蔡長(zhǎng)安

(鹽城師范學(xué)院信息工程學(xué)院, 江蘇 鹽城 224002)

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蔡長(zhǎng)安

(鹽城師范學(xué)院信息工程學(xué)院, 江蘇 鹽城 224002)

摘要：農(nóng)作物的生長(zhǎng)速度與溫濕度有緊密的聯(lián)系，溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)而言，極其重要.設(shè)計(jì)了基于TI的CC2530射頻收發(fā)器以及數(shù)字溫濕度傳感器SHT10構(gòu)成的無線傳感器節(jié)點(diǎn), 使用ZigBee 技術(shù)組建無線溫濕度傳感遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)具備性能穩(wěn)定、擴(kuò)展性好、功耗低，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域.

關(guān)鍵詞：溫濕度監(jiān)測(cè)；ZigBee技術(shù)；CC2530；Cortex-A8

大棚的溫濕度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育最主要的因素.它的作用是用來改變植物的生長(zhǎng)環(huán)境，為植物提供適度的生長(zhǎng)發(fā)育條件，避免一年的四季變化和惡劣氣候影響作物的生長(zhǎng).大棚常以采光和覆蓋材料作為主要結(jié)構(gòu)材料，它能不受地區(qū)和季節(jié)氣候等條件的限制，調(diào)節(jié)農(nóng)作物生產(chǎn)時(shí)間，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量.雖然有些大棚安裝了一些降溫、加熱、加濕除濕的設(shè)備，很多操作都是由人工來控制完成，當(dāng)大棚數(shù)量較多時(shí)，職員的勞動(dòng)強(qiáng)度仍然是比較大的，且溫濕度也無法準(zhǔn)確地控制.采用基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的溫室大棚解決方案，可以實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)溫濕度的智能控制，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度.

1大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

大棚的溫濕度信息首先由傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采集.運(yùn)用ZigBee協(xié)議、無線收發(fā)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，再通過串口將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送給嵌入式平臺(tái)[1]，然后再通過網(wǎng)絡(luò)方式供遠(yuǎn)程的PC端管理或查看.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要有： 溫濕度傳感器SHT10、 芯片CC2530、 Flash存儲(chǔ)芯片和電源模塊. 當(dāng)系統(tǒng)的傳感器測(cè)試到有溫度和濕度的有關(guān)信息后， CC2530就對(duì)采集到的濕度和溫度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理， 處理的信息通過倒F天線發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器節(jié)點(diǎn)， 與協(xié)調(diào)器進(jìn)行間接無線通信.

圖2　傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1傳感器模塊

溫濕度傳感器選擇瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11.該芯片是智能型芯片，可以同時(shí)檢測(cè)濕度和溫度值.SHT11 工作電壓在2.4 ～ 5.5 V 的范圍內(nèi)，測(cè)量的溫度范圍為-40.0 ～ 123.8℃ ，精度達(dá)到± 0．4℃;測(cè)量的濕度范圍為0～ 100%RH ，其采集精度為± 3.0% RH，符合大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的要求.

2.1.2CC2530

本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530片上系統(tǒng)芯片作為核心配件.CC2530是基于2.4GHz的IEEE802.15.4ZigBee無線通訊協(xié)議的芯片.CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程128K閃存和8KB的RAM.由于CC2530提供的外設(shè)集比較廣泛，因此要構(gòu)建ZigBee節(jié)點(diǎn)只需要用比較少的的外圍電路.

2.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

傳感器把采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理后，再通過串口傳輸?shù)角度胧狡脚_(tái).基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)采用RS-232通訊接口，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器使CC2530無線射頻模塊和PC機(jī)之間通信，RS-232串口電路將采集到溫度和濕度信息數(shù)據(jù)傳給PC機(jī).RS232規(guī)定的高低電平標(biāo)準(zhǔn)與CC230的TTL電平標(biāo)準(zhǔn)不一致.電平轉(zhuǎn)換采用MAX232，典型的電平轉(zhuǎn)換電路可參看文獻(xiàn)[2].

2.3嵌入式平臺(tái)

串口接收傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送來的數(shù)據(jù)信息，顯示溫度和濕度，并進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)接收遠(yuǎn)程PC端對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，通過網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程的PC端發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，這一系列工作是由嵌入式平臺(tái)來完成的.這里的嵌入式網(wǎng)關(guān)主要由CORTEX-A8處理器OMAP3530實(shí)現(xiàn).本嵌入式平臺(tái)采用核心板外加底板的形式，支持Linux、Windows CE 6.0系統(tǒng)和Google Android操作系統(tǒng).TI的OMAP3530處理器為板的核心，該核心板有一個(gè)7寸TFT 24位液晶觸摸屏，接口資源比較豐富，擴(kuò)展了通用的存儲(chǔ)器、通訊接口.

2.4PC平臺(tái)

PC端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求是通過網(wǎng)絡(luò)向嵌入式平臺(tái)發(fā)出的，獲取一定的溫濕度值.PC端即遠(yuǎn)程的主機(jī)，它對(duì)接收到的溫濕度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，然后提交給控制中心，控制中心再進(jìn)行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)溫濕度進(jìn)行調(diào)控的目的.

