程盛陽+程俊靜

摘 要：在互聯(lián)網+的時代，物聯(lián)網技術在農業(yè)中得到越來越多的應用。本文運用嵌入式微處理器構建農業(yè)大棚溫濕度控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)上加載WiFi模塊后成為物聯(lián)網智能設備，經無線局域網路由器訪問Internet，將采集數(shù)據(jù)上傳至Ayla物聯(lián)網云平臺。編制智能手機APP及時查詢Ayla平臺數(shù)據(jù)，獲得溫度與濕度數(shù)值。在寬6米、長50米、頂高2.5米的大棚中軸線方向，每隔10米設置一個測量、噴灌、通風的監(jiān)控單元，實現(xiàn)遠程啟動噴灌與通風，提高了工作效率和現(xiàn)代農業(yè)智能化控制水平。

關鍵詞：智能農業(yè)大棚；物聯(lián)網；云平臺；WiFi

中圖分類號：TP393.2 文獻標識碼：A

Abstract：In the era of internet plus，IOT（Internet Of Things）technology is widely applied in agriculture.This paper constructs a temperature and humidity monitoring system in greenhouses through the embedded microprocessor.The system accesses the internet through the WLAN （Wireless Local Area Network） router，and uploads the collected data to the Ayla IOT cloud platform.The temperature and humidity data can be timely acquired through the application on the smart phone.Along the axis of the greenhouse（6 meters wide，50 meters long and 2.5 meters high），a monitoring unit is set up every 10 meters for measurement，irrigation and ventilation.The system effectively improves the work efficiency and the intelligent management in modern agriculture.

Keywords：smart greenhouses；internet of things（IOT）；cloud platforms；WiFi

1 引言（Introduction）

物聯(lián)網（Internet Of Things，IOT）可以理解為具備傳感器的物體通過組網部件，依據(jù)特定的通信協(xié)議相互連接的互聯(lián)網，實現(xiàn)智能化識別，物與物數(shù)據(jù)交互，人對物的監(jiān)控和管理[1]。在互聯(lián)網+時代，基于物聯(lián)網技術的智能農業(yè)應運而生。本設計針對傳統(tǒng)小規(guī)模個體農業(yè)模式正轉變成大規(guī)模農場模式，農田水電基礎設施不斷完善，塑料大棚得到了廣泛應用趨勢，依托Ayla物聯(lián)網云平臺實現(xiàn)農業(yè)大棚溫濕度遠程監(jiān)控[2]。

2 系統(tǒng)方案設計（System design）

本系統(tǒng)分為主控機系統(tǒng)、WiFi通信模塊、WiFi路由器、智能控制終端、物聯(lián)網云服務器平臺等部分[3]，如圖1所示。

系統(tǒng)基本原理是：大棚安裝溫度傳感器、土壤里埋有濕度傳感器，主控微機周期性地采集兩個傳感器信號，與WiFi模塊通信，經無線路由器上傳至物聯(lián)網云平臺數(shù)據(jù)庫。主人可用手機上互聯(lián)網云平臺查看大棚溫度、濕度。當溫度過高需要通風或土壤太干需要澆水時，在手機APP上點擊通風、噴灌圖標，發(fā)送指令到互聯(lián)網云服務器、路由器、WiFi模塊通信模塊，送至主控微機，產生通風或噴灌信號，觸發(fā)繼電器，打開通風機或水閥周期性地放水，放水10秒鐘，暫停20秒，直至達到設定的溫濕度指標，主機監(jiān)控系統(tǒng)自動停止通風、放水，達到遠程控制的目的。

3 硬件配置（Hardware devices）

（1）主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)包括主機、測量、控制、通信幾個部分。主控機是系統(tǒng)的核心部分，負責接收來自云平臺的主人指令，并按照設定程序上傳溫濕度參數(shù)或控制噴灌、通風機開啟，達到設定值后自動關閉。主機選用ST公司出品的32位ARM微控制器STM32F103，在芯片原有典型電路的基礎上加上保護電路即可應用于產品STM32F103的最小系統(tǒng)[4]，最小系統(tǒng)電路結構簡單，布線方便，只需接很少元件即能正常工作。

