潘金珠，王興元，肖云龍，趙國珍，徐 楠

(1.江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122；2.無錫中電科物聯網創(chuàng)新研發(fā)中心，江蘇 無錫 214131)

基于物聯網的溫室大棚系統(tǒng)設計*

潘金珠1,2，王興元2，肖云龍2，趙國珍2，徐 楠2

(1.江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122；2.無錫中電科物聯網創(chuàng)新研發(fā)中心，江蘇 無錫 214131)

基于物聯網的溫室大棚系統(tǒng)，運用物聯網系統(tǒng)的傳感器設備，檢測大棚的溫度、相對濕度、光照強度、土壤水分、CO2體積分數等參數。通過Zig Bee無線傳感器網絡(WSNs)采集傳感器的數據，傳感器數據通過以STM32F103RBT6為核心設計的無線網關傳輸到遠程監(jiān)測中心。監(jiān)測中心通過對接收到的數據進行分析，可對大棚環(huán)境進行短信預警通知，同時在PC或手機終端可以實時查詢大棚狀態(tài)，并遠程控制大棚的澆灌器、通風天窗、外遮陽等設備，實現對大棚生態(tài)信息的自動監(jiān)測和對設施進行自動控制的智能化管理。

物聯網；溫室大棚；Zig Bee；網關

0 引 言

在溫室大棚生產中，需要實時掌握和調節(jié)大棚的環(huán)境參數，如溫度、濕度、光照度、CO2體積分數、土壤水分與有機含量等數據信息，才能保證農作物有一個良好、適宜的生長環(huán)境。目前很多大棚使用了很多設備以確保農作物健康快速生長，比如：天窗、外遮陽、通風機、暖風機，電磁閥等，但這些設備需要人工操作，給生產帶來很多不便。僅僅依靠人力對多個溫室大棚進行監(jiān)測和管控，顯然是一種效率低、實時性差又耗費人力資源的做法[1]。為實現對大棚的精確調控，提高經濟效益的目的，需要建立起溫室大棚的智能監(jiān)控系統(tǒng)，對大棚內的環(huán)境參數進行實時的監(jiān)測，同時能夠對大棚設備進行自動化的管控。

基于物聯網的溫室大棚系統(tǒng)，通過傳感器實時采集大棚的環(huán)境參數，通過無線通信方式傳輸大棚信息到遠程監(jiān)測中心。用戶通過PC或手機終端可實時查詢大棚設備的狀態(tài)，并可以遠程控制大棚設備，改善大棚種植環(huán)境，有效地改進溫室大棚生產管理模式，提高生產效率。

1 系統(tǒng)整體設計

1.1 系統(tǒng)架構設計

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯網通過傳感器采集物品狀態(tài)數據，由通信網絡把數據信息傳輸到服務器，并對感知的數據實施智能分析與處理，從而實現對物品的反饋控制[2]。溫室大棚系統(tǒng)總體結構遵循物聯網“感、傳、知、用”4層架構[3]，溫室大棚架構如圖1所示。

圖1 溫室大棚系統(tǒng)結構Fig 1 Greenhouse system architecture

通過各種智能傳感器等監(jiān)測設備對大棚內的環(huán)境信息進行感知；對傳感器取得的大棚監(jiān)測數據由Zig Bee無線傳感器網絡、3G通信網絡可靠地傳輸到服務器端，使數據通過網絡進入上位機系統(tǒng)，并對大棚監(jiān)測的數據進行存儲、計算分析和共享[4]；通過遠程終端對大棚設備進行遠程控制，從而實現對大棚的監(jiān)測和智能控制。

1.2 系統(tǒng)通信原理

通信鏈路分為環(huán)境數據上行的感知數據鏈和命令數據下行的控制數據鏈。

在感知數據鏈中傳感節(jié)點通過Zig Bee協(xié)議將載有傳感器信息的數據包傳送到網關模塊，網關模塊再通過3G網絡與服務模塊進行套接字連接，轉發(fā)傳感信息給服務模塊，完成一次環(huán)境數據的上行傳輸。

在控制數據鏈中Web用戶通過http協(xié)議將操作命令發(fā)往中心服務模塊，服務模塊根據命令的特點進行打包處理[5]，等待網關模塊的數據傳輸命令到達。每次數據傳輸完成之后，服務模塊如果有命令要下發(fā)，就會發(fā)起控制模式，將已經準備好的命令下發(fā)到網關模塊，完成了一次控制命令下行傳輸。

