丁文飛，孫會楠，邢彥辰

(哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江哈爾濱150025)

農(nóng)業(yè)是我國國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，農(nóng)產(chǎn)品的高產(chǎn)和優(yōu)產(chǎn)是我國科研工作者面臨的重要課題［1］。目前，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展非常重視溫室栽培，尤其是反季節(jié)時期。在溫室栽培中，直接影響農(nóng)作物生長的因素主要有CO2濃度、濕度、溫度及光照強度，這些環(huán)境因素的監(jiān)測和控制是實現(xiàn)生產(chǎn)高效優(yōu)產(chǎn)農(nóng)作物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是重要手段。

國外一些學(xué)者解決的辦法是將農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)同通信技術(shù)相結(jié)合，即利用嵌入式技術(shù)同GPS、GIS等技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合，已取得了一定的成績，使農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)的監(jiān)測等［2］。我國農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展落后于發(fā)達國家，最重要的原因是設(shè)備的等級偏低，不能實現(xiàn)智能化、自動化。在國家大力支持下，浙江農(nóng)林大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合農(nóng)業(yè)環(huán)境，研制出了自動監(jiān)測環(huán)境的系統(tǒng)［3－6］，使我國農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了智能化、自動化，但對于信息交流還具有一定的局限性。筆者設(shè)計了基于Wi-Fi的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，打破了有線網(wǎng)絡(luò)的局限性，對于環(huán)境信息交流提供了極大的方便，具有可遠(yuǎn)程控制及終端擴展方便等優(yōu)點，終端是以IP地址的形式添加，不會增加系統(tǒng)載荷，簡化了物理結(jié)構(gòu)的同時，也節(jié)約了成本。

1 監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計和開發(fā)的基石。該系統(tǒng)設(shè)計思想是將傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)及無線通信技術(shù)相結(jié)合，利用Wi-Fi技術(shù)將溫室中各傳感器采集到的農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)，通過無線通信設(shè)備進行數(shù)據(jù)信息的傳輸，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，方便用戶對溫室環(huán)境進行調(diào)節(jié)，達到農(nóng)產(chǎn)品高效優(yōu)產(chǎn)的目的。其主要組成結(jié)構(gòu)分為無線傳感器采集節(jié)點、無線網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測中心服務(wù)端3部分，監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)總框圖如圖1所示。其中采集節(jié)點是由傳感器單元、微處理器單元和Wi-Fi無線模塊單元組成;無線網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)Wi-Fi無線模塊與監(jiān)測中心服務(wù)端之間的數(shù)據(jù)傳輸;監(jiān)測中心主要由無線路由器和電腦軟件構(gòu)成。

2 現(xiàn)場檢測節(jié)點的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分主要是指農(nóng)業(yè)微環(huán)境多參數(shù)現(xiàn)場檢測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，采用模塊化設(shè)計，主要包括微控制器、Wi-Fi無線通信部分、傳感探測部分、電源部分。

2．1 節(jié)點硬件設(shè)計方案 硬件設(shè)計系統(tǒng)選用了MSP430F149微處理器構(gòu)成核心處理電路，通過RS-232異步傳輸接口控制Wi-Fi無線通信模塊，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸;Wi-Fi無線通信部分采用可以給嵌入式增加TCP-Socket功能的Connectone公司Nano系列的聯(lián)網(wǎng)控制器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能以及與上位機進行數(shù)據(jù)通信;傳感器探測部分選取4個傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，包括溫室CO2、光照、濕度及溫度;電源部分為各電路提供不同的工作電壓。整體硬件框圖見圖2。

2．2 傳感器與處理器的連接方式 MSP430F149芯片共有6個8位可編程P口，其中P1、P2口占2個中斷向量，共可以接16個中斷源;另外，還可以直接利用P口的輸入輸出寄存器，直接對外進行通信。

