基于物聯(lián)網(wǎng)的櫻桃大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究設計

楊軼霞

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 天水 741025）

1 前言

被譽為“果中珍品”的櫻桃，不僅味道鮮美，營養(yǎng)豐富，而且經(jīng)濟價值高，是天水地區(qū)農(nóng)民發(fā)家致富的重要經(jīng)濟作物。近年來，隨著櫻桃市場行情的迅速發(fā)展，櫻桃種植范圍持續(xù)擴大，但櫻桃生長喜溫暖，不耐旱，對溫度、濕度和光強等環(huán)境因子具有嚴格要求，露地種植方式無法調(diào)控種植環(huán)境相關(guān)因素，極易受環(huán)境因素干擾造成減產(chǎn)甚至絕收等嚴重后果。

采用溫室大棚可以減小外界天氣對櫻桃成長的影響，提升防御自然災害的能力，避免晚霜凍、花季降雨等影響。傳統(tǒng)的溫室大棚通過人工判斷溫室大棚內(nèi)的環(huán)境，不僅勞動強度大、管理成本高，而且調(diào)控的及時性差，難以做到實時監(jiān)測、精準控制。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)管理效率低、智能化程度不高，由于大棚櫻桃栽培技術(shù)要求較高，生產(chǎn)技術(shù)環(huán)節(jié)上操作嚴格，要達到早產(chǎn)、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)，必須實現(xiàn)大棚生產(chǎn)環(huán)境與櫻桃不同階段需求高度匹配，因此開展服務設施櫻桃栽培成套環(huán)境監(jiān)測研究，對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、滿足人們不同時令的櫻桃消費需求具有重要的意義。

本文研究基于物聯(lián)網(wǎng)的櫻桃大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與溫室大棚種植相結(jié)合，搭建了基于感知層、網(wǎng)絡層和應用層3層架構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)，通過以ZigBee技術(shù)為核心的無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)櫻桃生長的環(huán)境參數(shù)采集與傳輸，通過無線組網(wǎng)的傳輸技術(shù)將櫻桃生長信息傳送到服務器及電腦客戶端、手機APP等可視化平臺，使農(nóng)戶不用深入大棚就能實時監(jiān)控溫室大棚櫻桃生長環(huán)境狀況，并遠程控制終端設備的工作狀態(tài)，有效提高棚內(nèi)櫻桃的產(chǎn)量和品質(zhì)。

2 智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)上，利用射頻識別和無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個可以實現(xiàn)全球物品信息實時共享的網(wǎng)絡。而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將農(nóng)作物、生長環(huán)境、農(nóng)戶有效串聯(lián)起來，使用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的儀器設備監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境中的影響參數(shù)，采用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)探索農(nóng)作物生長的最佳環(huán)境條件，調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益。物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎層，負責采集物理信息，通過各種感知層設備來采集或識別物體和周圍環(huán)境的參數(shù)信息，并經(jīng)傳輸層將生成的數(shù)字信號量傳輸至應用層，供用戶使用。網(wǎng)絡傳輸層負責數(shù)據(jù)信息的傳輸，將感知層采集和識別的信息傳輸至應用層，也可以反向傳輸應用層下達的指令進而對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。應用層負責根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)用戶的需求實現(xiàn)其應用功能。

通過對智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)功能要求的分析，將物聯(lián)網(wǎng)思想應用于智能大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，搭建出智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖

感知層：主要由數(shù)據(jù)采集模塊、主控制器和執(zhí)行機構(gòu)三部分組成，主要負責大棚內(nèi)環(huán)境信息采集和執(zhí)行機構(gòu)的控制，櫻桃生長環(huán)境因素主要有空氣濕度和溫度、光照強度和土壤濕度等，各種傳感器與主控制器結(jié)合，實現(xiàn)對大棚內(nèi)空氣溫濕度、光照強度等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。執(zhí)行機構(gòu)主要包括大棚內(nèi)安裝的加熱加濕器、補光燈、排風扇、遮陽棚和水泵等。通過控制排風扇、補光燈、加濕器、遮陽棚和頂棚等設備，保證櫻桃有一個良好的、適宜的生長環(huán)境。

網(wǎng)絡層：是連接感知層和應用層的紐帶，將采集的環(huán)境參數(shù)上傳至云服務器，由云服務器進行數(shù)據(jù)的管理與存儲。由WiFi無線傳輸模塊和云端服務器組成，主要完成設備與服務器之間的通信。采集數(shù)據(jù)通過WiFi實時傳輸至遠端云服務器，用戶可以隨時獲取溫室大棚內(nèi)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，主控制器和WiFi模塊通過串口相連。WiFi模塊通過廣域網(wǎng)連接云端服務器，與服務器以及主控制器進行信息交互，屬于網(wǎng)關(guān)。