系統(tǒng)中的服務模塊和硬件模塊的通信方式采用的是基于TCP/IP協(xié)議的Socket三次握手模式。由于項目處于初期，用戶量較少，系統(tǒng)暫時采用實時性好的長鏈接方式。待到用戶增加到一定數量(>100)再轉為輕量級的短連接，或換為其他通信協(xié)議。

2 硬件的組成和原理

硬件設備包括網關、傳感器節(jié)點、控制節(jié)點、傳感器和控制箱，硬件設備組成框圖如圖2所示。

圖2 硬件組成框圖Fig 2 Block diagram of hardware composition

2.1 節(jié)點組成

硬件設備各部分的組成基于局域網Zig Bee的組網結構，Zig Bee網絡中有三種節(jié)點，協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點。它們以協(xié)調器為中心形成星型拓撲網絡結構，路由節(jié)點充當中繼和終端節(jié)點的雙重功能，終端節(jié)點處于網絡的末端[6]。節(jié)點根據功能可分為兩大類型：傳感節(jié)點和控制節(jié)點，傳感節(jié)點傳輸傳感器采集的數據，控制節(jié)點接收中心服務模塊的控制命令控制大棚設備，傳感節(jié)點和控制節(jié)點框圖如圖3所示。

圖3 傳感節(jié)點和控制節(jié)點框圖Fig 3 Block diagram of sensing node and control node

傳感節(jié)點有溫濕度傳感節(jié)點、CO2傳感節(jié)點、土壤墑情傳感節(jié)點、光照傳感節(jié)點和水流傳感節(jié)點對大棚的環(huán)境進行多項監(jiān)測。節(jié)點的MCU采用60k FLASH的STC12C5A60S2，對傳感器傳輸的數據進行處理傳送給Zig Bee模塊，或接收Zig Bee模塊的控制信號對大棚設備進行控制；無線收發(fā)模塊采用高度整合了Zig Bee射頻前端、內存和微控制器的CC2430模塊，用于完成數據的無線收發(fā)功能；電源采用開關電壓調節(jié)芯片LM2596輸出5 V電壓給單片機、傳感器和設備控制器供電，5 V電壓輸入到AMS1117-3.3提供3.3 V的電壓給CC2430供電 。

控制節(jié)點接收網關傳送過來的開關指令，控制節(jié)點上的相應繼電器通斷來間接地控制外接電器設備。繼電器上的外接設備可以接澆灌器、通風天窗、外遮陽等，由于通風天窗和外遮陽屬于三相電機設備，有開、關、停三種狀態(tài)，因此，需要至少2個繼電器控制設備，而澆灌器的通斷只需要1個繼電器就可以控制。

由于Zig Bee自組網的組網方式，導致網絡的拓撲結構組成不是唯一的。通過在服務器端預先配置好網絡的幾個唯一固定屬性，包括網關和節(jié)點的長地址，以及節(jié)點類型。這樣通過每次上電掃描網絡中節(jié)點的長地址，把節(jié)點的長地址和網關地址一起傳輸到服務器，就可以獲取該網絡的節(jié)點組成。同時網關和服務器按照上報地址順序建立一個數據表格，網關將各個節(jié)點的數據按照地址順序進行打包發(fā)送，服務器按照固定順序解析來獲得某個節(jié)點的數據。當Zig Bee自組網失敗的時候，服務器也可以根據它的長地址精確地定位未成功組網的節(jié)點。

2.2 網關組成

網關需要快速的處理能力和穩(wěn)定的通信網絡，因此，網關MCU采用高性能Cortex-M3內核、128 k FLASH、20 kRAM、最高72 MHz工作頻率和有豐富外設的STM32F103RBT6，用CC2430模塊實現數據的無線發(fā)送，GPRS無線通信模塊采用內部集成了TCP/IP協(xié)議的SIM900A無線通信模塊。由于網關供電采用12 V直流電壓，最大耗電流在2A左右，因此，采用最大支持輸入電壓60 V、輸出電壓4.1 V 、輸出電流最大支持3A的線性穩(wěn)壓芯片MIC29302為一級電源，輸出的4.1 V電壓輸入到穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3提供3.3 V的電壓，網關硬件框圖如圖4所示。

圖4 網關硬件框圖Fig 4 Block diagram of gateway hardware

網關負責收集各個傳感節(jié)點的數據，并將其打包處理，發(fā)送給指定的服務平臺。同時解析來自服務平臺的指令，傳輸到對應的控制節(jié)點控制相應的大棚設備。網關上電后進行網絡初始化后對節(jié)點進行掃描建立最優(yōu)信道網絡，在GPRS網絡通信狀態(tài)良好的情況下，根據模式進行不同的工作。在數據傳輸模式下，采集傳感節(jié)點的數據上傳到服務平臺；在控制模式下，把上位機的控制指令發(fā)送相應的控制節(jié)點對設備進行控制，程序流程圖如圖5所示。

