基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)

作者/吳蓬勃，石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信工程系；張金燕，河北電信設(shè)計(jì)咨詢有限公司信息應(yīng)用咨詢?cè)海粭铎常仪f郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信工程系

基金項(xiàng)目：河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金項(xiàng)目QN2015326；工業(yè)和信息化職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教學(xué)研究課題GXH2016-84；工業(yè)和信息化職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)通信專指委教育教學(xué)項(xiàng)目TXZZW2016044

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)

作者/吳蓬勃，石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信工程系；張金燕，河北電信設(shè)計(jì)咨詢有限公司信息應(yīng)用咨詢?cè)?；楊斐，石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信工程系

基金項(xiàng)目：河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究青年基金項(xiàng)目QN2015326；工業(yè)和信息化職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教學(xué)研究課題GXH2016-84；工業(yè)和信息化職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)通信專指委教育教學(xué)項(xiàng)目TXZZW2016044

針對(duì)目前精細(xì)化農(nóng)業(yè)大棚種植中對(duì)植物監(jiān)控管理的需要，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)。基于WiFi與ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過多種傳感器節(jié)點(diǎn)采集大棚的環(huán)境溫濕度、土壤濕度、光照、圖像等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警；同時(shí)結(jié)合Android App實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)設(shè)備的遠(yuǎn)程可視化管理。試驗(yàn)證明，該智能農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)可實(shí)時(shí)感知大棚環(huán)境信息，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)備的有效控制，為植物生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境、降低了人力成本，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)大棚；Zigbee；WiFi；智能感知；可視化管理

引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)業(yè)溫室大棚的出現(xiàn)使得植物的生長(zhǎng)不再受限于自然環(huán)境，農(nóng)民可以在任何季節(jié)種植所需要的農(nóng)作物。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚多為人工控制農(nóng)業(yè)溫室大棚的采光、溫度情況，對(duì)于溫室大棚內(nèi)植物的生長(zhǎng)情況需要定時(shí)去觀察，進(jìn)而降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、增加了勞動(dòng)力成本。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)的有效結(jié)合，促使我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化精細(xì)種植方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室大棚，也必將促進(jìn)其向著智能化、自動(dòng)化和信息化方向發(fā)展[1—2]。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層構(gòu)建農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過多種傳感器實(shí)時(shí)感知農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)；通過WiFi和Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集將各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器；用戶通過手機(jī)APP即可實(shí)時(shí)了解到大棚內(nèi)部情況，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備控制。

1. 系統(tǒng)總體規(guī)劃

系統(tǒng)架構(gòu)圖[3]如圖1所示，在溫室大棚內(nèi)部，通過多種傳感器：環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、雨滴、煙霧等實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)部環(huán)境感知；通過對(duì)燈光、草簾、換氣扇等設(shè)備的控制，動(dòng)態(tài)調(diào)整溫室大棚環(huán)境。智能環(huán)境感知和控制設(shè)備通過Zigbee轉(zhuǎn)WiFi網(wǎng)關(guān)連接3G無(wú)線路由器，IP攝像頭也通過WiFi網(wǎng)絡(luò)連接到3G無(wú)線路由器。用戶通過手機(jī)APP可實(shí)時(shí)觀察溫室大棚內(nèi)部情況，了解環(huán)境信息，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備的控制。

2. 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CC2530無(wú)線感知與控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

溫室大棚內(nèi)部環(huán)境感知和設(shè)備的控制均基于CC2530構(gòu)建的Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，CC2530單元原理圖[4]如圖2所示。CC2530為TI公司的一款基于增強(qiáng)型8051CPU的遵循IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線射頻收發(fā)芯片。CC2530內(nèi)部的電源管理器可動(dòng)態(tài)調(diào)整供電模式，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)電池壽命的低功耗應(yīng)用，確保了各個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)期低功耗運(yùn)行[5]。下面將對(duì)各個(gè)無(wú)線感知和控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行具體介紹。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）溫濕度感知節(jié)點(diǎn)

該節(jié)點(diǎn)基于CC2530和DHT11溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)。DHT11采用單總線方式與CC2530通信，一次可傳送40位數(shù)據(jù)，包括：8位濕度數(shù)據(jù)整數(shù)部分、8位濕度數(shù)據(jù)小數(shù)部分、8位溫度數(shù)據(jù)整數(shù)部分、8位溫度數(shù)據(jù)小數(shù)部分和8位校驗(yàn)位。

（2）光照感知節(jié)點(diǎn)

光照節(jié)點(diǎn)基于CC2530和數(shù)字光照傳感器ISL29003實(shí)現(xiàn)。ISL29003為Intersil公司的基于I2C接口的16bit數(shù)字光照傳感器。其光照度檢測(cè)范圍可在1000lux、4000lux、16000lux、64000lux之間調(diào)整。與光敏電阻相比，ISL2903體積更小，光照感知更加快速、精確。