3系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

圖3　傳感節(jié)點(diǎn)的程序流程圖

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大棚的溫濕度系統(tǒng)軟件采用TI公司的Z-Stack-CC2530-2.3.0 -1.4.0 協(xié) 議 棧 進(jìn)行設(shè)計(jì)， 用 IAR Embedded WorkbenchV8.0 for 8051集成開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā).開始工作時(shí)，上位機(jī)開啟串口連接，設(shè)置波特率、串口號(hào)等一系列參數(shù).下位機(jī)在協(xié)調(diào)器上電后，根據(jù)PANID號(hào)，啟動(dòng)并組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并等待路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò).完成組網(wǎng)后，大棚內(nèi)的所有溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)就可以采集溫濕度值， 采集到的溫濕度值可以直接發(fā)送到串口上，或者經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)間接發(fā)送到與協(xié)調(diào)器連接的RS-232串口上.在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中， 路由器節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)， 其功能模塊基本和協(xié)調(diào)器類似.對(duì)接收到的溫濕度等信息進(jìn)行處理，提交控制中心進(jìn)行后續(xù)的控制動(dòng)作.其程序流程圖如圖3所示.

3.1傳感節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，要初始化硬件和協(xié)議棧.初始化結(jié)束后，查找附近是否有Zigbee網(wǎng)絡(luò)，如果發(fā)現(xiàn)附近有Zigbee網(wǎng)絡(luò)，就會(huì)發(fā)出加入請(qǐng)求.在加入到Zigbee網(wǎng)絡(luò)成功之后，進(jìn)入休眠模式，等待有無條件中斷的產(chǎn)生.如果有中斷產(chǎn)生，就對(duì)中斷做出判斷，然后作出是否響應(yīng)或執(zhí)行[3].

3.2協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要是建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)工作，同時(shí)會(huì)協(xié)調(diào)在組建網(wǎng)絡(luò)中的安全層及其應(yīng)用層的綁定等工作，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置完成后，其退化成路由器[4].在組建網(wǎng)絡(luò)的過程中，協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)絡(luò)地址的分配、節(jié)點(diǎn)成員的加入、信息的轉(zhuǎn)發(fā)與收集等來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建.

3.3嵌入式平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

嵌入式平臺(tái)主要的功能數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)關(guān)，利用RS-232串口接收協(xié)調(diào)器傳送過來的溫濕度數(shù)據(jù)信息，并對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，然后經(jīng)過Interne網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的PC機(jī).串口的讀寫操作用的是Linux底層串口操作，讀寫串口的方式采用非阻塞式，實(shí)現(xiàn)用的是QT在Linux環(huán)境下編寫的應(yīng)用程序[5]，采用多線程循環(huán)的方法解析處理Internet部分?jǐn)?shù)據(jù).

3.4PC端程序的設(shè)計(jì)

上位機(jī)的應(yīng)用程序在PC機(jī)運(yùn)行.基于Internet的Web服務(wù)后臺(tái)監(jiān)控中心管理軟件采用Visual studio 2010和SQL server 2008數(shù)據(jù)庫開發(fā).主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)大棚的溫濕度值，控制各個(gè)大棚的溫度和濕度在一個(gè)合適的界限內(nèi).當(dāng)大棚內(nèi)的溫濕度超過設(shè)定的界限時(shí), PC機(jī)就會(huì)發(fā)送命令通知相應(yīng)的下位機(jī)采取相應(yīng)的動(dòng)作，例如增溫加濕等措施.

4應(yīng)用效果與分析

圖4　溫室環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)

我們?cè)谀赤l(xiāng)鎮(zhèn)的3個(gè)農(nóng)戶進(jìn)行了6個(gè)大棚的試點(diǎn)，大棚內(nèi)種植了蔬菜，每個(gè)用戶有幾個(gè)大棚.用戶認(rèn)為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)有很大的作用，系統(tǒng)在超過了某設(shè)定溫濕度值后有報(bào)警功能，他們不用再跑到每個(gè)大棚里監(jiān)測(cè)溫濕度.監(jiān)控系統(tǒng)能根據(jù)作物生物的需要，自動(dòng)地開關(guān)窗簾、加溫降濕等，用戶可以遠(yuǎn)程查看設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行情況，方便靈活管理.圖4和5分別表示信息采集節(jié)點(diǎn)和查詢信息.

圖5　服務(wù)端查詢的信息報(bào)警情況

該系統(tǒng)可以精確采集溫室中的濕濕度信息，后臺(tái)可以把環(huán)境信息推送到農(nóng)戶手機(jī)上，為用戶提供參考.今后還可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程程技術(shù)咨詢、病蟲害遠(yuǎn)程診斷等功能.

5結(jié)束語

運(yùn)用無線射頻CC2530芯片為核心組建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資成本不高、功耗低、組網(wǎng)比較快、通信非常靈活的特點(diǎn)[6]，同時(shí)，基于Internet的Web服務(wù)后臺(tái)可以提供非常便捷的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能.該溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)中，具有很好的實(shí)用性.

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編校：晴川)

Design of Greenhouse Temperature and Humidity Monitoring System Based on the Internet of Things

CAI Changan

(School of Information Engineering, Yancheng Teachers University, Yancheng Jiangsu 224002, China)

Abstract：For modern agricultural greenhouse production, temperature and humidity monitoring is very important. The wireless sensor nodes based on CC2530 TI and digital temperature and humidity sensor SHT10 are designed. The wireless sensor and remote monitoring system based on ZigBee technology is constructed. The system has good performance, good scalability and low power consumption, and can be widely used in the field of agricultural environment temperature and humidity monitoring

Key Words：temperature and humidity monitoring; ZigBee technology; CC2530; Cortex-A8

中圖分類號(hào):TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-4681(2016)02-0070-03

作者簡(jiǎn)介：蔡長(zhǎng)安(1964— )，男，江蘇鹽城人，鹽城師范學(xué)院信息工程學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士.研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用.

基金項(xiàng)目：鹽城市科技局科研項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：YKN2013012).

收稿日期：2015-12-01