基于物聯(lián)網的農業(yè)生產監(jiān)控系統(tǒng)設計

高百惠，徐紅亮

(天津中德應用技術大學，天津 300350)

基于物聯(lián)網的農業(yè)生產監(jiān)控系統(tǒng)設計

高百惠，徐紅亮

(天津中德應用技術大學，天津 300350)

針對農業(yè)大棚種植作物對環(huán)境參數(shù)的要求，提出了一種基于物聯(lián)網技術的農業(yè)生產監(jiān)控系統(tǒng)。基于CC2530核心芯片完成無線傳感器網絡的組建，并構建系統(tǒng)網關，準確獲取環(huán)境參數(shù)信息，通過與服務器對接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。在服務器搭建的網頁平臺界面，能夠實現(xiàn)大棚變化的實時監(jiān)控。試驗表明:該農業(yè)自動化生產監(jiān)控系統(tǒng)可操作性強，傳輸數(shù)據(jù)快捷穩(wěn)定，控制準確，實用價值較高。

農業(yè)生產；監(jiān)控；物聯(lián)網；無線傳感器網絡

0 引言

農業(yè)智能化為農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供了諸多良好發(fā)展途徑，而農業(yè)智能化發(fā)展進程中最為重要的非智能大棚建設莫屬。結合國內外現(xiàn)狀，現(xiàn)階段的智能大棚監(jiān)控方式多以有線監(jiān)控為主，對生產發(fā)展帶來諸多不便；而通過無線傳感器網絡實現(xiàn)的物聯(lián)網技術傳輸速率較高，功率較低，抗干擾性能強，因此利用物聯(lián)網技術來實現(xiàn)智能農業(yè)有利于進行環(huán)境參數(shù)信息的自動化監(jiān)測與控制，發(fā)揮較為積極的作用。結合實際應用，通過無線傳感器網絡與農業(yè)物聯(lián)網技術，保證農作物生長環(huán)境監(jiān)控過程實時掌握，落到實處，從而提升監(jiān)控系統(tǒng)的工作質量與穩(wěn)定性。因此，本文介紹了一種基于物聯(lián)網技術的智能農業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)農業(yè)生產的遠程監(jiān)控管理。

1 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)的監(jiān)控中心為數(shù)據(jù)服務器，通過2.4G射頻無線傳感器網絡完成整個系統(tǒng)互聯(lián)，從而實現(xiàn)全程無線通訊。系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖Fig.1 System overall structure

本系統(tǒng)由無線傳感器網絡數(shù)據(jù)采集平臺、網關監(jiān)控平臺以及遠程監(jiān)控中心三部分構成。在ZigBee終端節(jié)點上分別連接著溫濕度傳感器與光照傳感器，將大棚內實時采集的數(shù)據(jù)通過無線傳感器網絡上傳至網關。數(shù)據(jù)在網關進行匯總分析，從而控制熱循環(huán)系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)及采光系統(tǒng)的工作狀態(tài)，調節(jié)農業(yè)大棚內的環(huán)境。網關平臺通過GPRS網絡將整套數(shù)據(jù)完整傳輸給遠程監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)在此進行儲存并可實時顯示在中心的網頁界面上。

2 系統(tǒng)硬件設計與選型

2.1 網關監(jiān)控平臺設計

網關監(jiān)控平臺包括GPRS遠程傳輸模塊、CC2530無線處理模塊、多種環(huán)境調控設備及繼電器，如圖2所示。

圖2 時性 網關監(jiān)控平臺結構圖Fig.2 Gateway monitoring platform structure

2.1.1 無線處理模塊

芯片CC2530外接電路圖如圖3所示。此芯片內部集成了21個通用GPIO、12位ADC、AES處理器、6個定時器、2個USART、USB2.0全速控制器及DMA控制器等。

