基于GPRS和射頻技術的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

陳曉寧，魏 來，王 健，張 磊，孫潔茹，潘瑞娟

(安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230601)

自20世紀60年代開始，國內(nèi)外就開始大力發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，將先進的無線傳感及計算機技術應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1].農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測是獲取農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的前提[2].文獻[3]設計了基于無線傳感網(wǎng)絡技術的種植環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了設備間的通信，但其中的ZigBee和以太網(wǎng)絡只能滿足小范圍數(shù)據(jù)的交互.文獻[4]設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能無線實時獲取數(shù)據(jù)，由于沒有設計反饋環(huán)節(jié)，當監(jiān)測到環(huán)境信息異常時，不能及時調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù).文獻[5]設計了市電供電的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，由于農(nóng)業(yè)監(jiān)測設備安置在偏遠室外，布線困難，而且供電線路在潮濕的農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)，也有安全隱患.以上研究表明，目前的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)仍然存在距離短、功耗大、誤差大等缺點.鑒于此，筆者設計并實現(xiàn)了一種太陽能供電的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)實時傳回監(jiān)控系統(tǒng)，并通過Web客戶端查看被測節(jié)點的數(shù)據(jù)并及時調(diào)控.

1 系統(tǒng)總體設計

農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由前端采集模塊、中繼傳輸模塊、電源模塊、執(zhí)行器控制模塊、Web客戶端組成，系統(tǒng)的總體結構如圖1所示.中繼傳輸模塊對前端采集的數(shù)據(jù)打包，通過GPRS以無線的方式將數(shù)據(jù)存儲至Mysql數(shù)據(jù)庫，Web客戶端從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)并顯示.用戶可登錄客戶端網(wǎng)頁查看任意時刻不同節(jié)點的環(huán)境參數(shù)，且能遠程控制執(zhí)行器.該系統(tǒng)實現(xiàn)了大棚環(huán)境監(jiān)測的可視化與智能化管理.

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 前端采集模塊設計

前端采集模塊由STM32F103C8T6單片機、傳感器、NRF24L01射頻芯片、電源構成.

為了避免因數(shù)據(jù)融合帶來的誤差，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，采用溫濕度、氣體探測一體化傳感器.該傳感器具有靈敏度高、信號穩(wěn)定、精度高、測量范圍廣、傳輸距離遠等優(yōu)點.傳感器與STM32F103C8T6單片機通過RS485實現(xiàn)遠距離通信.傳感器收到中繼設備發(fā)來的問詢幀后，將包含有效數(shù)據(jù)的應答幀反饋至中繼設備.問詢幀和應答幀中包含校驗碼以確保數(shù)據(jù)的準確.

選擇STM32F103C8T6單片機為主單元，通過SPI串口與NRF24L01射頻芯片進行通信[6].NRF24L01射頻芯片工作在2.4～2.5 GHz頻段，廣泛用于無線通信領域[7].射頻技術相比于藍牙、WiFi、Zigbee等，具有功耗低、抗干擾、可自定義協(xié)議等優(yōu)點[8].

2.2 中繼傳輸模塊設計

中繼傳輸模塊由STM32F103C8T6單片機、GPRS模塊、NRF24L01射頻芯片構成.中繼模塊為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點，處理采集的節(jié)點數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳至后臺服務器.

GPRS模塊選用SIM900A，SIM900A負責將STM32F103C8T6單片機接收的數(shù)據(jù)傳至后臺服務器.SIM900A是一款能在增強型全球移動通信系統(tǒng)(extended global system for mobile，簡稱EGSM)和數(shù)字蜂窩系統(tǒng)(digital cellular system，簡稱DCS)的頻段下工作且支持GPRS多種編碼格式的芯片，內(nèi)部采用ARM926EJ架構，功能強大[9-10].根據(jù)實際情況選擇SIM卡的類型，把SIM卡插入GPRS模塊以供使用.GPRS模塊將采集的數(shù)據(jù)通過AT指令傳給服務器，服務器只需監(jiān)聽固定端口即可接收數(shù)據(jù).

2.3 電源模塊設計

為降低功耗，將太陽能板作為電源.電源輸出電壓為12 V，可直接給傳感器供電.以STM32F103C8T6單片機為核心的控制器的工作電壓為3.3 V，因此需通過三端集成穩(wěn)壓器LM7805將12 V轉(zhuǎn)換為5 V，再由低壓差的線性穩(wěn)壓器AMS1117將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V，供STM32F103C8T6單片機使用.

2.4 執(zhí)行器控制模塊設計

執(zhí)行器控制模塊由STM32F103C8T6單片機、NRF24L01射頻芯片、繼電器和電機構成.NRF24L01射頻芯片接收父節(jié)點(數(shù)據(jù)終端)或中間節(jié)點下發(fā)的控制指令，執(zhí)行器控制模塊接收并解析指令，實現(xiàn)繼電器的導通和閉合.繼電器控制卷簾機、補光燈及噴灌設備的工作狀態(tài).設備動作后，執(zhí)行器控制模塊將反饋的指令傳至其父節(jié)點.

2.5 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

系統(tǒng)網(wǎng)絡采用樹狀拓撲結構，如圖2所示.一個數(shù)據(jù)終端可同時與6個中間節(jié)點進行點對點通信，此時數(shù)據(jù)終端最多可同時接收36個采集節(jié)點的數(shù)據(jù).若6個中間節(jié)點不能夠滿足系統(tǒng)需求，可在數(shù)據(jù)終端與中間節(jié)點之間再增加1級節(jié)點，因此該系統(tǒng)拓撲結構具有很好的擴展性.