溫度傳感器選用達拉斯公司生產的DS18B20，體積小，抗干擾能力強，檢測溫度范圍為-55°C—+125°C，全數(shù)字溫度轉換及輸出，與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)雙向通訊，最高12位分辨率，可選擇寄生工作方式，內置EEPROM，限溫報警功能，測量電路如圖2所示。

濕度檢測器選用LM393，測量電路如圖3所示。J是兩個插片，插在土壤里，根據(jù)事先的工作我們測出了一般較濕潤的土壤在固定的探針間的電阻在幾百歐，AC口用來采集電壓值，當土壤濕度少時，探針間電阻接近無窮大，AC值就相當于是VDD值，當土壤濕度大時，此時探針的電阻會減少到幾千甚至幾百歐，此時AC的電壓會變化。LM393是一個比較器通過設置一個標準值，當濕度大（AC值小），OUT輸出低電平，相反輸出高電平。

（2）WiFi通信模塊

WiFi模塊采用了USI公司的一顆Ayla模組，型號WM-N-BM-09A，內置無線網絡協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧及TCP/IP協(xié)議棧，模塊包含了一個BCM433621信號芯片和一個STM32F205的MCU，一個2.4GHz的WLAN CMOS功率放大器，提供了電子配件WICED授權，具有集成的IEEE802.11b/g和手持設備級802.11n，滿足系統(tǒng)輸出功率，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)到無線網絡之間的轉換[5]，其組成機構如圖4。

該嵌入式串口模塊支持USB接口，支持最大帶寬為65Mbit/s[6]，負責建立主機系統(tǒng)和手機APP的一個通路，通過無線局域網連接到路由器，再與遠程服務器連接進行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)傳輸，達到遠程控制的目的。

（3）WiFi路由器

實際工作中設立功率較大的無線AP站點，實驗時選用了常用了TP-LinK TL WR720N便攜式無線路由器。

（4）智能控制終端

可用平板電腦或智能手機，本人使用Android系統(tǒng)華為手機榮耀6。

（5）執(zhí)行機構

主控機輸出噴水、通風開關信號后，經繼電器控制水泵與通網機的交流接觸器、電動機完成相應動作，電動機根據(jù)負載大小選擇。

4 軟件設計（Software design）

本系統(tǒng)主控機軟件是在Keil開發(fā)環(huán)境編寫的嵌入式程序代碼，包括主控機主程序、主控機與WiFi模組通信程序、通信模組與云平臺通信程序。

4.1 單片機主控程序

主控機STM32F103正常定時采集輸入兩傳感器的數(shù)據(jù)，同時與WiFi模塊SPI接口通信，向云端上傳采集數(shù)據(jù)，或接收云端噴灌、通風指令。所以主程序上電初期需要先初始化I/O口，通信串口，做好相應的定時器、時鐘的配置，運行WiFi模塊的驅動等，在程序完成相關的中斷和外設初始化后，便進入了主函數(shù)，流程圖如圖5所示。

SPI中斷執(zhí)行采集數(shù)據(jù)經WiFi模塊上傳，以及下載手機指令，顯示相關數(shù)據(jù)或執(zhí)行打開噴灌與風機的操作。

4.2 云平臺通信程序

WiFi模塊完成與Ayla物聯(lián)網云平臺的通信，主機將采集數(shù)值賦給預定的結構變量，再打包成TLV格式，通過SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到WiFi模塊，經依Http協(xié)議上傳存入Ayla平臺數(shù)據(jù)庫中，流程圖如圖6所示。

手機APP發(fā)出的控制指令上傳云平臺，是由WiFi模塊監(jiān)聽與接收云端請求建立連接，下載云端指令到主控機，依據(jù)定義協(xié)議、變量屬性執(zhí)行打開噴灌與通風指令[7]，其通信傳輸過程與上傳數(shù)據(jù)相反。

