智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

龔尚福+潘虹

摘 要： 針對(duì)目前各種智能監(jiān)控系統(tǒng)成本高、使用不方便等特點(diǎn)，提出一種智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用CC2530嵌入式微處理器作為主控芯片，無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建，軟件系統(tǒng)由電腦端的監(jiān)控中心系統(tǒng)和Android移動(dòng)客戶端系統(tǒng)組成，并輔助專家?guī)煊枰灾笇?dǎo)。本系統(tǒng)具有良好的人際交互界面，操作簡(jiǎn)便，成本低，用戶可隨時(shí)隨地監(jiān)控溫室大棚的生產(chǎn)和管理情況，具有實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 智能溫室大棚監(jiān)控； ZigBee技術(shù)； CC2530； Android移動(dòng)客戶端系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN919?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）19?0119?04

Research and design of intelligent greenhouse monitoring system

GONG Shangfu， PAN Hong

（College of Computer Science and Technology， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： According to the characteristics of high cost and inconvenient use of various intelligent monitoring systems， an intelligent greenhouse monitoring system is put forward， in which the CC2530 embedded microprocessor is taken as the main control chip. The ZigBee technology is used to construct the wireless sensor network of the system. The software of the system is composed of the monitoring center system at computer terminal and Android mobile client system， and assisted with expert database for guidance. The system has perfect human?machine interactive interface， easy operation， low cost and high practical value， with which users can monitor the production and management of greenhouse whenever and wherever possible.

Keywords： intelligent greenhouse monitoring； ZigBee technology； CC2530； Android mobile client system

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，但是人口眾多，人均耕地面積少，所以如何提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，最大化地利用耕地面積十分重要。傳統(tǒng)的日照溫室大棚主要采用手動(dòng)來控制，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，且容易受到環(huán)境的干擾，造成植物的收成達(dá)不到理想狀態(tài)[1?2]。所以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)結(jié)合起來，將會(huì)提高農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)是一種按照約定的協(xié)議，通過信息傳感設(shè)備把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化跟蹤、識(shí)別、定位、監(jiān)測(cè)、控制和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3?4]。在智能溫室大棚里，可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用各種傳感器采集土壤濕度、溫度以及空氣濕度、溫度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等參數(shù)值，再通過與預(yù)設(shè)參數(shù)值相對(duì)比，自動(dòng)調(diào)控設(shè)備調(diào)節(jié)溫室環(huán)境中各參數(shù)值，得到植物生長(zhǎng)的最佳條件，使農(nóng)作物增收。

此外，在溫室大棚生產(chǎn)的各個(gè)階段還可以應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。在溫室大棚的準(zhǔn)備階段，用戶可以通過在溫室里布置各類傳感器，實(shí)時(shí)地分析溫室內(nèi)部環(huán)境情況，從而選擇出最適宜種植的品種。在溫室大棚中植物培育階段，用戶可以通過各類傳感器來采集溫室內(nèi)溫濕度、光照強(qiáng)度以及土壤的溫濕度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。在溫室大棚內(nèi)植物收獲后，還可以通過傳感器采集的信息對(duì)不同階段植物的表現(xiàn)和環(huán)境因子進(jìn)行分析，反饋到下一輪的生產(chǎn)中，從而獲得更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，提高農(nóng)民的收入[5?6]。

本文研究并設(shè)計(jì)出的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1） 用戶可以利用手機(jī)隨時(shí)隨地對(duì)溫室大棚進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，使用方便。

（2） 基于Android平臺(tái)的移動(dòng)終端價(jià)格便宜，且現(xiàn)在幾乎人手一部智能手機(jī)，降低成本。

（3） 智能溫室大棚的建設(shè)和使用能夠節(jié)水節(jié)肥，為用戶減少成本，并使得農(nóng)作物增產(chǎn)，增加用戶的收入。

（4） 增加具有豐富知識(shí)的專家?guī)?，為用戶提供農(nóng)作物播種前的品種選擇診斷、生長(zhǎng)條件診斷、病蟲害問題診斷、專家知識(shí)查詢以及和專家交流。

