基于物聯(lián)網(wǎng)的水培控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田博 嚴(yán)李強(qiáng) 梁煒恒 李統(tǒng)

摘 要：惡劣的自然條件一直制約著西藏地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，但很多地方引入的溫室大棚起到了很好的彌補(bǔ)作用。文中嘗試在室內(nèi)水培種植模式的基礎(chǔ)上引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以ZigBee作為室內(nèi)傳輸協(xié)議，通過串口通信與STM32相連接，用GPRS網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進(jìn)行信息交互，用戶可以直接通過移動(dòng)終端獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程測(cè)控農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境狀態(tài)，為西藏現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)增加了一種新的種植管理方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模式不僅能夠?qū)λ喔鱾€(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制，而且整體操作相對(duì)簡(jiǎn)單，在西藏地區(qū)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水培;物聯(lián)網(wǎng);ZigBee;GPRS;遠(yuǎn)程控制;加密

中圖分類號(hào)：TP391;TN609;TN99文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

西藏海拔4 000 m以上的地區(qū)降雨量少，水源不足，年均溫度低，作物生長(zhǎng)期短，多數(shù)農(nóng)作物在傳統(tǒng)的種植方式下生長(zhǎng)困難。因此，發(fā)展可以緩解現(xiàn)狀的水培種植技術(shù)尤為重要。目前，西藏引入的溫室種植技術(shù)很好地克服了氣候問題，但仍存在環(huán)境不能精確控制、技術(shù)操作繁瑣等不足，在一定程度上制約著西藏農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，如何精確控制農(nóng)作物環(huán)境、提高農(nóng)業(yè)信息化水平成為目前西藏農(nóng)業(yè)研究的重大問題之一。

國外的水培技術(shù)被稱為水耕栽培，所屬范疇為無土栽培。水耕栽培的最早概念源自1840年無機(jī)質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說（Mineraltheory），該學(xué)說[1]認(rèn)為植物的根可以吸收溶解在水中的無機(jī)質(zhì)物。1859—1865年，德國科學(xué)家Sachs和Knop通過做植物的成分分析得知N、P、K、Ca、Mg、S、Fe為植物生長(zhǎng)必要元素[2]，并以這些元素組成的化學(xué)物質(zhì)溶解于水中，將植物根浸在溶液中實(shí)驗(yàn)水培技術(shù)，并獲得成功。半個(gè)世紀(jì)以后，美國加州大學(xué)W.F.Gericke由生理試驗(yàn)的水耕改變?yōu)闋I養(yǎng)栽培的水培，并定名為水耕栽培[3]。第二次世界大戰(zhàn)期間，美軍在太平洋島出現(xiàn)蔬菜供應(yīng)困難，后采用水耕栽培技術(shù)從事生產(chǎn)。戰(zhàn)后駐日美軍也在東京設(shè)置了22公頃[4]的水耕栽培基地，故日本在水耕栽培技術(shù)方面有所發(fā)展。

我國水培技術(shù)的研究應(yīng)用起步較晚，但生豆芽、種水仙這些較原始的無土栽培技術(shù)卻有悠久的歷史，近幾十年才開始較正規(guī)的科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)70年代后期，山東大學(xué)首先開始用蛭石栽培黃瓜、西紅柿等，都取得了成功。20世紀(jì)80年代中期，進(jìn)口的溫室及無土栽培設(shè)施相繼投產(chǎn)。隨著改革開放的深入和人民生活水平的不斷提高，蔬菜生產(chǎn)已經(jīng)從過去的追求高產(chǎn)向優(yōu)質(zhì)且高產(chǎn)方向發(fā)展，人們對(duì)綠色無公害食品的呼聲越來越高。在此形勢(shì)下，無土栽培在全國各地蓬勃興起，迅速從研究階段進(jìn)入生產(chǎn)階段[5]。

