基于Wi-Fi的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

徐 欣 李文杰 唐冬雪

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

1 項(xiàng)目背景及目的

隨著工業(yè)發(fā)展需要我國蔬菜大棚的土壤環(huán)境檢測系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程，其智能化程度也越來越高，然而我國的很多地方大棚內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)是應(yīng)用很傳統(tǒng)的開關(guān)門來實(shí)現(xiàn)，這種方法費(fèi)時費(fèi)力，效率又很低準(zhǔn)確度又不高，隨機(jī)性大很不科學(xué)。本文提出了一種基于Wi-Fi技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，通過Wi-Fi技術(shù)無線傳輸大棚的環(huán)境信息，解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式存在的問題。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

1）系統(tǒng)設(shè)計思想。農(nóng)業(yè)園區(qū)蔬菜大棚有著面積大，棚數(shù)多，環(huán)境信息統(tǒng)計繁瑣的問題。采用基于無線通訊的智能監(jiān)測系統(tǒng)可有效改善這一現(xiàn)狀。本文將要研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)以Wi-Fi技術(shù)為基礎(chǔ)的通訊方式，不但可以實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，而且在通訊的安全性，可靠性方面還有所保障，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)無縫連接等優(yōu)勢，另外，如果將來功能拓展的需要，工作人員在農(nóng)業(yè)園區(qū)Wi-Fi覆蓋可直接使移動終端接入系統(tǒng)，更適應(yīng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。本文設(shè)計了基于Wi-Fi技術(shù)的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對蔬菜大棚溫濕度、二氧化碳參數(shù)的采集、處理和傳輸。該系統(tǒng)主要由2個環(huán)境測量節(jié)點(diǎn)和Wi-Fi模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、PC服務(wù)器、路由器、上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)組成。2個環(huán)境測量節(jié)點(diǎn)包括1個溫濕度測量節(jié)點(diǎn)和1個二氧化碳測量節(jié)點(diǎn)。

2）需求分析。本文設(shè)計了一個基于Wi-Fi技術(shù)的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采集層的環(huán)境傳感器采集數(shù)據(jù)，通過以Wi-Fi模塊為核心的傳輸層將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層的終端設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的行動命令。解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對植物生長監(jiān)控技術(shù)欠缺的問題。本文的研討內(nèi)容是利用傳感器和Wi-Fi技術(shù)對蔬菜大棚中的溫濕度和二氧化碳進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，并完成硬件搭建工作、現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄、上位機(jī)接入與正常運(yùn)作，監(jiān)測系統(tǒng)在總體設(shè)計上分為硬件模塊設(shè)計和上位機(jī)設(shè)計。硬件部分分為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集蔬菜大棚的環(huán)境因素，它由溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)和二氧化碳傳感器節(jié)點(diǎn)組成。數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到終端服務(wù)器。主要的技術(shù)要點(diǎn)有：1）深層次地對Wi-Fi模塊的搭建與配置進(jìn)行系統(tǒng)的研究；2）對監(jiān)測蔬菜大棚參數(shù)的傳感器進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)與分析；3）對各個模塊引腳進(jìn)行研究，設(shè)計好硬件搭建與各模塊間接線圖；4）上位機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計研究。

3）系統(tǒng)總體方案設(shè)計。環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)安置在蔬菜大棚內(nèi)，環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)主要由傳感器、控制器和Wi-Fi模塊所組成，其中用到的環(huán)境傳感器包括光照度傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器以及二氧化碳傳感器?？刂破魍ㄟ^IIC協(xié)議與485協(xié)議等實(shí)現(xiàn)對數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)采集，并通過UART口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給Wi-Fi模塊。Wi-Fi模塊、無線攝像頭、移動終端等與Wi-Fi基站建立連接，并由基站通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程PC和移動終端的實(shí)時監(jiān)測溫室大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1）系統(tǒng)硬件設(shè)計。系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。其中數(shù)據(jù)采集部分由溫濕度傳感器，二氧化碳傳感器組成。數(shù)據(jù)處理模塊通過IIC協(xié)議與485協(xié)議等實(shí)現(xiàn)對數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)處理，并通過UART口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給Wi-Fi模塊。

2）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

4 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

1）上位機(jī)整體設(shè)計?；赪i-Fi的蔬菜大棚土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心軟件運(yùn)行于監(jiān)控中心的服務(wù)器，采用C#語言進(jìn)行開發(fā)。軟件運(yùn)行于51系列控制器中，主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的發(fā)送。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行硬件環(huán)境初始化，讀取節(jié)點(diǎn)編號后進(jìn)入循環(huán)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，時間節(jié)奏由STC89C52RC的中斷來控制，一次觸發(fā)中斷進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，當(dāng)采集60次數(shù)據(jù)后，進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的滑動平均濾波處理。為了防止數(shù)據(jù)發(fā)送過程中出錯，傳輸過程中引入了循環(huán)冗余校驗(yàn)，即CRC校驗(yàn)。它利用多項(xiàng)式運(yùn)算來作錯誤偵測。發(fā)送前計算出CRC值并附在數(shù)據(jù)末端隨數(shù)據(jù)一同發(fā)送給接收端，接收端對收到的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行多項(xiàng)式運(yùn)算得到CRC的值并與數(shù)據(jù)末端收到的CRC值相比較，若兩個CRC值不同，則說明數(shù)據(jù)通訊出現(xiàn)錯誤，其特點(diǎn)是信息字段和校驗(yàn)字段的長度可以自由選定。

2）上位機(jī)界面設(shè)計。上位機(jī)的可視化監(jiān)控界面設(shè)計如圖2所示。上位機(jī)界面主要由以下幾部分構(gòu)成，標(biāo)題欄，菜單欄，工具欄和主要的狀態(tài)欄。

圖2 上位機(jī)界面

標(biāo)題欄是本系統(tǒng)的名字，菜單欄主要包括四部分，文件、串口設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示和關(guān)于。文件部分主要是對檢測到的文件進(jìn)行處理，我們可以把檢測到結(jié)果進(jìn)行保存，以便我們?nèi)蘸筮M(jìn)行分析處理。串口設(shè)置部分主要是為了PC機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行串口連接時的設(shè)置，通過這一功能我們可以設(shè)置使用那個串口，使用的波特率是多少。數(shù)據(jù)顯示顧名思義用于顯示系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。工具欄這一部分，主要是用來選擇好的串口和波特率等。

在狀態(tài)欄主要分為三大部分，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩部分。數(shù)據(jù)發(fā)送部分主要是向下發(fā)送檢測命令，數(shù)據(jù)接收部分是接收單片機(jī)傳輸上來的數(shù)據(jù)并顯示出來。

5 總結(jié)

該系統(tǒng)采用了傳感器采集環(huán)境參數(shù)，通過Wi-Fi模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到終端，用戶可在終端查詢到大棚環(huán)境情況，有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)中溫室監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程布線的困難的問題，該系統(tǒng)監(jiān)測終端具有易擴(kuò)展及使用便捷性的特點(diǎn)，用戶可隨時隨地通過Wi-Fi連入系統(tǒng)查看大棚各環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)硬件設(shè)計具有抗干擾、低功耗級低成本的特點(diǎn)，軟件設(shè)計具有運(yùn)行穩(wěn)定、顯示流暢、數(shù)據(jù)清晰等優(yōu)點(diǎn)，為農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測提供了更有效、更有力的解決方案。采用該方案設(shè)計的蔬菜大棚監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)周期短，性價比高，維護(hù)方便，通用性和可擴(kuò)展性好，有較高的推廣應(yīng)用價值。