孫天生 朱薪豪 程磊 侯艷艷 張宇

【摘要】農(nóng)業(yè)大棚的智能化管理在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中具有重要意義，本論文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧草莓園監(jiān)控系統(tǒng)，智慧草莓園監(jiān)控系統(tǒng)采用當(dāng)前熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方法，將溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、土壤濕度傳感器、熱釋紅外感應(yīng)傳感器集成在無(wú)線通信模塊上，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)草莓園生產(chǎn)過程中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)草莓園環(huán)境的自動(dòng)保溫、保濕、土壤濕度、歷史數(shù)據(jù)的記錄和安防監(jiān)測(cè)等功能。

【關(guān)鍵詞】 智慧草莓園 ZigBee 嵌入式網(wǎng)關(guān) QT

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

近年來(lái)，各種農(nóng)產(chǎn)品大棚種植形式在農(nóng)產(chǎn)品種植產(chǎn)業(yè)中發(fā)展迅猛，為農(nóng)產(chǎn)品種植戶帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，但是大棚本身有著較繁瑣的構(gòu)建工序，而且成本較高。而將智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用到大棚生產(chǎn)以后，產(chǎn)量與質(zhì)量比人工控制的大棚都會(huì)有極大的提高，可極大的降低勞動(dòng)力成本。

智慧草莓園系統(tǒng)分為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和主控中心三個(gè)部分。嵌入式網(wǎng)關(guān)采用基于ARM A8處理器的開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)系統(tǒng)的主控中心。網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)串口與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，收集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，通過SOCKET通訊傳給UI界面進(jìn)行查看控制；另一方面通過網(wǎng)線與無(wú)線路由器連接，架起了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與局域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通訊渠道，將物聯(lián)網(wǎng)連入了互聯(lián)網(wǎng)，通過無(wú)線路由器，可以設(shè)置系統(tǒng)的溫度和濕度參數(shù)，進(jìn)而遠(yuǎn)程控制執(zhí)行器件來(lái)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了人與物之間的信息交互。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊

嵌入式網(wǎng)關(guān)采用基于ARM A8處理器的開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)系統(tǒng)的主控中心，

由ARM嵌入式系統(tǒng)及其外擴(kuò)器件（無(wú)線網(wǎng)卡、無(wú)線路由器、GPRS模塊、攝像頭）組成。

2.2無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)

智慧草莓園的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件采用模塊化的思路完成設(shè)計(jì)，主要包括傳感器模塊、控制器模塊和ZigBee無(wú)線通信模塊三部分。傳感器模塊和控制器模塊是搭載在ZigBee無(wú)線通信模塊之上。

這樣的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方便用戶更換器件，最大限度的滿足實(shí)際設(shè)計(jì)的需求。其中ZigBee無(wú)線通信模塊和傳感器模塊組合為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，ZigBee無(wú)線通信模塊和控制模塊組合為控制節(jié)點(diǎn)。

2.2.1 ZigBee無(wú)線通信模塊

ZigBee無(wú)線通信模塊是由核心板和外接主板組成。

ZigBee無(wú)線通信核心板的主控芯片采用TI公司生產(chǎn)的ZigBee無(wú)線通信芯片CC2530，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳感器以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。CC2530是一個(gè)真正用于IEEE802.15.4的ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案，其能以較低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU，在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，8kB的RAM和其他功能，且適合需要超低功耗的系統(tǒng)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，完成各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總打包，并將打包后的數(shù)據(jù)信息通過串口傳送給嵌入式網(wǎng)關(guān)。

2.2.2傳感器模塊

傳感器模塊由不同的傳感器實(shí)現(xiàn)，包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、土壤濕度傳感器和熱釋紅外傳感器。

（1）溫濕度傳感器

溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采用SHT10采集農(nóng)業(yè)大棚中的溫度和濕度，工作電壓2.4-2.5V，測(cè)濕精度為+-4.5%RH，足以滿足大棚要求。SHT10采用SMD貼片封裝，用兩條串行線與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)采集完后ZigBee無(wú)線通信芯片將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，完成了一次數(shù)據(jù)采集。