綜上所述，水培系統(tǒng)具有很大的發(fā)展空間，同時(shí)存在許多難題。本文采用Android平臺(tái)客戶端解析發(fā)送數(shù)據(jù)和ZigBee傳輸數(shù)據(jù)相結(jié)合的構(gòu)思，使得水培系統(tǒng)具有了人力資源耗費(fèi)少、獲取水培信息效率高、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。以GPRS作為無線通信的基礎(chǔ)，用戶通過移動(dòng)終端來實(shí)時(shí)獲取水培的各項(xiàng)信息，并對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制，從而調(diào)控各項(xiàng)數(shù)據(jù)，或者在移動(dòng)終端設(shè)置環(huán)境因子范圍進(jìn)行自控，實(shí)現(xiàn)較為智能的水培管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是形成一個(gè)既可以在家庭小規(guī)模種植使用，也可以在大棚中大規(guī)模使用的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)水培控制系統(tǒng)。其總體設(shè)計(jì)的要求是實(shí)現(xiàn)對(duì)水培過程中溫度、濕度、光照、營養(yǎng)液成分的自動(dòng)控制功能。在目前的操作過程中，水培過程中的溫濕度可以通過溫濕度傳感器檢測(cè)，但營養(yǎng)液濃度、二氧化碳濃度的檢測(cè)較為困難，且檢測(cè)儀器成本普遍較高。因此，本文通過APP控制本系統(tǒng)的所有基本功能。系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸方式選用GPRS通信技術(shù)，因?yàn)槟壳霸摷夹g(shù)在我國的研究和開發(fā)相當(dāng)成熟，且已廣泛覆蓋于家庭。近年來，隨著智能手機(jī)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的飛速發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)非常普及。根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IDC發(fā)布的智能手機(jī)市場(chǎng)報(bào)告來看，2019年安卓手機(jī)占87%市場(chǎng)份額，故智能生態(tài)水培系統(tǒng)的移動(dòng)終端我們基于Android系統(tǒng)的智能手機(jī)進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是用STM32作為信息的樞紐，向上進(jìn)行信息的交互，向下進(jìn)行各種節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集以及硬件工作控制。向上交互主要是借助GPRS傳出信息到數(shù)據(jù)服務(wù)器;向下控制是STM32通過解析用戶使用移動(dòng)客戶端發(fā)送到服務(wù)器再通過GPRS傳輸?shù)絊TM32的數(shù)據(jù)后，通過控制繼電器開關(guān)來達(dá)到控制外接光照、營養(yǎng)液供給裝置的工作狀態(tài)等目標(biāo)。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)，其具有高性能、低成本以及超低功耗和高代碼效率[6]等優(yōu)點(diǎn)。STM32按內(nèi)核架構(gòu)可以分為多個(gè)系列，其中STM32F系列主要有“增強(qiáng)型”系列STM32F103、“基本型”系列STM32F101、“互聯(lián)型”系列STM32F107和STM32F105，上述“增強(qiáng)型”系列是性能最高的產(chǎn)品，其時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72 MHz。

2.2 ZigBee 組網(wǎng)

ZigBee組網(wǎng)方式主要有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其選擇主要取決于具體的應(yīng)用領(lǐng)域。在ZigBee無線組網(wǎng)過程中，不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置方案不同。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的類型主要有協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，具體配置根據(jù)需要決定。

本系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，該結(jié)構(gòu)具有控制簡(jiǎn)單、故障易診斷等優(yōu)點(diǎn)。該組網(wǎng)方式中的中央控制節(jié)點(diǎn)直接或間接與其他所有分節(jié)點(diǎn)相連接，從而利用較為簡(jiǎn)單的協(xié)議進(jìn)行所有節(jié)點(diǎn)的控制，便于網(wǎng)絡(luò)管理和監(jiān)控。此外，中央控制節(jié)點(diǎn)可以在不影響其他節(jié)點(diǎn)正常工作的情況下，對(duì)單節(jié)點(diǎn)連接線路逐一隔離，并進(jìn)行故障檢測(cè)和定位，從而較為方便地對(duì)各個(gè)站點(diǎn)提供服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)重新配置。

2.3 無線通信模塊

SIM800A是一款高性能工業(yè)級(jí)無線傳輸模塊，主要優(yōu)點(diǎn)是功耗低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等。在系統(tǒng)中，該模塊主要用來完成STM32單片機(jī)與服務(wù)器之間的信息交互。服務(wù)器把信息發(fā)送給GPRS模塊，模塊接收、處理后轉(zhuǎn)發(fā)給STM32單片機(jī)，單片機(jī)分析后通過串口通信方式發(fā)送到各節(jié)點(diǎn)，從而控制各節(jié)點(diǎn)設(shè)備。反之，無線通信模塊接收到STM32傳輸?shù)乃喹h(huán)境參數(shù)信息后，將其分析、打包后通過GPRS發(fā)送到服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的交互。