（5） 系統(tǒng)可自動(dòng)控制，這樣避免當(dāng)用戶手機(jī)不在身邊時(shí)，影響溫室環(huán)境的控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 研究方案

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)備控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、監(jiān)控中心模塊和用戶模塊五個(gè)模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊是在溫室大棚內(nèi)布置各類傳感器來采集溫室大棚中各種參數(shù)值；設(shè)備控制模塊是通過控制設(shè)備來調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)各參數(shù)值，達(dá)到有利于植物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境，調(diào)控設(shè)備有卷簾電機(jī)、噴灌設(shè)備、澆灌設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備和照明設(shè)備等；網(wǎng)絡(luò)模塊是將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上，信息的傳輸通過無線傳感網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，無線傳感網(wǎng)主要采用ZigBee技術(shù)來構(gòu)建；監(jiān)控中心模塊對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，可以查看溫室大棚內(nèi)各參數(shù)值，也可以根據(jù)用戶提前輸入的植物生長(zhǎng)所需環(huán)境的目標(biāo)參數(shù)來自動(dòng)調(diào)節(jié)各種設(shè)備；用戶模塊使用戶可以隨時(shí)隨地通過Android平臺(tái)來查看溫室內(nèi)的各種參數(shù)值，并能通過Android平臺(tái)來控制各種設(shè)備。其智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。

1.2 主要參數(shù)

系統(tǒng)主要涉及對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度與CO2濃度的數(shù)據(jù)采集、顯示和調(diào)控。

（1） 溫度。溫室大棚內(nèi)的溫度是影響作物生長(zhǎng)的主要因素，大棚溫度過高時(shí)，打開卷簾電機(jī)放下黑紗遮擋強(qiáng)太陽光，開啟風(fēng)扇；溫度過低時(shí)收起黑紗，打開加溫裝置。

（2） 濕度。溫室大棚內(nèi)的濕度決定了大棚內(nèi)植物生長(zhǎng)的水分，大棚內(nèi)的濕度可以分為兩部分：一部分是土壤濕度；一部分是空氣濕度。當(dāng)土壤的濕度過低時(shí)，打開澆灌設(shè)備進(jìn)行澆水；當(dāng)空氣中的濕度過低時(shí)，打開噴灌設(shè)備進(jìn)行噴灑。大棚內(nèi)濕度過高可以打開通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)，用以降低濕度。

（3） 光照。溫室大棚內(nèi)植物的生長(zhǎng)狀況與光照有著緊密的關(guān)系，需要增加光照強(qiáng)度時(shí)，打開照明設(shè)備并打開卷簾。如果光照強(qiáng)度過強(qiáng)可以通過卷簾電機(jī)放下卷簾來降低光照。

（4） CO2濃度。溫室大棚內(nèi)的CO2濃度一般要保持與大氣中的CO2濃度值一致，無論溫室大棚內(nèi)的CO2濃度過低還是過高，都需要打開通風(fēng)設(shè)備使溫室大棚內(nèi)CO2的濃度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee技術(shù)

由于有線通信方式存在成本高、布線復(fù)雜度高等缺點(diǎn)，所以系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)。目前比較常見的無線通信技術(shù)包括 WiFi，Bluetooth，ZigBee，NFC等通信技術(shù)[7]。對(duì)這幾種通信技術(shù)的比較，如表1所示。

通過表1可知，ZigBee具有成本較低、傳輸速率低、組網(wǎng)能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)的要求[8?9]。由此可見，ZigBee技術(shù)最適合用來組建智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE 802.15.4的近距離、低復(fù)雜度、低功率消耗、低速率和低成本的雙向無線通信技術(shù)[10?11]。在一個(gè)基本的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能不同分為終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[12]。ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖2所示。

該節(jié)點(diǎn)電路的工作流程為：傳感器模塊采集溫室大棚各個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后通過ZigBee協(xié)議無線傳輸?shù)紺C2530單片機(jī)上，再把數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器。