（2）光照度傳感器

光照度傳感器實(shí)現(xiàn)光照數(shù)據(jù)采集功能，它采用光敏電阻采集環(huán)境的光照度信息，當(dāng)光照度發(fā)生變化時(shí)，光敏電阻的阻值會(huì)減小。數(shù)據(jù)采集后轉(zhuǎn)化為電壓值送給CC2530單片機(jī)，并通過CC2530單片機(jī)的射頻通信模塊將數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，完成一次數(shù)據(jù)采集，相關(guān)電路如圖3-2所示，光照傳感器電路輸出的為電壓模擬信號(hào)，需要用CC2530內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，光照度傳感器與CC2530的P0_0相連，P0_0端口設(shè)置為ADC輸入工作模式。

2.3控制器模塊

控制模塊主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)控制，主要由繼電器及控制電路組成。采用USB接口與外圍設(shè)備連接?？刂乒?jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)執(zhí)行上協(xié)調(diào)器發(fā)送的開關(guān)設(shè)備的命令。

控制節(jié)點(diǎn)配備繼電器模組，通過繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，調(diào)節(jié)室內(nèi)的通風(fēng)。光照度采集節(jié)點(diǎn)將光照信息采集送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器向網(wǎng)關(guān)發(fā)送實(shí)時(shí)光照度數(shù)據(jù)，通過繼電器控制設(shè)備的開關(guān)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要組成部分。本系統(tǒng)分無(wú)無(wú)線傳感器模塊ZigBee協(xié)議棧軟件設(shè)計(jì)部分和嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)部分。ZigBee協(xié)議棧主要負(fù)責(zé)信息和的采集并且與嵌入式網(wǎng)關(guān)通信，嵌入式網(wǎng)關(guān)界面的設(shè)計(jì)主要是與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊通信同時(shí)進(jìn)行服務(wù)器相關(guān)處理。

3.1嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件平臺(tái)搭建

嵌入式網(wǎng)關(guān)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)軟件主要包括主控程序包括嵌入式網(wǎng)關(guān)的界面設(shè)計(jì)，ZigBee協(xié)調(diào)器的通信及控制功能，網(wǎng)關(guān)接入Internet功能。Qt主控程序封裝了所有有關(guān)ZigBee的操作，實(shí)時(shí)接收傳感器數(shù)據(jù)，保存最近的傳感器數(shù)據(jù)，保存系統(tǒng)設(shè)置，完成自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)UDP服務(wù)器用于和其它進(jìn)程通信。本系統(tǒng)采用Qt軟件開發(fā)人機(jī)交互界面，采用串口通信方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)通信，采用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)接入Internet功能，通過UDP方式與網(wǎng)頁(yè)CGI程序通信，使CGI程序可以控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

3.2嵌入式網(wǎng)關(guān)的界面實(shí)現(xiàn)

Qt是Nokia開發(fā)的跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，支持面對(duì)對(duì)象及跨平臺(tái)軟件開發(fā)，通過交叉編譯很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能擴(kuò)展與代碼一直，并且允許真正地組件編程，從而利用各個(gè)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了新環(huán)境下原有軟件的研發(fā)。

嵌入式網(wǎng)關(guān)的主界面采用QT語(yǔ)言編寫，整個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主要分為：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、控制、設(shè)置四部分功能。其中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用于采集草莓園內(nèi)個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以觀察到草莓園內(nèi)的實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息，歷史數(shù)據(jù)可以對(duì)草莓園內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，研究人員可以方便的研究各種數(shù)據(jù)信息對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響，可以采取手動(dòng)和自動(dòng)的模式來(lái)管理草莓園內(nèi)的控制設(shè)備，設(shè)置主要用于設(shè)置大棚內(nèi)的個(gè)環(huán)境因素的閾值，通過閾值的設(shè)置，可以更加方便自動(dòng)控制系統(tǒng)模式的管理，而且特別配備的安防系統(tǒng)也可以真正的實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的功。

3.3 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制主要包含HTML顯示頁(yè)面、AJAX請(qǐng)求腳本、PHP編寫的CGI接口，主要完成通過UDP向Qt主程序發(fā)送請(qǐng)求并獲得數(shù)據(jù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)的創(chuàng)意在于將日漸成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。通過無(wú)線采集技術(shù)及無(wú)線控制技術(shù)組建了一個(gè)可以遠(yuǎn)程管理的農(nóng)業(yè)大棚。采集的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺刂行倪M(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)智慧草莓園監(jiān)控系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析匯總的一體化解決方案。良好的人機(jī)交互界面是嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵，因此開發(fā)具有界面美觀、功能豐富、交互性好的繪圖軟件，便成為了本文的主要研究目標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王汝傳、孫力娟、郭劍等. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用. 人民郵電出版社，2011

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[3] 黃友銳，孫力. 單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2006.