基于物聯網和云平臺的智慧溫室監測系統構建

劉勃妮， 王麗， 王威， 張楊梅

(西安航空學院 電子工程學院, 陜西 西安 710077)

0 引言

隨著科技水平的發展和人們生活水平的提升，人們對農產品品質要求也提高，物聯網、互聯網、大數據和云計算等新興技術正推動農業科技自動化的發展。通過農業科技自動化技術構建農作物生長最佳環境，確保其產期與產量[1]，再通過物聯網技術監控農作物的生長環境、控制環境，提供農作物生長最合適的條件。因此必須研究溫室內溫濕度、光照、二氧化碳等氣體濃度對農作物的影響，并對環境因子進行實時控制、精準控制[2]。綜上所述，溫室環境數據采集、傳輸和控制對于提高農業現代化水平具有深遠意義。

20 世紀90 年代，物聯網概念首次被麻省理工學院的Kevin Ashton等提出。物聯網即賦予每個物品唯一的代碼標示，結合互聯網與射頻技術，實現物品的自動識別及遠程管理[3-4]。國內外學者在這方面做了大量相關研究工作，取得了一些進展。使用關鍵詞“溫室”和“ 物聯網”在中國知網(CNKI)中的檢索結果，如圖1所示。

圖1 中國知網相關文獻檢測結果

從2011年開始，相關文獻開始出現，并快速增長，圖1數據表明：溫室物聯網技術得到了研究學者的關注。一些應用產品可以實現數據的準確采集，但仍存在功能單一、感知節點單一等缺點[5]。智能溫室利用物聯網技術，通過各種傳感器采集光照強度、濕度、溫度和CO2濃度等參數值，并與預設值相對比，自動調節溫室環境的參數值，最終給植物提供最佳的生長條件。本文研究了一種基于物聯網和云平臺的智能溫室監測系統[6]，結合無線傳感器網絡技術、物聯網技術和嵌入式技術等，通過手機APP或平板電腦實現遠程實時監控，便于觀測者及時查看數據和調整環境參數。該系統成本低、操作方便快捷，易于在廣大農戶中推廣。

1 總體方案設計

雖然溫室給農作物提供了良好的生長環境，但溫室管理非常復雜，其環境參數如溫度、濕度、光照和CO2濃度的要求很高。構建空氣與土壤溫濕度、光照強度和CO2濃度等參數可實時控制的智慧溫室，實現了生產要素的實時遠程調節控制[7]。

本系統分為數據采集端(感知層)、數據傳輸端(網絡層)和數據監測端(應用層)。其系統總體框架，如圖2所示。

圖2 系統總體框架

數據采集端由主控制器和多個傳感器構成，主要負責采集溫室環境參數。數據傳輸端是將采集端的數據通過物聯網傳送到云平臺再傳送給數據監測端。數據監測端是負責實時監測和控制溫室數據。操作人員可通過APP應用軟件進行可視化觀測和參數設置。傳感器感知模塊采集到溫室的溫濕度、光照等參變量后，通過物聯網傳送到數據監控云平臺進行分析，并實時將最新動態信息傳輸到APP應用軟件，便于管理員操作和監控，最終達到移動監控的效果。

2 系統硬件設計

智慧溫室監控系統框圖，如圖3所示。

圖3 智慧溫室監控系統框圖

系統由傳感器模塊、主控制器、ZigBee無線通信模塊、云平臺和監控平臺等組成。采用 STM32 芯片作為主控制器，以ZigBee無線通信技術進行數據信息的傳輸，再通過云平臺傳輸給監測平臺進行顯示[8]。

2.1 主控制器模塊設計

最小系統主要由ARM芯片、復位電路和時鐘電路組成。該系統采用 STM32F407 微控制器，具備1 024 KB FLASH和192 KB SRAM，集成FPU和DSP指令[9]，具有較強的抗干擾能力和較高的可靠性；使用3.3 V工作電壓；時鐘電路由8 MHz和32 MHz的晶振以及電容組成。

