作物環(huán)境中各種參數(shù)的閥值，當(dāng)環(huán)境中的參數(shù)越過閥值時(shí)，負(fù)反饋給帶控制功能的節(jié)點(diǎn)，改變相對(duì)應(yīng)繼電器的狀態(tài)，如光線過暗，就打開燈變亮；土壤缺水，就打開水泵或滴灌補(bǔ)水；二氧化碳濃度降低，就控制繼電器動(dòng)作，打開換氣窗，以促使二氧化碳含量回到正常范圍。

2 智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)結(jié)合單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、Android技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)其功能。傳感器采集生產(chǎn)現(xiàn)場各種參數(shù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換和初步處理，通過ZigBee無線通信技術(shù)上傳至上位計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器；服務(wù)器可以把所有的歷史數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)起來，通過終端如手機(jī)APP，將數(shù)據(jù)直觀形象呈現(xiàn)出來，農(nóng)業(yè)專家以及農(nóng)戶可以利用當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)分析農(nóng)作物生長情況以便合理對(duì)農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)具有以下功能：

(1)通過終端設(shè)備如電腦、手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚溫室的空氣溫度、濕度、光照度、土壤水分等實(shí)時(shí)環(huán)境因素。

(2)系統(tǒng)根據(jù)不同溫室農(nóng)作物設(shè)置相應(yīng)的環(huán)境因素上下限值，一旦超過設(shè)定值，系統(tǒng)可以通過電腦或者手機(jī)APP客戶端發(fā)出警報(bào)，提醒管理人員，同時(shí)管理者可以選擇智能控制或自己手動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境因素，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)系統(tǒng)通過先進(jìn)的遠(yuǎn)程工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)，讓用戶足不出戶遠(yuǎn)程控制溫室設(shè)備。

(4)用戶可以通過該智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)客戶端，隨時(shí)隨地查看自己負(fù)責(zé)溫室的環(huán)境參數(shù)，客戶可以通過手機(jī)在任意地點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

該系統(tǒng)為B/S三層結(jié)構(gòu)，主要分為客戶端、遠(yuǎn)程服務(wù)器和硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程框圖,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.2 智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、管理服務(wù)層、應(yīng)用層四層組成。感知層實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物生長環(huán)境的各種參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)層主要為感知層和管理服務(wù)層提供鏈接鏈路，傳輸環(huán)境參數(shù)。管理服務(wù)層整合和利用由網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。應(yīng)用層手機(jī)APP終端使各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)簡單化，可控制簡單化，圖形化的界面讓普通用戶都能很方便的使用。

2.2.1 感知層

本系統(tǒng)把CC2530F256與zigbee協(xié)議棧(Z-StackTM)相結(jié)合，在zigbee協(xié)議?；A(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，技術(shù)成熟，成本低，在業(yè)界智能產(chǎn)品中被廣泛使用，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高。該系統(tǒng)使用CC2530F256引腳P1_1、P1_1、P1_4、P0_1控制指示燈，其中LED1是可以使用PWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)光；P0_2、P0_3作為RJ232串口通信口；P0_5作為光敏電阻的信號(hào)輸入口；P0_6作為溫濕度傳感器DHT22信號(hào)輸入口，P0_7作為土壤水分傳感器的信號(hào)輸入口；P0_11作為繼電器的信號(hào)輸出口。該系統(tǒng)中主要使用了土壤水分傳感器、溫濕度DHT11、光敏電阻傳感器；光敏電阻主要用于采集光照度，DHT22可以同時(shí)測(cè)量環(huán)境中的溫度和濕度，土壤水分傳感器檢測(cè)土壤濕度。使用Altium Designer軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和PCB板繪制。

2.2.2 原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)共分為5個(gè)部分,如圖2、圖3所示。

核心板、供電模塊、穩(wěn)壓模塊、傳感器模塊、串口收發(fā)模塊。系統(tǒng)使用5 V供電，經(jīng)過穩(wěn)壓模塊將電壓變成3.3 V的穩(wěn)定輸入電壓，為核心板供電。其中繼電器需要5 V電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，DHT22為提高精確度必須要加上一個(gè)5K的上拉電阻，光敏電阻應(yīng)該接一個(gè)R1=10K的參照電阻，通過ADC采集到模擬電壓Va，利用公式：R光=Va/(3.3-Va)/R1就可以得到光敏電阻隨光照強(qiáng)度而改變的電阻值。

2.2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器只需要使用3.3 V驅(qū)動(dòng)CC2530核心模塊就可以使協(xié)調(diào)器開始工作，CC2530UART0的RX和TX分別與CH340的RX與TX相互反接，才能使用RJ232進(jìn)行串口與上位機(jī)通信。協(xié)調(diào)器具有3個(gè)功能。