此外，土壤濕度感知節(jié)點(diǎn)，基于CC2530的內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)。雨滴、煙霧和人體紅外感知節(jié)點(diǎn)為開關(guān)量節(jié)點(diǎn)，基于CC2530的IO口檢測(cè)實(shí)現(xiàn)。燈的控制、草簾電機(jī)控制和換氣扇控制也通過CC2530的IO口控制繼電器實(shí)現(xiàn)。

圖2 CC2530原理圖

2.2 Zigbee轉(zhuǎn)WiFi網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

本網(wǎng)關(guān)中的Zigbee設(shè)備為Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其通過串口與WiFi模塊通信，傳輸?shù)膬H僅是少量的間歇數(shù)據(jù)，并不傳輸圖像；考慮到系統(tǒng)的成本和功耗要求，本系統(tǒng)的WiFi模塊選用了上海樂鑫的ESP8266。

ESP8266內(nèi)部集成了的2.4G無(wú)線射頻收發(fā)電路、電源管理電路、CPU內(nèi)核、10bit高精度ADC、TCP/IP協(xié)議棧等，支持WiFi 的WPA/WPA2安全模式[6]?？蓡为?dú)使用，也可做為串口透?jìng)髂K配合其它MCU使用。

ESP8266原理圖如圖3所示，26MHz的外部晶振為ESP8266提供時(shí)鐘信號(hào)；ESP8266的程序存儲(chǔ)到外部的SPI Flash中；CC2530可通過芯片使能引腳CHIP_EN控制ESP8266是否進(jìn)入工作狀態(tài)，通過串口與ESP8266進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到WiFi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

3. 軟件設(shè)計(jì)與功能驗(yàn)證

軟件部分主要包括：Zigbee無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集與控制、ESP8266的WiFi配置和用戶端手機(jī)App的設(shè)計(jì)，本文將對(duì)后兩者進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

圖3 ESP8266原理圖

3.1 ESP8266的配置

ESP8266配置流程如圖4所示。首先配置CC2530的串口、開啟串口接收中斷；配置連接ESP8266的芯片使能和復(fù)位引腳并使能芯片；CC2530通過串口向ESP8266發(fā)送復(fù)位AT指令，進(jìn)行復(fù)位測(cè)試。然后，設(shè)置ESP8266進(jìn)入STA模式，配置ESP8266要連接的目標(biāo)AP的SSID和密碼，如果連接成功，則配置ESP8266進(jìn)入單連接模式。最后，基于TCP協(xié)議連接服務(wù)器的指定端口，如果連接成功，則配置ESP8266進(jìn)入串口透?jìng)髂Ｊ?。以上的步驟配置完成后，ESP8266即進(jìn)入串口透?jìng)髂Ｊ剑珻C2530即可與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的透明收發(fā)。

圖4 ESP8266配置流程圖

3.2 AnroidApp客戶端設(shè)計(jì)

手機(jī)App部分主要包括：環(huán)境監(jiān)測(cè)、報(bào)警數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程設(shè)備控制、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控幾個(gè)部分。用戶可以通過App實(shí)時(shí)了解溫室大棚內(nèi)部環(huán)境，并可遠(yuǎn)程控制設(shè)備動(dòng)作。圖5是智能農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，圖6～9顯示了An—droid App端所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、視頻信息以及遠(yuǎn)程設(shè)備的控制界面。

4. 總結(jié)

本文根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室大棚智能感知、智能控制的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚監(jiān)控管理系統(tǒng)?；赯igbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)部溫濕度、光照、土壤濕度等數(shù)據(jù)的采集，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)和3G無(wú)線路由器實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。 結(jié)合手機(jī)App實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警和遠(yuǎn)程設(shè)備控制。試驗(yàn)證明，該智能農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)方便了農(nóng)民對(duì)大棚地監(jiān)管，有利于為植物生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境，提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了人力成本，具有很好的實(shí)用和推廣價(jià)值。

圖5 智能農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

圖6 環(huán)境監(jiān)測(cè)

圖7 報(bào)警信息查詢

圖8 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

圖9 遠(yuǎn)程設(shè)備控制

＊ [1] 韓毅. 基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)研究[D].

太原：太原理工大學(xué)，2016.

＊ [2]吳朋林. 溫室大棚智能控制系統(tǒng)研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2015.

＊ [3]曾令培. 智能溫室大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2015.

＊ [4] 吳蓬勃、楊斐、李莉等. 基于Zigbee的新型激光模擬對(duì)抗訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 激光與紅外，2015,45(6):616—620.

＊ [5] Texas, Instruments. CC253x System—on—Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee? Applications User’s Guide[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/product/cn/CC2530/ technicaldocuments, 2017—07—06.

＊ [6] 樂鑫信息科技（上海）有限公司. ESP8266EX Datasheet[ EB/OL]. http://www.espressif.com/en/products/hardware/ esp8266ex/resources, 2017—07—06.