2.2 傳感器模塊設計

溫度傳感器選用DS18B20，測量范圍為-55 ℃—+125 ℃，抗干擾能力強，全數字溫度轉換及輸出，最高12位分辨率，具有限溫報警功能；濕度檢測器選用LM393，J是兩個插片，插在土壤里，通過檢測探針間電阻阻值和AC口采集的電壓值來判斷土壤濕度，當探針間電阻接近無窮大，AC值為VDD值(高電平)，OUT輸出高電平時，土壤濕度小；反之，土壤濕度大[10]。測量電路,如圖4所示。

圖4 濕度檢測電路

這兩種傳感器負責采集土壤溫濕度數據。空氣溫濕度檢測采用溫濕度傳感器RHT03-A，自帶上拉電阻，具有傳輸速度快、精度高和連接方便等特點[11]。CO2傳感器COZIR，具有低功耗、精度高和溫濕度補償功能。光照傳感器BH1750采用進口光敏元件，可轉換的波長范圍為380-730 nm，精度高。

2.3 ZigBee通信模塊設計

ZigBee 通信協議是基于IEEE 802.15.4標準，其結構分為應用層、網絡層、MAC層和物理層。ZigBee技術是一種短距離無線通信技術[12]，具有功耗低、抗干擾保密性好和魯棒性強等特點。系統只需要了解應用層函數并合理調用，就可以構建性能穩定的ZigBee無線網絡。本設計采用CC2530作為無線通信控制核心，能夠直接讀取各類傳感器數據，能夠保障各種供電模式下的數據完整性，且靈敏度高、抗干擾能力強，可適用于復雜環境[13]。

3 系統軟件設計

3.1 主控程序

主控機STM32F407正常定時采集輸入各個傳感器的數據， 同時與ZigBee通信模塊進行通信，向云平臺上傳采集數據，或接收云平臺發出的指令。所以主程序上電后，先初始化I/O 口、通信串口等設備，判斷各節點模塊和主控制器之間是否能正常通信，再運行ZigBee通信模塊進行組網，在程序完成相關外設初始化和中斷時，進入主函數，判斷采集數據是否超過預警值，是否需要進行預警提示，并在用戶端進行顯示。主程序流程圖，如圖5所示。

3.2 云平臺設計

OneNET是一款PaaS物聯網云終端平臺。該平臺的設備接入和連接比較方便，產品開發快，將完美的物聯網解決方案輸送至智慧溫室監控中心。它是數據交互中心，開發者可以通過此平臺對智能設備進行實時監測。本文實現了基于OneNET平臺的智慧溫室監控系統，感知層將采集的溫室環境數據通過ZigBee通信與OneNET平臺進行交互，將數據記錄到OneNET云平臺對應的虛擬設備，并傳輸到監控平臺或移動端APP，最終用戶可通過監控平臺或移動端APP進行實時環境數據監測和遠程控制。

圖5 主程序流程圖

3.3 移動端APP設計

移動端APP設計采用Android操作系統，程序設計語言為Java。在開發設計過程中，實現了APP的人機交互，實現了APP對數據庫的實時讀取。通過物聯網技術實現了移動端APP和智慧溫室監控系統有機融合，可實時監測各項環境數據以及歷史數據查詢。系統的主要功能模塊包括APP前端數據展示系統(包括溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度等)、APP管理設置系統(主要包括環境的閾值)和歷史數據查詢功能[14]。

4 結果與分析

任意選擇5個點(A、B、C、D、E)進行模擬實驗測試，通過數據傳輸時間、誤碼率和傳輸速度的測試分析，驗證系統是否具有可行性。實驗數據表,如表1所示。

表1 實驗數據表

從表1中看出，5個點的平均傳輸時間為0.192 s；平均誤碼率為0.35%；平均傳輸速度為23.42 Mbit/s。結果表明：該系統數據傳輸效果良好。

對系統性能進行測試，主要進行系統可靠性測試、無線傳輸可靠性測試和移動端APP實時數據查詢測試、移動端APP遠程控制測試等。系統72小時連續運行測試結果,如表2所示。

表2 測試數據

5 總結

本文設計了一款基于物聯網和云平臺的智慧溫室監控系統，結合嵌入式技術、物聯網技術和云計算等技術，可對溫室數據(溫濕度、二氧化碳和光照強度等)實時監測和有效調節，可以給農作物一個最優的生長環境。該設計可以提高農作物生產效率;降低勞動成本;增加農業的經濟效益，具有很強的推廣性。