圖3 CC2530外接電路圖Fig.3 CC2530 external circuit diagram

2.1.2 GPRS模塊

GPRS使用費用相對低廉，疊加了能夠支持分組數(shù)據(jù)的網絡，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信技術與移動通信技術的完美融合[1]；擁有171.2kbps的訪問速度，僅需極其短暫的時間即可訪問相關請求。

2.1.3 控制模塊

本系統(tǒng)的控制模塊主要由繼電器構成，在自動控制電路當中，常常使用繼電器作為一種電控器件，它具有實現(xiàn)自動控制電路中電路轉換及自動調節(jié)的功能，被控制電路中電流電壓等物理量的有效通斷可以通過本控制模塊電路中相應物理量來實現(xiàn)。另外，它還是具有電路隔離能力的自動化開關元件。

2.2 傳感器采集節(jié)點設計

在農業(yè)大棚種植作物過程中，為了使種苗生長在有利的環(huán)境條件下，需要對影響其生長的環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，因此在本設計中搭建了傳感器采集節(jié)點平臺。該平臺由CC2530芯片、傳感器構成，用來實現(xiàn)溫濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)信息的實時采集與傳輸。

2.2.1 溫濕度傳感器

SHT15工作原理如下：濕度和溫度環(huán)境參數(shù)信息通過濕度與溫度傳感器讀取后會輸出相對應的數(shù)據(jù)信號，信號被放大器放大后再由A/D轉換器進行處理，處理的過程有糾錯校準、模數(shù)轉換；接下來，微處理器會接收來自二線串行數(shù)字接口傳送的相對濕度與相對溫度的具體數(shù)據(jù)，最后通過微處理器來實現(xiàn)溫度補償和非線性補償[2]。

2.2.2 光照傳感器

本系統(tǒng)的采用光敏電阻與外部電路組合的形式構成光照傳感器，此種自定義方式能夠在采集到大棚內的日光強度后迅速將數(shù)據(jù)上傳至網關，從而有效控制采光系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 CSMA/CA算法及偵聽策略

在同一時間里，在無線傳感器網絡中相同信道內只能夠有一個數(shù)據(jù)進行傳輸，若網絡中事先已存在要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，就必須首先獲得信道的使用權，這就需要發(fā)送該數(shù)據(jù)的終端節(jié)點通過CSMA/CA算法機制來進行競爭。IEEE802.15.4框架中的CSMA/CA算由3個變量組成：

1)BE：指的是后退指數(shù)，同CW有緊密聯(lián)系。它既能夠影響后退延遲的時長，也可以決定隨機后退窗口的取值。

2)CW：即競爭窗口長度，指的是數(shù)據(jù)在傳輸前避讓時隙的個數(shù)。

3)NB：表示在數(shù)據(jù)傳輸時產生后退的次數(shù)，即初始化清0后每次后退遍加1。

3.2 傳感器終端節(jié)點程序設計

傳感器添加過程如圖4所示。

圖4 傳感器添加過程Fig.4 The sensor addition process

本實驗系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器類型為數(shù)字型傳感器，通過CC2530實現(xiàn)不同模塊對應的功能[3]。傳感器僅需采集相應參數(shù)信息，便可以把數(shù)據(jù)植入系統(tǒng)中，通過射頻網絡RF將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3.3 基于TRNSYS的系統(tǒng)仿真

TRNSYS是一個瞬態(tài)仿真軟件，用于實現(xiàn)環(huán)境系統(tǒng)的模擬，由一個主程序和一些供選擇的模塊與固定配備應用構成，用戶可以根據(jù)需求使用對應的模塊，設定輸入條件，應用簡單便捷。

3.3.1 TRNSYS仿真系統(tǒng)

農業(yè)大棚采用控制熱循環(huán)設備進行保溫工作，因此TRNSYS模擬系統(tǒng)圖設計如圖5所示。Building模塊為農業(yè)模擬大棚的建筑模型，Macro模塊內存放著大棚所在地區(qū)的各項氣象等參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖5 TRNSYS系統(tǒng)模擬圖Fig.5 TRNSYS simulation system diagram