系統(tǒng)使用的BH1750FVI型光照強度數(shù)字傳感器采用I2C總線接口方式與處理器連接，其中傳感器的DVI引腳接到處理器的P1．0端，用于串行輸出16 bit數(shù)字，體現(xiàn)光照強度。I2C接口引出來的4、6兩個引腳是雙向I/O線，即為SCK時鐘線和SDA數(shù)據(jù)線;DS18B20數(shù)字溫度傳感器是單總線器件，即只用一根信號線接到I/O口，既供電又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求;濕度測量選用的是電容式濕度傳感器，其變送電路主要由差分電路、單穩(wěn)態(tài)電路、多諧振蕩器和平均值運算電路等構(gòu)成，將傳感器采集到的電容值轉(zhuǎn)換為電壓值送入處理器;CO2因子測量選用了穩(wěn)定性好、靈敏度高的固體電解質(zhì)類型MG811傳感器，在使用該傳感器時，需加入一個高輸入阻抗、低偏置電流的CA3140運算放大器，放大器輸出電壓端與處理器P6．2引腳相連。光照強度、濕度及溫度模塊輸出的都是模擬信號，可直接與處理器的P6口相連，利用內(nèi)部的AD12實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。處理器與傳感器的電路連接見圖3。

整體設(shè)計測試精度高，支持IEEE 802．11標(biāo)準(zhǔn)，抗振動及干擾，終端節(jié)點支持低功耗休眠和喚醒功能，并滿足體積小和成本低的要求。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

在溫室農(nóng)業(yè)微環(huán)境系統(tǒng)中，軟件涉及到的部分有:采集信息、處理數(shù)據(jù)、收發(fā)命令及數(shù)據(jù)和界面顯示等。在該設(shè)計中，把軟件分為了兩個部分:下位機軟件，即微環(huán)境的現(xiàn)場采集節(jié)點嵌入式系統(tǒng)軟件;上位機軟件，即遠(yuǎn)程監(jiān)測控制及顯示軟件。

3．1 微環(huán)境的現(xiàn)場采集軟件設(shè)計 農(nóng)業(yè)微環(huán)境的數(shù)據(jù)采集終端處理器，程序采用C語言進行開發(fā)和編寫，以IAR Embedded Workbench軟件環(huán)境作為下位機軟件開發(fā)調(diào)試平臺。其中包括了節(jié)點各個模塊的初始化、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、通過無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)發(fā)送等軟件設(shè)計。整個下位機軟件程序總流程見圖4。

節(jié)點模塊上電啟動后，首先是各個模塊的復(fù)位初始化，并打開全局中斷，然后處理器啟動Wi-Fi通信并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，便可進行數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程監(jiān)測。接下來進行環(huán)境因子的采集，包括空氣中CO2的濃度、空氣濕度及溫度、光照強度等。其中溫度、濕度和CO2含量的數(shù)據(jù)信息以模擬信號的形式輸出，需經(jīng)處理器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出數(shù)字信號，然后對數(shù)字信息進行編輯后，將得到準(zhǔn)確的參數(shù)值按位取出并且有序的存儲到適當(dāng)位置;單片機的輸入/輸出口控制著光照傳感器DVI引腳，上電之后拉低大于1us的時間以啟動系統(tǒng)，緊接著按照需要設(shè)置好所需要的模式，同時接受所采集的數(shù)據(jù)。

單片機依靠串口通信，控制著Wi-Fi模塊，每發(fā)出AT+i命令相應(yīng)的都會返回一個信息且代碼長度不定，在處理器設(shè)置一個大容量的數(shù)組變量來參比返回代碼，處理器根據(jù)參比返回代碼的結(jié)果，決定下一步工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)的接收方式主要是中斷形式。Wi-Fi模塊與上位機之間的連接建立，采用基于TCP/IP協(xié)議的面向連接的流式套接字方式。

3．2 監(jiān)測中心服務(wù)端軟件設(shè)計 監(jiān)測中心軟件是人機交互界面，涉及到通信、數(shù)據(jù)顯示兩部分，即要通過Wi-Fi模塊控制微環(huán)境的采集節(jié)點以及傳輸數(shù)據(jù)，又要提供給遠(yuǎn)程監(jiān)測者一個易操作、可視化、友好性界面，使操作員通過軟件實時得了解監(jiān)測區(qū)域所有監(jiān)測節(jié)點的當(dāng)前運行狀況等數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用以Microsoft Visual Studio2008為開發(fā)平臺設(shè)計，采用MFC消息響應(yīng)方式，C#語言編寫監(jiān)測界面，實時把數(shù)據(jù)繪制成動態(tài)曲線［7］。圖5所示為監(jiān)測界面軟件流程。