2.4 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee是一種短距離、低速率無線組網(wǎng)通信技術(shù)，具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力[7]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點(diǎn)按照功能不同一般可劃分為3種類型：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端節(jié)點(diǎn)[8]（End Device）。協(xié)調(diào)器是核心節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的正常建立與運(yùn)行，并將各終端節(jié)點(diǎn)連接的傳感器所采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至STM32。與傳感器相連的ZigBee模塊在加入網(wǎng)絡(luò)后，主要負(fù)責(zé)控制終端子節(jié)點(diǎn)上的傳感器采集水培環(huán)境參數(shù)信息，或調(diào)節(jié)各個(gè)調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)，必要時(shí)終端節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)降低電路功耗。本系統(tǒng)使用ZigBee 通信技術(shù)，主要是考慮到ZigBee技術(shù)的強(qiáng)穿透能力和高抗干擾能力。而且其不用另配置通信電纜，只需通過構(gòu)建Mesh-network網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[9]保障各檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)覆蓋，及控制及時(shí)性。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.5 傳感器系統(tǒng)模塊

（1）空氣溫濕度傳感器

本系統(tǒng)采用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。它具有超小的體積、極低的功耗、較為精確的測(cè)量數(shù)值以及卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器由1個(gè)高性能8位單片機(jī)與1個(gè)電阻式感濕元件和1個(gè)NTC測(cè)溫元件連接而成，外有4針單排引腳封裝，連接極其方便。

（2）光敏傳感器

光敏傳感器是對(duì)外界光信號(hào)或光輻射有響應(yīng)或轉(zhuǎn)換功能的敏感裝置。本系統(tǒng)所采用的光敏電阻傳感器主要通過感應(yīng)光線的明暗變化，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，再由簡(jiǎn)單電子線路放大處理，從而實(shí)現(xiàn)控制。它的敏感波長(zhǎng)在可見波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。

（3）溶解性總固體測(cè)量工具

溶解性總固體（Total Dissolvesd Solpds，TDS）的測(cè)量單位為mg/L，它表明1 L水當(dāng)中含有可溶解固體物質(zhì)的含量。本系統(tǒng)使用的測(cè)量工具是TDS筆。它采用電導(dǎo)電極法測(cè)量水的電導(dǎo)率，由于水的電導(dǎo)率和TDS值成正比例關(guān)系，因此可間接測(cè)量TDS值[10]。在物理意義上，水中溶解物越多，水的TDS就越大，水的導(dǎo)電性也越好，其導(dǎo)電率值也越大。

2.6 數(shù)據(jù)傳輸防篡改加密方案設(shè)計(jì)

為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被他人以非正當(dāng)手段篡改而出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，導(dǎo)致對(duì)STM32單片機(jī)等硬件以及農(nóng)作物造成的不可逆損壞;再加上由于MD5算法使用C語言（硬件代碼部分）和Java語言（Android客戶端開發(fā)部分）實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳輸方案是利用MD5加密明文數(shù)據(jù)，并將兩次數(shù)據(jù)間隔發(fā)送來判斷數(shù)據(jù)是否被篡改。

由于MD5的不可逆特性，本系統(tǒng)將明文數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的關(guān)鍵字提取算法，在字符串的前、中、尾各取出部分?jǐn)?shù)據(jù)，組成新的字符串A。之后將新的字符串A進(jìn)行MD5加密得到MD5（A），并將MD5（A）傳輸?shù)较乱粚?。間隔3 s后，將明文數(shù)據(jù)發(fā)送到下一層，并將明文數(shù)據(jù)按照給定算法提取關(guān)鍵詞，得到新的字符串B。將字符串B進(jìn)行MD5加密后得到MD5（B），通過對(duì)比MD5（A）和MD5（B），即可判斷明文數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)錯(cuò)誤或者出現(xiàn)了被非法篡改的情況。數(shù)據(jù)傳輸防篡改加密方案設(shè)計(jì)如圖4所示。