圖5 網關程序流程圖Fig 5 Program flow chart of gateway

2.3 控制箱的設計

控制箱可以通過在上位機或手機終端執(zhí)行操作，通過GPRS無線網絡給網關發(fā)送控制命令，控制箱收到命令后操作相關的繼電器控制大棚設備，也可以根據需求切換到手動控制方式對大棚設備進行控制。

控制箱主要由電源、風扇、斷路器、控制板組、交流接觸器、雙刀雙擲繼電器模組、旋鈕開關、指示燈等模塊組成，其中旋鈕開關、指示燈固定在控制箱門上，其余的安裝在控制箱內。考慮到各個溫室大棚的規(guī)模相差較大，控制箱可以根據實際應用需要，增加或減少繼電器、接觸器和接線的數量，便于裁剪，同時可以達到節(jié)約成本的目的。

3 系統(tǒng)軟件

大棚系統(tǒng)軟件由四大模塊組成，分別是大棚管理、預約管理、歷史數據和系統(tǒng)設置。

在大棚管理的環(huán)境參數中可查看大棚環(huán)境詳細信息，包括傳感器實時數據、大棚控制器實時狀態(tài)、澆灌組實時狀態(tài)。同時可以對控制器、澆灌器組進行操作，比如：打開、關閉、預約、自控設置等，傳感器實時數據如圖6所示。

圖6 傳感器實時數據Fig 6 Real-time datas of sensor

預約管理中，用戶可以預定在未來某個時間啟動控制器，并指定執(zhí)行命令，使得用戶可以方便地掌控控制器的動作；實時數據曲線可以直觀地反映歷史數據的變化，方便用戶根據數據調整作物種植；系統(tǒng)設置能夠使用戶方便地對大棚進行管理，包括各種參數的配置、報警設置和澆灌器組維護。

4 結 論

系統(tǒng)對溫室大棚內的詳細信息，包括大棚名稱、種植作物、環(huán)境參數和當前大棚內控制器狀態(tài)，進行有效的監(jiān)測和管控。通過大面積采集的大量信息，用戶能夠掌控大棚的實時狀況并做出準確的決策，對溫室大棚澆灌器、通風天窗和外遮陽等設備的精準調控，為農業(yè)生產帶來更大大經濟效益，實現農業(yè)生產的現代化。

[1] 杜尚豐,李迎霞,馬承偉,等.中國溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)研究進展[J].農業(yè)工程學報,2004,20(1):7-12.

[2] 孫其博,劉 杰, 黎 羴,等.物聯網:概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報,2010,33(3):1-9.

[3] 高順尉,楊冬菊,何可文.北京市物聯網應用標準體系框架研究[J].電信科學,2012(12):10-17.

[4] 李立揚,王華斌,白鳳山.基于Zig Bee和GPRS網絡的溫室大棚無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制,2012,20(12):3148-3150.

[5] 孫忠富,曹洪太,李洪亮,等.基于GPRS和WEB的溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)的實現[J].農業(yè)工程學報,2006,22(6):131-134.

[6] 武永勝,王 偉,沈昱明.基于Zig Bee技術的無線傳感器網絡組網設計[J].電子測量技術,2009,32(11):121-124.

Design of greenhouse system based on Internet of things*

PAN Jin-zhu1,2, WANG Xing-yuan2, XIAO Yun-long2, ZHAO Guo-zhen2, XU Nan2

(1.School of Internet of Things, Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Internet of Things Innovative R&D Center,China Electronics Technology Group Corporation,Wuxi 214131,China)

The greenhouse system is based on Internet of things with sensor devices to detect temperature,relative humidity,light intensity,soil moisture,volume fraction of CO2and other parameters.Datas collected by Zig Bee wireless sensor networks(WSNs) and then transmitted to remote monitoring center through wireless gateway which is based on STM32F103RBT6.Message warning can be carried out in greenhouse environment by analysis of

parameters,and PC or mobile phone terminal can get real-time state information of greenhouse and remote control irrigation device,natural ventilation,shading and other equipments of greenhouse realize intelligent management include automatic monitoring and automatic control.

Internet of things; greenhouse; Zig Bee; gateway

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0051—03

2014—07—08

無錫市科技計劃資助項目(CYES1004)

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0051—03

潘金珠(1988- )，男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向為無線傳感器網絡和嵌入式系統(tǒng)應用。