現(xiàn)場采集節(jié)點與遠(yuǎn)程監(jiān)測點的通信是采用Windows Sockets網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的技術(shù)實現(xiàn)，以流式套接字(SOCK_STREAM)的方式進行程序開發(fā)，保證了數(shù)據(jù)的傳輸無差錯、有序、無重復(fù)。此外，該監(jiān)控系統(tǒng)即在PC端又能在便攜式終端對監(jiān)控中心的各項環(huán)境因子進行實時顯示，終端只需通過IP地址添加即可完成擴展，增大了系統(tǒng)應(yīng)用的便捷性。

3．3 監(jiān)測中心服務(wù)端系統(tǒng)實現(xiàn) 監(jiān)測中心服務(wù)端系統(tǒng)主要包括用戶注冊和登陸、實時監(jiān)控2大模塊。在注冊和登陸模塊中，提供用戶首次登陸需注冊，注冊成功后，用戶信息寫入監(jiān)測用戶信息數(shù)據(jù)庫，再次登陸時，只需提供用戶名及密碼即可;實時監(jiān)測模塊包括現(xiàn)場采集到環(huán)境因子信息顯示、實時曲線圖及監(jiān)測報告3部分組成。

現(xiàn)場環(huán)境因子信息顯示主要顯示大棚各項環(huán)境因素的當(dāng)前數(shù)據(jù)與狀態(tài)，其界面見圖6。例如根據(jù)農(nóng)作物及生長階段的不同適宜溫度也不同，溫度測量需要顯示農(nóng)作物的種類、生長階段、適宜溫度、當(dāng)前溫度及監(jiān)測時間等信息，若當(dāng)前值低于或高于適宜溫度范圍，則當(dāng)前值以“紅色”形式進行顯示，若當(dāng)前值在設(shè)定范圍內(nèi)，則當(dāng)前值以“藍(lán)色”形式進行顯示。這樣，監(jiān)測中心可以直觀地看到大棚各項環(huán)境因子是否在允許范圍之內(nèi)，并通過監(jiān)測報告告知當(dāng)前的狀態(tài)及是否有必要采取相應(yīng)措施(如是否增溫)。另外，界面的變化曲線圖為用戶提供直觀的環(huán)境因子變化趨勢。圖6是2號大棚辣椒發(fā)芽階段溫度實時曲線，X軸表示時間，Y軸表示溫度。

界面還提供了現(xiàn)場數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)模塊，系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)中，一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，可以按照時間及大棚號對大棚的歷史數(shù)據(jù)進行恢復(fù)。除此之外，掌握歷史數(shù)據(jù)以及同一時期數(shù)據(jù)，可以通過環(huán)境因子變化找到一定的規(guī)律，方便進行科學(xué)的大棚管理。

4 結(jié)語

該研究提出的一種基于Wi-Fi技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中溫室監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程布線困難的問題，又由于監(jiān)測終端具有易擴展及使用便捷性的特點，使得用戶隨時隨地對農(nóng)業(yè)大棚各環(huán)境影響因子進行監(jiān)控。該系統(tǒng)硬件設(shè)計具有抗干擾、低功耗及低成本的特點，軟件設(shè)計具有運行穩(wěn)定、顯示流暢、曲線清晰等優(yōu)點，為農(nóng)業(yè)大棚溫室環(huán)境監(jiān)測提供了更有效、有力的解決方案。

［1］溫陽，徐曉輝．無線通信在智能溫室系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．自動化與儀表，2007(5):48－51．

［2］MOZUMDAR M M R，GREGORETTI F，LAVAGNO L，et al．A framework for modeling，simulation and automatic code generation of sensor network application［C］//SECON 08．5th Annual IEEE Communications Society Conference on．IEEE，2008:515 －522．

［3］牛孝國，朱桂芝，夏寧，等．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集研究進展［J］．中國農(nóng)學(xué)通報，2009(24):515－519．

［4］吳麗娜，盧會國．基于Web的智能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］．氣象水文海洋儀器，2014(2):74－77．

［5］李麗麗，施偉．農(nóng)業(yè)大棚嵌入式無線溫控系統(tǒng)設(shè)計［J］．中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27(33):278 －282．

［6］郭陽雪．農(nóng)業(yè)大棚溫度遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(3):1308 －1310．

［7］NET 開發(fā)經(jīng)典名．C#高級編程［M］．9 版．北京:清華大學(xué)出版社，2014．