智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)讀取和遠程監(jiān)控選用云端服務器做后盾，在眾多的阿里云、百度云、T-Link云、機智云等云服務器中，從切合度及經(jīng)濟價值考慮，本系統(tǒng)選用致力于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的機智云服務器。WiFi模塊作為搭建機智云的媒介，通過廣域網(wǎng)與主控制器連接。機智云平臺通過廣域網(wǎng)下達對終端設備的控制指令。

應用層：主要由手機客戶端和電腦客戶端組成，通過智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)APP，實現(xiàn)用戶管理員人機交互的途徑。主要負責大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化和控制執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)，通過對智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的應用層軟件設計和開發(fā)實現(xiàn)。

3 智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

智能大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)框架，運用Zig Bee無線組網(wǎng)技術(shù)，通過布置在大棚現(xiàn)場的終端傳感器對空氣溫度、空氣濕度、光照強度等環(huán)境信息進行采集檢測。選用以Zig Bee為核心的無線傳感網(wǎng)絡把采集結(jié)果發(fā)送給大棚種植戶。種植戶通過電腦客戶端、手機APP即可實時遠程查詢櫻桃大棚內(nèi)現(xiàn)場狀況，及時調(diào)整做到精準控制管理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要由無線傳感網(wǎng)絡、網(wǎng)關(guān)和執(zhí)行機構(gòu)3部分組成。

無線傳感網(wǎng)絡硬件部分主要由空氣溫濕度、光照強度等環(huán)境傳感器、ZigBee終端節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)器3部分組成，主要負責溫室大棚監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)采集和本地傳輸。

網(wǎng)關(guān)硬件部分主要由 STM32主控制器和 ESP8266模塊組成，主要負責接收和處理Zig Bee協(xié)調(diào)器傳來的數(shù)據(jù)，并將處理后的環(huán)境數(shù)據(jù)進行上傳，同時當大棚內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)異常時，通過網(wǎng)關(guān)控制執(zhí)行機構(gòu)，及時調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部的環(huán)境數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關(guān)是設備與服務器連接的橋梁，主要負責處理和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)至服務器數(shù)據(jù)庫中，同時接收監(jiān)控平臺傳遞過來的控制指令，進而控制執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)，用以調(diào)節(jié)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)吞吐量大，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)選用STM32F103微處理器作為網(wǎng)關(guān)主控制器，智能網(wǎng)關(guān)的節(jié)點數(shù)據(jù)較大，本系統(tǒng)WiFi模塊采用正點原子ESP8266模塊，該模塊支持LVTT串口，工作電壓為3.3～5V，具有體積小、價格低、具備UART通用接口等優(yōu)點。與STM32主控制器之間采用串口通訊。然后，利用ESP8266WIFI無線傳輸模塊進行網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)通信，當大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)異常時，需要利用微處理器控制執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

執(zhí)行結(jié)構(gòu)由繼電器模塊和被控設備組成，主要功能是通過微處理器控制繼電器開關(guān)，進而控制執(zhí)行機構(gòu)開啟和關(guān)閉，從而調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.1 無線傳感網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡是以無線通信技術(shù)為核心，以自組織模式構(gòu)建而成的網(wǎng)絡形式。通過在無線網(wǎng)絡節(jié)點上加裝采集各種物理信息的傳感器，完成現(xiàn)場各環(huán)境參數(shù)信息采集工作。傳感器采集到的數(shù)據(jù)匯集到終端節(jié)點，借助互聯(lián)網(wǎng)以及衛(wèi)星等通訊方式進行發(fā)送，供管理者監(jiān)控現(xiàn)場環(huán)境以及實現(xiàn)遠程控制。因此，智能大棚監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)絡的應用主要包括環(huán)境傳感器的選用和無線通信技術(shù)的選擇。

3.2 無線通信技術(shù)的選擇

溫室大棚在種植和管理過程中需要經(jīng)常澆水、施肥、噴藥，環(huán)境比較復雜，不方便布線，加上布線成本高。所以，系統(tǒng)采用無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制。比較常用的無線通信技術(shù)主要有ZigBee、WiFi、藍牙等。ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4的一種無線傳感網(wǎng)絡通信技術(shù)。ZigBee相比藍牙和WiFi，功耗更低、工作頻段靈活，組網(wǎng)成本低。組網(wǎng)能力強，ZigBee大量的節(jié)點數(shù)更能滿足農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的各種需求。本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)作為底層網(wǎng)絡的核心技術(shù)。

