基于Wi-Fi的蔬菜大棚環境監控系統設計

徐 欣 李文杰 唐冬雪

（重慶電子工程職業學院，重慶 401331）

1 項目背景及目的

隨著工業發展需要我國蔬菜大棚的土壤環境檢測系統經歷了從無到有、從簡單到復雜的發展過程，其智能化程度也越來越高，然而我國的很多地方大棚內溫濕度調節是應用很傳統的開關門來實現，這種方法費時費力，效率又很低準確度又不高，隨機性大很不科學。本文提出了一種基于Wi-Fi技術的農業大棚環境監測系統設計方案，通過Wi-Fi技術無線傳輸大棚的環境信息，解決了傳統生產模式存在的問題。

2 系統方案設計

1）系統設計思想。農業園區蔬菜大棚有著面積大，棚數多，環境信息統計繁瑣的問題。采用基于無線通訊的智能監測系統可有效改善這一現狀。本文將要研發的監控系統以Wi-Fi技術為基礎的通訊方式，不但可以實現低功耗運行，而且在通訊的安全性，可靠性方面還有所保障，實現以太網無縫連接等優勢，另外，如果將來功能拓展的需要，工作人員在農業園區Wi-Fi覆蓋可直接使移動終端接入系統，更適應了現代農業的發展需求。本文設計了基于Wi-Fi技術的蔬菜大棚環境監控系統，實現對蔬菜大棚溫濕度、二氧化碳參數的采集、處理和傳輸。該系統主要由2個環境測量節點和Wi-Fi模塊、數據處理模塊、PC服務器、路由器、上位機監測系統組成。2個環境測量節點包括1個溫濕度測量節點和1個二氧化碳測量節點。

2）需求分析。本文設計了一個基于Wi-Fi技術的蔬菜大棚環境監控系統，采集層的環境傳感器采集數據，通過以Wi-Fi模塊為核心的傳輸層將數據傳輸到應用層的終端設備發出相應的行動命令。解決了傳統農業對植物生長監控技術欠缺的問題。本文的研討內容是利用傳感器和Wi-Fi技術對蔬菜大棚中的溫濕度和二氧化碳進行數據采集和傳輸，并完成硬件搭建工作、現場數據記錄、上位機接入與正常運作，監測系統在總體設計上分為硬件模塊設計和上位機設計。硬件部分分為數據采集模塊和數據傳輸模塊。其中數據采集模塊負責采集蔬菜大棚的環境因素，它由溫濕度傳感器節點和二氧化碳傳感器節點組成。數據傳輸模塊將采集到的數據通過無線網絡發送到終端服務器。主要的技術要點有：1）深層次地對Wi-Fi模塊的搭建與配置進行系統的研究；2）對監測蔬菜大棚參數的傳感器進行深入地學習與分析；3）對各個模塊引腳進行研究，設計好硬件搭建與各模塊間接線圖；4）上位機操作系統的設計研究。

3）系統總體方案設計。環境采集節點安置在蔬菜大棚內，環境采集節點主要由傳感器、控制器和Wi-Fi模塊所組成，其中用到的環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。控制器通過IIC協議與485協議等實現對數字傳感器的數據采集，并通過UART口將數據轉送給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據傳輸至監控中心的服務器，實現遠程PC和移動終端的實時監測溫室大棚內環境數據。

3 系統硬件方案設計

圖1 系統硬件結構

1）系統硬件設計。系統的硬件設計主要包括數據采集模塊，數據處理模塊和數據傳輸模塊。其中數據采集部分由溫濕度傳感器，二氧化碳傳感器組成。數據處理模塊通過IIC協議與485協議等實現對數字傳感器的數據處理，并通過UART口將數據轉送給Wi-Fi模塊。

2）系統硬件結構圖，如圖1所示。

4 上位機系統設計

1）上位機整體設計。基于Wi-Fi的蔬菜大棚土壤環境監控系統的監控中心軟件運行于監控中心的服務器，采用C#語言進行開發。軟件運行于51系列控制器中，主要實現環境數據的采集，數據的處理和數據的發送。系統上電后，首先進行硬件環境初始化，讀取節點編號后進入循環采集環境數據，時間節奏由STC89C52RC的中斷來控制，一次觸發中斷進行一次數據采集，當采集60次數據后，進行環境數據的滑動平均濾波處理。為了防止數據發送過程中出錯，傳輸過程中引入了循環冗余校驗，即CRC校驗。它利用多項式運算來作錯誤偵測。發送前計算出CRC值并附在數據末端隨數據一同發送給接收端，接收端對收到的數據重新進行多項式運算得到CRC的值并與數據末端收到的CRC值相比較，若兩個CRC值不同，則說明數據通訊出現錯誤，其特點是信息字段和校驗字段的長度可以自由選定。

2）上位機界面設計。上位機的可視化監控界面設計如圖2所示。上位機界面主要由以下幾部分構成，標題欄，菜單欄，工具欄和主要的狀態欄。

圖2 上位機界面

標題欄是本系統的名字，菜單欄主要包括四部分，文件、串口設置、數據顯示和關于。文件部分主要是對檢測到的文件進行處理，我們可以把檢測到結果進行保存，以便我們日后進行分析處理。串口設置部分主要是為了PC機與單片機進行串口連接時的設置，通過這一功能我們可以設置使用那個串口，使用的波特率是多少。數據顯示顧名思義用于顯示系統采集的數據。工具欄這一部分，主要是用來選擇好的串口和波特率等。

在狀態欄主要分為三大部分，發送數據和接收數據兩部分。數據發送部分主要是向下發送檢測命令，數據接收部分是接收單片機傳輸上來的數據并顯示出來。

5 總結

該系統采用了傳感器采集環境參數，通過Wi-Fi模塊將環境數據傳送到終端，用戶可在終端查詢到大棚環境情況，有效地解決了現有技術中溫室監控系統遠程布線的困難的問題，該系統監測終端具有易擴展及使用便捷性的特點，用戶可隨時隨地通過Wi-Fi連入系統查看大棚各環境參數。該系統硬件設計具有抗干擾、低功耗級低成本的特點，軟件設計具有運行穩定、顯示流暢、數據清晰等優點，為農業大棚環境監測提供了更有效、更有力的解決方案。采用該方案設計的蔬菜大棚監測系統開發周期短，性價比高，維護方便，通用性和可擴展性好，有較高的推廣應用價值。