溫室環境智能監控系統

王 超， 張廣宇

（1.長春光華學院，吉林 長春 130031；2.中國聯通長春分公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，對農產品的硬性需求越來越大，如何實現“跨時”、“跨區”農產品的栽種成為重要議題，隨之產生的溫室產業迅速發展。

但多數溫室只是簡單地利用屏障技術和高產栽培技術搭建而來，不僅無法滿足特殊植物生存條件，更無法提高農產品的品質。為改變這種情況，將嵌入式設備及無線傳感網絡引入溫室環境的搭建，既彌補人力因素缺陷，又提高溫室栽培的條件，實現溫室環境的智能化監控。

1 系統總體設計

為滿足溫室特殊的環境條件要求，須實時獲取溫室的CO2、溫度、濕度等因素并進行有效調節。因此，系統設計的主要組成部分包括：高速、低能耗、實時采集環境因素的終端采集設備，匯聚各類信息的協調器，便于直觀監控的主控系統，以及可隨時查看并遠程控制的手持終端設備。

系統總體設計主要包括：zigbee終端節點、zigbee協調器、PC機、A8嵌入式設備4個部分。終端節點數量眾多，主要用于采集溫室的各類環境因素；協調器匯聚各節點采集信息并分時傳送給上位機；上位機顯示獲取的溫室環境因素，也可人為直接控制終端節點；A8嵌入式設備便于攜帶，可通過無線網絡訪問上位機實現遠程監測及控制。環境系統監控原理框圖如圖1所示。

圖1 環境系統監控原理框圖

2 系統硬件設計

2.1 主控系統

系統主控設備主要包括上位機和嵌入式系統，上位機便于實時人為監控溫室環境，嵌入式系統便于攜帶，并采用無線方式進行通信。嵌入式測控設備采用cortex－a8體系下的S5PV210，又名“蜂鳥”，主頻達到1GHz，32／32KB的數據／指令一級緩存，512KB的二級緩存，運行速度可達每秒2億條指令，適用于手持式便攜設備，如平板、手機等設備。內存512M，flash為256M的nand flash，完美運行Linux操作系統。具體設計流程如圖2所示。

圖2 系統設計原理框圖

2.2 終端節點及協調器

目前用于設計無線傳感網絡的主流網絡協議有藍牙，Zigbee［1］等為滿足無線穩定傳輸、降低功耗、多元化控制等需求，本設計在終端節點和協調器硬件設計中采用zigbee cc2530作為核心主控芯片。Zigbee無線傳感器網絡具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點［2］，工作在工業科學醫療（ISM）頻段，有915／868MHz及2.4GHz，其中915MHz頻段用于美國，868MHz頻段用于歐洲，2.4GHz頻段則是全球通用［3］。

無線網絡的搭建方式多樣化，符合不同場所應用，主要網絡拓撲結構包括以下3種：星型網絡、樹簇型網絡、網型網絡［4］。本系統設計采用星形網絡結構，該結構組網簡單，既降低成本，又滿足基本無線網絡傳輸性能需求，可根據需要多點投放終端節點監測溫室內不同區域的溫濕度、CO2濃度、光照強度等環境因素［5］。

2.3 傳感器的選擇

硬件設計中傳感器主要包括：DHT11（溫濕度傳感器），MG811（電壓型CO2濃度傳感器），BH1750FVI（數字式光照強度傳感器）。各傳感器連接在終端節點分散在溫室內，實時獲取溫室環境條件，該系統采用電池供電，便于移動節點動態測量。

3 系統軟件設計

3.1 上位機界面設計

溫室環境監測系統的軟件設計主要包括：上位機測控界面、嵌入式設備的圖形控制界面2個部分。上位機界面采用VC＋＋6.0軟件完成，該軟件兼容性好、操作簡單，各類型的軟件接口齊全。上位機界面通過MSComm串口通信控件實時獲取協調器的信息，協調器匯聚各終端節點傳感器采集的環境參數。

軟件設計流程包括：

1）初始化設備，主要包括上位機界面初始化、協調器與界面間的有線通信，以及zigbee組建無線網絡；

2）上位機建立服務器并通過串口向協調器發送鏈接命令等待應答；

3）上位機向協調器發送字符串命令詢問終端節點采集的環境參數；

4）上位機接收并實現來自協調器匯總的環境參數［6］。具體流程如圖3所示。

3.2 嵌入式系統界面軟件設計

在嵌入式S5PV210系統中運行ubuntu版本的linux操作系統，該系統具備開源、功能齊全、可裁剪等優勢。設計控制界面時采用GTK＋ 圖形界面工具，GTK＋ 是一種圖形用戶界面（GUI）工具包，該工具包涵蓋了若干個基于GUI的應用庫，支持多種不同類型的操作系統，如 WINDOWS，LINUX等，該圖像工具提供大量C語言編程接口，提高了系統可移植性［7］。GTK界面通過建立的分欄列表顯示信息，信息的獲取通過方式上采用無線局域網（WiFi），該方式無需成本、穩定性高、斷線自動連接［8］。

軟件設計流程包括：

1）初始化GTK界面，主要包括建立windows主窗口和副窗口；

2）在主副窗口下創建如標簽、按鍵等各類控件，控件用于實時刷新顯示環境參數；

3）登陸上位機服務器，將匯聚的環境參數通過無線網絡傳送到嵌入式設備界面；

4）實時更新并監控溫室環境中的溫濕度、光照強度及CO2濃度。

具體軟件設計流程如圖4所示。

圖3 上位機界面開發流程 圖4 嵌入式GTK界面開發流程

4 系統測試

該系統的無線網絡終端節點和協調器體積小、功耗低、可移動，只需一次性搭建并可長期監測。溫室環境置于無線局域網范圍內，上位機和嵌入式系統都可移動監測溫室環境因素，上位機界面擁有測控環境的最高優先級，各終端節點也具備一定的處理能力，本身在網絡故障情況下將啟動預設控制方案，觀測者也可手持嵌入式系統隨時測控溫室環境參數。因此，該系統在溫室環境測控領域具備一定的價值和意義。

［1］何文德，楊鳳年，劉光燦.無線傳感器網絡在文物保護中的應用［J］.計算技術與自動化，2007，26（2）：99－101，106.

［2］蔡志華，向宇坷，陳超，等.溫室大棚自動控制系統設計［J］.儀器儀表用戶，2010（4）：25－28.

［3］張玲，李磊民，黃玉清.藍牙無線傳感器網絡在谷倉監控中的應用［J］.傳感器與微系統，2008，27（5）：111－113.

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［5］高峰，俞立，盧尚瓊，等.國外設施農業的現狀及發展趨勢［J］.浙江林學院學報，2009，26（2）：279－285.

［6］徐小濤，黃秋實，吳延林，等.基于ZigBee的 WPAN網絡配置應用［J］.今日電子，2009（7）：78－79.

［7］張同光，潘紅.Linux中GTK＋編程技術研究及其應用［J］.軟件導刊，2007，15：121－125.

［8］羅賢全，尚朝軒，高勤.用GTK開發Linux嵌入式GUI應用程序［J］.微計算機信息，2004（6）：89－92.