(1)使用ZigBee協(xié)議棧與所有的終端節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)；

(2)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的各種數(shù)據(jù)，包括各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度、繼電器開關(guān)狀態(tài)、是否啟用智能模式等信息，通過串口傳輸數(shù)據(jù)給上位機(jī)；

(3)接收從串口發(fā)送到的數(shù)據(jù)指令并接收數(shù)據(jù)，根據(jù)解析到地址發(fā)給控制終端節(jié)點(diǎn)。

2.2.4 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)分為兩類，一種是采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，一種是和繼電器相連接的控制節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)有一個(gè)溫濕度傳感器DHT22，光敏電阻，土壤水分傳感器，終端節(jié)點(diǎn)每隔5s向協(xié)調(diào)器發(fā)送一次采集到的所有數(shù)據(jù)，控制節(jié)點(diǎn)上設(shè)有一個(gè)繼電器，用與控制各種設(shè)備的開關(guān)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有智能模式和用戶模式：

(1)用戶模式下，當(dāng)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)超出設(shè)置的閥值時(shí)，APP客戶端會(huì)發(fā)出警報(bào)，用戶可以通過查看即時(shí)的傳感器采集的數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前環(huán)境是否適合農(nóng)作物生長，然后遠(yuǎn)程控制繼電器的開關(guān)，打開對(duì)應(yīng)的設(shè)備，當(dāng)環(huán)境指標(biāo)回到正常狀態(tài)，再手動(dòng)關(guān)閉繼電器。

(2)智能模式下，當(dāng)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)超出閥值時(shí)，APP客戶端并不會(huì)發(fā)生警報(bào)，而至自動(dòng)控制繼電器，改變環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，到再次達(dá)標(biāo)時(shí)，繼電器也智能改變狀態(tài)。

圖2 電路設(shè)計(jì)

圖3 PCB設(shè)計(jì)

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是傳遞數(shù)據(jù)，如何讓硬件設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)無差錯(cuò)的傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程服務(wù)器中。本系統(tǒng)包含兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一是由所有硬件設(shè)備自組成的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，一是將節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的傳統(tǒng)INTERNET網(wǎng)絡(luò)。

2.3.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Zigbee協(xié)議是一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與控制協(xié)議，主要用于傳輸控制信息，數(shù)據(jù)量相對(duì)來說比較小，一般用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來盡量保證數(shù)據(jù)可以沿著不同的傳輸路徑到達(dá)目的地址。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)傳輸，具有良好的可靠性和安全性，為整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供底層的保障。2.3.2 TCP/IP通信

硬件要將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到APP客戶端，必須要經(jīng)過上位機(jī)和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，APP客戶端發(fā)送的控制指令，同樣也要經(jīng)過服務(wù)器的編譯處理，然后通過上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)相應(yīng)協(xié)議規(guī)范解析指令，控制終端節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器和上位機(jī)使用RJ232進(jìn)行串口通信，協(xié)調(diào)器向串口發(fā)送固定長度的字符串格式數(shù)據(jù)，上位收到數(shù)據(jù)后通過SOCKET與服務(wù)器進(jìn)行及時(shí)通信。服務(wù)器把收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到mysql中，APP通過HTTP請(qǐng)求向服務(wù)器請(qǐng)求當(dāng)前節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。APP發(fā)送控制指令給服務(wù)器，服務(wù)器以同樣的方式轉(zhuǎn)發(fā)給硬件設(shè)備，達(dá)到控制的目的。系統(tǒng)的通信協(xié)議如下：

設(shè)置閥值：安卓手機(jī)發(fā)送指令

0X00 起始標(biāo)示位

0X—(溫度下限符號(hào)位，00為零上，01為零下)

0X—(溫度下限值整數(shù)部分)

0X—(溫度下限值小數(shù)部分)

0X—(溫度上限符號(hào)位)

0X—(溫度上限值整數(shù)部分)

0X—(溫度上限值小數(shù)部分)

0X—(濕度下限值整數(shù)部分)

0X—(濕度下限值小數(shù)部分)

0X—(濕度上限值整數(shù)部分)

0X—(濕度上限值小數(shù)部分)

0X—(光強(qiáng)下限值)

0X—(光強(qiáng)上限值)

0X—(土壤濕度下限值)

0X—(土壤濕度上限值)

0XFF 結(jié)束標(biāo)示位

設(shè)置手動(dòng)或者自動(dòng)模式：

0X01 起始標(biāo)志位

0X—(01為手動(dòng)模式，00為自動(dòng)模式)

0X00 結(jié)束標(biāo)志位

默認(rèn)值：0x01 0x000x00

PWM調(diào)光(安卓手機(jī)控制)