在此算法中，無論關(guān)鍵詞提取算法如何設(shè)計(jì)，只要保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸層之間的提取算法一致即可。即使關(guān)鍵詞提取算法被破譯或泄露，也可以根據(jù)判斷數(shù)據(jù)的完整性以及數(shù)據(jù)是否被篡改，來確保STM32單片機(jī)硬件的安全以及水培系統(tǒng)中作物的安全。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用ZigBee自組網(wǎng)對(duì)各個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)反饋回來的信息進(jìn)行處理。各個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)收集到信息之后由ZigBee自組網(wǎng)（星型組網(wǎng)）發(fā)送至ZigBee，ZigBee通過GPRS模塊發(fā)送至手機(jī)終端。設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、通信、儲(chǔ)存多元化功能以及保證系統(tǒng)性能良好，選用的是處理能力靈活的ZigBee 無線通信模塊和模塊化結(jié)構(gòu)傳感器[11]。CC2530芯片自身有一個(gè)軟件編程內(nèi)核，因此可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)。該芯片采用IAR Embedded Workbench作為軟件的集成開發(fā)環(huán)境，ZigBee每一層協(xié)議采用C語言進(jìn)行編程控制，并且留有讓開發(fā)者迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的API接口，從而提升了操作的便捷性和協(xié)議的可靠性。ZigBee協(xié)調(diào)器流程如圖5所示，ZigBee節(jié)點(diǎn)流程如圖6所示。

ZigBee查詢數(shù)據(jù)部分程序代碼如下：

switch（FC）

{

case 0x01：

for （i=0; i

osal_memcpy（&TxBuffer[index]，NodeData[i]，4）;

index += 4;

}TxBuffer[index]=XorCheckSum（TxBuffer，index）;

TxBuffer[index+1] = 0x23;

HalUARTWrite（UART0，TxBuffer，index+2）;

ret = 1;

break;

case 0x02：

osal_memcpy（&TxBuffer[index]，NodeData[addr-1]，4）;

index += 4;

TxBuffer[index]=XorCheckSum（TxBuffer，index）;

TxBuffer[index+1] = 0x23;

HalUARTWrite（UART0，TxBuffer，index+2）;

ret = 1;

break;

default：

ret = 0;

break;}

當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)送的功能碼為0x01時(shí)，所有終端都將實(shí)時(shí)采集到的所有數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器，并以0x23為數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志位;當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)送0x02時(shí)根據(jù)地址位、數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)碼的不同來完成不同終端、不同傳感器的數(shù)據(jù)采集。

3.2 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)服務(wù)器從功能上主要?jiǎng)澐譃?個(gè)部分：通信部分和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分。其中通信部分主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端和協(xié)調(diào)器與STM32單片機(jī)之間的信息交互。數(shù)據(jù)部分主要用來存儲(chǔ)水培數(shù)據(jù)、用戶資料、操作記錄等信息。該系統(tǒng)的通信服務(wù)器采用的是由Socket網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)的TCP Server，同時(shí)用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息的存儲(chǔ)。

3.3 Android手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于JDK1.9環(huán)境，使用Android Studio 3.6.1版本開發(fā)的，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)水培內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并對(duì)各終端節(jié)點(diǎn)控制器下發(fā)控制命令，查看歷史操作記錄等功能。

Android手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)主要包括Android開發(fā)環(huán)境搭建、登錄界面設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)[12]。該APP使用Android Studio來編寫，通過XML文件調(diào)用Android通用控件構(gòu)建UI界面，并通過Java語言綁定Activity生命周期事件以及控件本身來控制相應(yīng)控件，實(shí)行相應(yīng)的UI變化及相應(yīng)的數(shù)據(jù)交互等邏輯事件功能，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)、控制相應(yīng)硬件工作狀態(tài)、修改用戶個(gè)人信息、檢索操作記錄的功能。Android手機(jī)端軟件界面如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的智能生態(tài)水培系統(tǒng)結(jié)合了Android平臺(tái)開發(fā)和ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)，提出了一種新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植和管理方案，減少了自然環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)的限制。它通過遠(yuǎn)程控制模式降低了人工投入的勞動(dòng)成本，提高了收益。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程信息交互，及對(duì)環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制，能有效解決植物所處環(huán)境條件差的問題。在生態(tài)發(fā)展方面，該系統(tǒng)采用營養(yǎng)液循環(huán)模式，基本上實(shí)現(xiàn)了全生態(tài)。該系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的智能化、互聯(lián)網(wǎng)化、生態(tài)化等方面均具有良好的應(yīng)用價(jià)值和前景。

注：本文通訊作者為嚴(yán)李強(qiáng)。

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