2.2 CC2530

本文選用TI公司的CC2530作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的MCU，CC2530是一款完全兼容的8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機(jī)，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能[13]。它既可以處理數(shù)據(jù)，又可以把收到的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送出去，在大型網(wǎng)絡(luò)中可以大大節(jié)約成本，另外減少了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，相對(duì)比較穩(wěn)定[14?15]。CC2530開發(fā)板原理如圖3所示。

2.3 溫濕度傳感器DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[16]。該傳感器包括電阻式感濕元件和NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)性能很高的單片機(jī)相連接，因此該產(chǎn)品具有響應(yīng)速度超快、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)[17?18]。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝，連接方便[19?20]。DHT11模塊原理如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Android是一款基于Linux內(nèi)核的開源操作系統(tǒng)，由Google主導(dǎo)的開放手機(jī)聯(lián)盟（Open Handset Alliance）開發(fā)，于2007年11月5日發(fā)布第一個(gè)版本，它是一款先進(jìn)的、流行的嵌入式操作系統(tǒng)[21?23]。選擇Android是因?yàn)樗哂虚_發(fā)周期短、技術(shù)先進(jìn)成熟、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且隨著智能手機(jī)的普及，幾乎人手一臺(tái)智能手機(jī)，這降低了開發(fā)智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的成本，也使用戶可以隨時(shí)隨地查看溫室大棚內(nèi)的狀況，使用方便。

移動(dòng)APP采用Java語言編寫，UI設(shè)計(jì)采用Fragement解決多個(gè)頁面展示的問題。該軟件設(shè)計(jì)分為監(jiān)控模塊、控制模塊和專家?guī)烊齻€(gè)模塊。

（1） 監(jiān)控模塊主要用來顯示溫室大棚內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、CO2濃度數(shù)據(jù)。用戶可以通過手機(jī)客戶端隨時(shí)隨地查看溫室大棚內(nèi)的情況。

（2） 控制模塊主要用來控制卷簾設(shè)備、噴灌設(shè)備、澆灌設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備、加溫設(shè)備等。用戶可以通過手機(jī)客戶端來控制設(shè)備，使溫室內(nèi)的各種參數(shù)達(dá)到植物生長(zhǎng)最適宜的值。

（3） 專家?guī)鞛橛脩籼峁┺r(nóng)作物播種前的品種選擇診斷、生長(zhǎng)條件診斷、病蟲害診斷、專家知識(shí)查詢以及和專家交流。便于用戶能實(shí)時(shí)查詢有關(guān)農(nóng)作物的種植技術(shù)，實(shí)時(shí)診斷農(nóng)作物在各個(gè)階段的各種狀況及對(duì)應(yīng)的防治方案，實(shí)時(shí)解決農(nóng)作物出現(xiàn)的問題。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 總 結(jié)

本文設(shè)計(jì)的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

（1） 在傳統(tǒng)的電腦端的監(jiān)控系統(tǒng)上增加了可移動(dòng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了Android手機(jī)監(jiān)控功能，操作方便、用戶界面友好，還可隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)溫室大棚的數(shù)據(jù)和控制設(shè)備；

（2） 設(shè)計(jì)了專家?guī)?，為用戶提供植物的品種選擇診斷、生長(zhǎng)條件診斷、病蟲害診斷以及專家知識(shí)查詢。便于用戶能實(shí)時(shí)查詢有關(guān)農(nóng)作物的種植技術(shù)，實(shí)時(shí)診斷農(nóng)作物在各個(gè)階段的各種狀況及對(duì)應(yīng)的防治方案，實(shí)時(shí)解決農(nóng)作物出現(xiàn)的問題，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，增加農(nóng)民的收入。

設(shè)計(jì)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、成本低、通用性強(qiáng)，不但適用于各類溫室大棚監(jiān)控與管理，而且可以應(yīng)用到智能停車場(chǎng)、智能家居、醫(yī)院病人的病況監(jiān)測(cè)、家禽養(yǎng)殖等，對(duì)智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用起到了有利的推動(dòng)作用。

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