ZigBee無線網(wǎng)絡拓撲主要有星型拓撲結(jié)構(gòu)、樹型拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)3種。星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)沒有專門的路由節(jié)點，由一個協(xié)調(diào)器以及與協(xié)調(diào)器連接的終端組成。終端節(jié)點之間的通信必須通過協(xié)調(diào)器節(jié)點進行信息的中轉(zhuǎn)，協(xié)調(diào)器負責與范圍內(nèi)所有的其他節(jié)點進行通信，并轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點的數(shù)據(jù)給處理設備；樹形網(wǎng)絡拓撲由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、至少一個路由器和多個終端節(jié)點三部分組成，各層節(jié)點都配備有路由節(jié)點，協(xié)調(diào)器與路由器直接相連，終端節(jié)點與路由器直接相連，每個路由節(jié)點負責管理自己的終端節(jié)點。網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、一系列路由器和多個終端節(jié)點組成，拓撲結(jié)構(gòu)和樹形結(jié)構(gòu)相似，但網(wǎng)狀的信息路由規(guī)則比較靈活，多終端節(jié)點可以與多路由節(jié)點進行混合通信，最大優(yōu)勢在于路由節(jié)點之間實現(xiàn)直接通訊。其特點是網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜，硬件成本較高。

本設計出于對系統(tǒng)可靠性、功耗等方面的考慮，選擇較簡單的星型拓撲結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

3.3 ZigBee終端節(jié)點硬件設計

ZigBee終端節(jié)點搭載各傳感器設備，主要包括空氣溫濕度、光照強度和土壤濕度傳感器，利用ZigBee無線傳感技術(shù)，將布置于智能大棚中的各傳感器采集的空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤濕度等物理參數(shù)匯聚到ZigBee終端節(jié)點，即傳感器與ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點直接相連接,分別采集溫室內(nèi)的各項環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后，通過ZigBee終端控制器進行環(huán)境數(shù)據(jù)讀取，進行數(shù)據(jù)分析以及處理，通過ZigBee網(wǎng)絡將處理的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器接收ZigBee終端發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)并通過串口將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。WiFi通過協(xié)議通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器。服務器對數(shù)據(jù)進行分析、以及可視化等操作。

本系統(tǒng)ZigBee終端選用TI公司的CC2530主控芯片，支持IEEE802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機，CC2530芯片搭載增強型8051內(nèi)核，具有很強的兼容性，可以兼容UART和A/D等外設，具有穩(wěn)定、安全的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，此外，CC2530有多個信道可供選擇，支持ZigBee 2007/PRO協(xié)議棧，使得運用CC2530設計的節(jié)點通信距離更遠，組網(wǎng)性能更穩(wěn)定可靠，適合應用于本系統(tǒng)。

3.4 監(jiān)測系統(tǒng)器件選型

（1）溫濕度傳感器。大棚內(nèi)空氣溫濕度的數(shù)據(jù)采集選用溫濕度復合傳感器DHT11，該傳感器內(nèi)部包含1個電阻式測濕元件和1個NTC測溫元件構(gòu)成，并與1個高性能8位單片機相連接，采集的各項數(shù)據(jù)參數(shù)會保存在OTP內(nèi)，方便數(shù)據(jù)校準時隨時調(diào)用查看。而且DHT11傳感器體積小且功耗低，非常適用于對溫室大棚環(huán)境的監(jiān)測。設計中，每個ZigBee終端節(jié)點連接一個DHT11溫濕度傳感器，采集的溫濕度數(shù)據(jù)精準度高、穩(wěn)定性強。

（2）光敏傳感器。光敏電阻器是一種利用半導體光電導效應制成的電阻，其電阻值隨入射光強度的改變而改變，又稱光電導探測器。當入射光強時，電阻減少，而當入射光弱時，電阻增大。櫻桃生長階段光照是進行光合作用的必要條件，所以，使用光照強度傳感器來檢測櫻桃生長環(huán)境中的光照強度，具體型號選用GM5516光敏傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，對光照強度變化感應敏捷，而且價格低廉，適合在大棚內(nèi)進行大范圍布置，保證光照強度數(shù)據(jù)信息 采集精確。

（3）土壤濕度傳感器。本系統(tǒng)選用精訊暢通的JXBS-3001-TR型土壤水分濕度傳感器，該傳感器采用了FDR測量方式，利用頻域反射電磁脈沖技術(shù)測量土壤濕度，測量精度高、穩(wěn)定性強、響應快，受土壤含鹽量影響較小，使用壽命長。

4 結(jié)語

以無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)為基礎的溫室大棚櫻桃環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用Zig Bee無線自組織網(wǎng)絡采集、傳輸傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從智能大棚環(huán)境中采集實時的空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度等數(shù)值，采用多個Zig Bee終端節(jié)點和一個Zig Bee協(xié)調(diào)器搭建無線傳感網(wǎng)絡，組建環(huán)境參數(shù)信息采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實時采集櫻桃生長環(huán)境參數(shù)，為保證櫻桃的優(yōu)質(zhì)生長制定了有效的方案，對農(nóng)作物的科學化管理具有重要意義。