3.3.2 模擬仿真結果分析

本仿真環(huán)節(jié)分別模擬了大棚在不同目標溫度、不同初始溫度及在預設定目標溫度范圍內整個控溫階段大棚內溫度模糊PID系統(tǒng)控制效果，由此得到控制效果圖及數(shù)據(jù)。

1)不同目標溫度控制效果。根據(jù)大棚內種植的果蔬品種不同，模擬系統(tǒng)中目標溫度分別在21～27℃范圍平均選取3個溫度范圍，圖6為控制效果圖。從圖6中可以看出：3條控溫曲線最終達到平穩(wěn)的時長依此是0.23、0.1、0.265h，溫度精度均控制在±0.1℃內。

通過模擬結果可知：在初始溫度相同的條件下，目標溫度不同，系統(tǒng)最終達到穩(wěn)定狀態(tài)時消耗的時間是不同的；模糊PID控制系統(tǒng)在控溫環(huán)節(jié)有較好的震蕩性、平穩(wěn)性，控制精度高，調節(jié)次數(shù)少，時間短，很好地驗證了本系統(tǒng)的可行性。

圖6 不同目標溫度效果圖Fig.6 The rendering of different target temperatures

2)不同初始溫度控制效果。假設初始溫度分別為20、21、22℃，模擬系統(tǒng)將大棚溫度控制在25～27℃的效果，如圖7所示。由圖7可以看出： 在不同初始溫度下的各曲線都能夠達到要求的目標溫度，但所需時長不同，曲線由上至下達到穩(wěn)定的時間依次為0.256、0.335、0.46h，精度均控制在±0.1℃內。

模擬效果表明：在溫度初始值不同時模糊PID控制系統(tǒng)抗干擾性能強、控制精度高。

圖7 不同初始溫度效果圖Fig.7 The rendering of different initial temperatures

3)整個調控階段大棚溫度控制效果。假設預設定目標溫度范圍分別為25～27℃、23～25℃、21～23℃和19～21℃，大棚溫度控制效果圖如圖8所示。

由圖8可以看出：大棚內不同階段的溫度精度均在±0.1℃內。由此有效驗證了本課題搭建的模糊PID溫度控制系統(tǒng)控制精度高、抗干擾性強等優(yōu)點，從而驗證了系統(tǒng)可行性。

圖8 整個調控階段大棚溫度控制效果Fig.8 The control effect of greenhouse temperature in

the whole control stage

4 系統(tǒng)測試與分析

在成功搭建此基于物聯(lián)網的農業(yè)生產監(jiān)控系統(tǒng)后，需要對系統(tǒng)的運行進行可靠性與穩(wěn)定性測試分析，主要包括ZigBee無線傳感器網絡通信測試及傳感器性能進行測試。以上測試全部在天津中德應用技術大學航空航天與汽車學院實驗實訓室內完成。試驗表明：該物聯(lián)網農業(yè)生產環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，為農業(yè)信息化、智能化發(fā)展提供有力支持。

4.1 溫濕度傳感器性能測試

本試驗中，溫濕度傳感器選用的型號為SHT15型號，并且選用數(shù)字顯示溫濕度計TAS-810型號做對比試驗型號來衡量測量值的準確程度，如表1和表2所示。

表1 SHT15溫濕度傳感器之溫度測試

Table 1 Temperature measurement of SHT15 temperature and humidity sensor

SHT15溫度數(shù)據(jù)/℃TAS-810溫度數(shù)據(jù)/℃相對誤差/%25.325.1-0.8020.620.4-1.0022.222.2021.721.7024.624.70.4027.227.40.74

表2 SHT15溫濕度傳感器之濕度測試

以上數(shù)據(jù)表明： TAS-810與SHT15測得的溫度數(shù)值相對誤差在0～1.0%范圍內，濕度數(shù)值相對誤差在0～1.72%范圍內，達到農業(yè)大棚溫濕度精度要求。