圖2 樹狀拓撲結構

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 前端采集軟件設計

前端采集軟件首先對傳感器和STM32F103C8T6單片機進行初始化，然后使STM32F103C8T6單片機與傳感器通過MOUBUS進行通信[11].通信采用主從方式進行，主機(STM32F103C8T6單片機)向從機(傳感器)發(fā)送協(xié)議指令，從機接收指令后采集數(shù)據(jù)，并將包含采集數(shù)據(jù)、校驗碼等信息的數(shù)據(jù)包傳給主機.STM32F103C8T6單片機通過SPI串口與NRF24L01射頻芯片建立連接，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送至數(shù)據(jù)終端.前端采集程序流程如圖3(a)所示.

3.2 中繼傳輸軟件設計

中繼傳輸軟件首先對該模塊進行初始化，然后發(fā)送AT指令使GPRS模塊與后臺服務器建立網(wǎng)絡連接.中繼設備采集上一節(jié)點的數(shù)據(jù)，采集時間可以根據(jù)實際需求進行調(diào)整，該系統(tǒng)設置為每10 min接收1次節(jié)點數(shù)據(jù).中繼設備收到節(jié)點數(shù)據(jù)包后對其進行CRC校驗，如果數(shù)據(jù)正確則通過GPRS模塊傳給后臺服務器，否則舍棄該組數(shù)據(jù)并記錄.數(shù)據(jù)傳輸程序流程如圖3(b)所示.

3.3 執(zhí)行器控制軟件設計

執(zhí)行器控制軟件需要完成模塊初始化和接收中繼設備下發(fā)的控制指令.執(zhí)行器控制軟件可實現(xiàn)對卷簾機、噴灌設備、補光燈等設備的遠程控制，并將反饋信號傳給中繼設備.如果設備工作則停止下發(fā)控制指令，否則繼續(xù)下發(fā)控制指令.閉環(huán)的控制方式保證了控制功能的穩(wěn)定性，執(zhí)行控制程序流程如圖3(c)所示.

圖3 程序流程圖

3.4 Web客戶端設計

基于Spring Boot及Vue框架對Web客戶端的前后端應用進行開發(fā)[12].Web客戶端通過TCP協(xié)議與中繼設備進行通信，實現(xiàn)GPRS初始化、連接、數(shù)據(jù)存儲顯示以及設備的遠程控制等.Web客戶端采用B/S架構，將IntelliJ IDEA作為系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境[13].

后端應用采用效率高、簡單易用的Mysql數(shù)據(jù)庫搭建[14].后端應用基于SpringBoot和Mybatis框架，通過Socket與數(shù)據(jù)庫建立連接.后端應用設置TCP協(xié)議、服務器IP地址及端口號.中繼設備發(fā)送連接請求，后端應用收到連接請求后，以字節(jié)流的方式讀取數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)前端需求提供相應的接口.

前端應用使用Vue集成的Element UI組件進行網(wǎng)頁搭建，便于后期系統(tǒng)的優(yōu)化[15].用戶通過網(wǎng)絡請求訪問前端應用，前端應用通過Ajax方式訪問后端應用.后端應用對數(shù)據(jù)庫進行增刪改查，數(shù)據(jù)庫將增刪改查結果集以JSON格式傳給前端應用，然后進行顯示.數(shù)據(jù)交互過程如圖4所示.

圖4 數(shù)據(jù)的交互

用戶可以通過賬號與密碼登錄監(jiān)控系統(tǒng).主界面將同一時刻不同節(jié)點的數(shù)據(jù)以表格的形式顯示，將不同時間的數(shù)據(jù)以折線圖的形式顯示，數(shù)據(jù)的對比及趨勢一目了然.通過主界面可監(jiān)測參數(shù).界面上放置Button控件，用于向下位機發(fā)送控制請求.系統(tǒng)的主界面如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)主界面

4 實驗結果及分析

筆者設計了大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并制作出相關設備.設備布置后進行實地測試，實驗場地為安徽省阜南縣食用菌大棚種植基地.大棚設置3個傳感器監(jiān)測點，分別位于大棚的前、中、后.設備外殼使用了密封圈，能安全應用于大棚潮濕環(huán)境.現(xiàn)場布置了前端采集設備和中繼設備，二者固定在亞克力板上，再安置于監(jiān)測點，如圖6所示.

圖6 現(xiàn)場布置的設備

傳統(tǒng)監(jiān)測采用溫度計、濕度計、CO2檢測儀測量數(shù)據(jù).表1為該文監(jiān)測系統(tǒng)測量的結果與傳統(tǒng)監(jiān)測的對比.

表1 該文監(jiān)測系統(tǒng)測量的結果與傳統(tǒng)監(jiān)測的對比

以傳統(tǒng)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)為實際值，則由表1數(shù)據(jù)計算可得：1號監(jiān)測點的濕度、溫度、CO2濃度誤差分別為0.359%，0.054%，0.286%;2號監(jiān)測點的濕度、溫度、CO2濃度誤差分別為0.788%，0.214%，0.305%;3號監(jiān)測點濕度、溫度、CO2濃度誤差分別為0.434%，0.158%，0.311%.以上誤差均不超過1%，可見該系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)有較高的準確性，系統(tǒng)達到設計要求.

5 結束語

筆者以STM32F103C8T6單片機為核心，結合傳感器、NRF24L01射頻芯片和GPRS模塊以及Web客戶端，設計了監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的系統(tǒng).實現(xiàn)了濕度、溫度、CO2濃度數(shù)據(jù)的采集傳輸.通過Web客戶端能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線存儲及顯示、設備的遠程控制.該監(jiān)測系統(tǒng)滿足了測、記、分析一體化需求，具有應用推廣價值.