0X02 0XFF

0X-(范圍0x00～0xFF)

控制節(jié)點(diǎn)：安卓手機(jī)發(fā)送指令(手機(jī)權(quán)限更大)

0X03 0XFF

0X—(00為關(guān)閉繼電器，01為打開繼電器)

數(shù)據(jù)傳輸格式(char)：

第1位：0表示傳輸采集的數(shù)據(jù)，1表示響應(yīng)上位機(jī)

第2～3位：節(jié)點(diǎn)編號(hào)

第4位：溫度的符號(hào) 1表示正，0表示負(fù)2表示操作成功 3表示操作失敗

第5～7位：表示溫度值 表示對(duì)應(yīng)的命令編號(hào)，級(jí)命令的第一個(gè)字節(jié)的值

第8～10位：表示濕度值

第11～13位：表示光強(qiáng)值

第14～16位：表示土壤濕度值

第17位：表示有無人(1為有人，0為無人)

如：00212536551170681表示：節(jié)點(diǎn)02,收集的溫度為25.3，濕度為65.5%，光強(qiáng)為117，土壤濕度為68，有人在附近2.4 管理服務(wù)層

在該系統(tǒng)中，管理服務(wù)層是指服務(wù)器。服務(wù)的作用，至關(guān)重要，服務(wù)器擔(dān)任的角色，首先服務(wù)器是數(shù)據(jù)的倉庫，服務(wù)器把從APP客戶端發(fā)送而來的指令或上位機(jī)發(fā)送而來的節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MYSQL數(shù)據(jù)庫中，方便查詢和數(shù)據(jù)持久化，生物學(xué)家可隨時(shí)觀看和分析。另外，服務(wù)器也是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，上位機(jī)和服務(wù)進(jìn)行Socket通信，而APP與服務(wù)器進(jìn)行以C/S模式進(jìn)行HTPP訪問請(qǐng)求方式通信，APP客戶端每隔5S向服務(wù)器發(fā)送一次訪問請(qǐng)求，服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫，按照一定的格式把把各種參數(shù)信息組織起來。服務(wù)器通過JavaWeb進(jìn)行編寫，同時(shí)支持HTTP請(qǐng)求和Socket連接。為了數(shù)據(jù)的一致性，兩種請(qǐng)求的都只能操作同一個(gè)數(shù)據(jù)庫，從同一個(gè)數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)。服務(wù)器流程圖,如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

2.5 應(yīng)用層

該系統(tǒng)直觀形象的把采集的數(shù)據(jù)體現(xiàn)到APP客戶端上，在APP客服端上以各種圖表的方式把數(shù)據(jù)整合起來供用戶觀看，APP可以看到采集節(jié)點(diǎn)所采集的及時(shí)數(shù)據(jù)，可以查看節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化，還可以設(shè)置節(jié)點(diǎn)的智能模式；還可以改變節(jié)點(diǎn)的繼電器的狀態(tài)，可控制燈光亮度。APP截圖,如圖5所示。

圖5 APP操作界面截圖

3 總結(jié)

本系統(tǒng)的硬件層設(shè)計(jì)是對(duì)Zigbee協(xié)議棧進(jìn)行二次開發(fā)，在原有的基礎(chǔ)上增添各種功能，保持底層結(jié)構(gòu)不改變，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)就是依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過各種無線傳感器實(shí)時(shí)收集農(nóng)作物生長環(huán)境的光照、溫度、濕度等參數(shù)，而對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控以及調(diào)節(jié)控制，從而達(dá)到增產(chǎn)增收、節(jié)約資源以及作物多樣化及保障安全。

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The Design of Intelligent Agricultural Control System

Yang Daili1,Lu Chuan2

(1. Sichuan University of Arts and Science Department of Computer,Dazhou 635000,China;2. Chengdu 625 Science and Technology Co.,Ltd,Chengdu 611730,China)

In order to improve the efficiency of agricultural production and realize scientific planting, Based on single chip computer technology,sensor technology, ZigBee technology, Android technology and network technology, this paper designed a remote agricultural control system. The control system can realize the remote monitoring of the environmental factors of crop growth. And the real time parameters, through the mobile phone APP, were intuitivly and vividly presented to users. Operator can set alarm threshold of the parameters to remind users, Users can choose intelligent mode or manual mode to remotly regulate environment factors of crop growth.

Single chip computer; Sensors; ZigBee; APP; Computer network; Intelligent mode

楊代利(1985-),男,助教,碩士,研究方向：智能控制、物聯(lián)網(wǎng) 達(dá)州 635000 陸 川(1990-),男,學(xué)士學(xué)位,研究方向：物聯(lián)網(wǎng) 成都 611700

1007-757X(2017)01-0035-04

TP311

A

2016.04.30)