4.2 ZigBee無線傳感器網絡組網測試

為了檢測網絡內的全部節(jié)點是否全部都加入到網絡中，通過組網測試進行驗證，測試地點選在天津中德應用技術大學F3教學樓。測試里使用了3個終端節(jié)點模塊和1個協(xié)調器模塊。為了方便在測試中了解到整個無線傳感器網絡的組網情況，在所有電路實驗板上分別安裝顏色各異的指示燈。

整個組網測試的流程為：首先打開電源開關，協(xié)調器上的發(fā)光二極管就會在閃爍數(shù)秒后一直保持常亮狀態(tài)，發(fā)光二極管的這種狀態(tài)就代表網絡組建初步完成。為了繼續(xù)測試，要在距協(xié)調器20m的地方安置1個終端節(jié)點，隨后在每隔20m的位置依次擺放兩終端個節(jié)點，在同一時間撥開節(jié)點電源開關。打開開關后的節(jié)點電路板上，綠色小燈一直閃爍，黃色小燈處于長亮狀態(tài)。此種情況表明，這3個節(jié)點全部加入到協(xié)調器組建的傳感網絡中，并處于工作狀態(tài)。通過計算可知：各終端節(jié)點加入網絡的時間在6s左右。最后，經過反復測試可知：如果網絡中的節(jié)點出現(xiàn)脫離網絡的情況，那么無線傳感器網絡將會自行舍棄此節(jié)點，再重新創(chuàng)建網絡，沒有脫離網絡的節(jié)點會照常工作，不會因網絡重建的過程受到影響。

4.3 ZigBee通信距離測試

建筑物、天氣等多方面因素會影響到ZigBee無線傳輸?shù)木嚯x，因此本試驗選擇在晴好天氣下的體育場上進行。通過采用點對點的通信方式，每隔一段距離發(fā)送數(shù)據(jù)50次，ZigBee無線通信模塊通信距離測試如表3所示。

由測試數(shù)據(jù)可知：360m為ZigBee最佳無線傳輸距離，在360m距離之外丟包率會隨著通信距離的增加而增大。結合本次農業(yè)大棚具體情況可得，ZigBee傳輸距離能夠滿足系統(tǒng)需求。

表3 無線通信模塊通信距離測試

5 結論

基于物聯(lián)網的農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，可移植性強，用戶通過遠程監(jiān)控中心有效提高了數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，通過數(shù)據(jù)庫的儲存為大棚環(huán)境研究提供精確而詳實的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了農業(yè)智能化、信息化，為智能農業(yè)提供了技術支持。

[1] 張恩迪.基于GPRS的物聯(lián)網農業(yè)蟲害防治監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].農機化研究,2015,37(3)：91-94．

[2] 鮑文燕.基于ZigBee的農業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].農業(yè)網絡信息,2016(6)：32-35．

[3] 龔燕飛.基于農業(yè)物聯(lián)網技術的農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電子設計工程,2016,24(13)：52-54．

Design of Monitoring System for Agricultural Production Based on Internet of Things

Gao Baihui, Xu Hongliang

(Tianjin Sino-German University of Applied Technology, Tianjin 300350, China)

Aiming at the requirement of environmental parameters for crops grown in agricultural greenhouses, this paper proposes an agricultural production monitoring system based on Internet of Things. Based on CC2530 to complete the formation of wireless sensor networks and system gateway, achieve data exchange through the docking with the server. We can monitor real-timely the greenhouse form the web platform. The experiment shows that the agricultural automatic production monitoring system is highly operable, with fast and stable data transmission and accurate control as well as high value.

agriculture production; monitor; Internet of Things; wireless sensor network

2016-11-28

國家自然科學基金項目(61571030)

高百惠(1988-),女，哈爾濱人，碩士研究生，(E-mail) gaobaihui1@126.com。

S126；S24

A

1003-188X(2018)02-0207-05