通過APP查詢實時溫濕度，是經Internet與云平臺建立Http連接，訪問Ayla提供的數(shù)據(jù)庫，在Web中顯示出來。

4.3 手機客戶端APP程序

手機客戶端APP程序設計采用Android開發(fā)工具Eclipse IDE，它集成了ADT等實用插件，開發(fā)環(huán)境采用的是JDK、Eclipse及Android SDK，安卓手機智能設備客戶端軟件功能主要分為登錄管理、設備管理、設備控制、網絡配置管理、歷史記錄管理幾個模塊部分。本設計采用Ayla的標準WiFi模組，Ayla提供了相應的API文檔和Demo供開發(fā)者參考。基于Ayla提供的框架基礎，很方便地做功能性的調整便設計出了一款APP，它包含了實時溫度、濕度查詢，遠程打開通風與噴灌開關等功能。

4.4 物聯(lián)網云服務器平臺設置

艾拉物聯(lián)（Ayla Networks）是服務于企業(yè)級的敏捷物聯(lián)網云平臺，將樓宇、車間的智能設備連入Ayla云平臺，為客戶提供設備與云平臺，再與移動App的安全連接，實現(xiàn)云端管控，可隨時隨地的移動應用訪問。Ayla網站：http：//www.ayla.com.cn，可免費注冊。在登錄Ayla云平臺需要進行配置，根據(jù)實際控制需求去建立云平臺虛擬變量。

如圖7所示是進入Ayla Developer Center可選擇Register New Device綁定設備，云平臺端的設置必須與MCU端的設置完全一致才能夠正確傳輸指令。我們在變量修改頁面可以看到PROPERTIES欄有如下選項：SHOW ALL、ADD、SEARCH。單擊ADD按鈕，依次建立與Ayla模組的MCU里相同的變量。把所有的變量都建立完成后，通過云平臺改變一個變量的值，所控設備就會執(zhí)行相應的動作了。

5 結論（Conclusion）

艾拉物聯(lián)（Ayla Networks）是企業(yè)級物聯(lián)網云平臺，其端到端解決方案能夠連通設備、云和移動App，在智能農業(yè)大棚中可以根據(jù)面積大小設置若干個AP點，為客戶智能系統(tǒng)，實現(xiàn)云端管理，移動應用訪問及遠程控制，有著廣闊的應用前景[8]。

參考文獻（References）

[1] Weber R H，Weber R.Internet of Things[M].Springer，2010.

[2] Jiangchen，Zhoulei，Liuxiaoju.Research on the Intelligent

Monitoring System of Indoor Electrical Safety Based on the Internet of Things[J].Advanced Materials Research，2014（1）：2-6.

[3] Jayavardhana Gubbi，et al.Internet of Things （IoT）：A Vision，Architectural Elements，and Future Directions[J].Future Generation Comguter Systems，2013（7）：13-17.

[4] 袁霞，羅克露.STM32和CC2520的智能家居系統(tǒng)網關設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2013，05：70-73.

[5] 張逢雪，等.基于STM32單片機的無線智能家居控制系統(tǒng)[J].自動化技術與應用，2011，08：98-101.

[6] T Vaithianathan，H Zhou，JHauer.Wireless Bi-Directional Data Link for an EEG Recording System UsingSTM32[C].Medical Measurements and Applications （Me Me A），2014 IEEE International Symposiumon，2014，18（60）：1-5.

[7] 盧文俊，冷杉，楊建軍.基于Modbus協(xié)議的控制器遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力自動化設備，2003，06：54-56.

[8] 李道亮.物聯(lián)網與智慧農業(yè)[J].農業(yè)工程，2012，2（1）：1-6.

作者簡介：

程盛陽（1996-），男，本科生.研究領域：物聯(lián)網工程技術.

程俊靜（1963-），男，碩士，副教授.研究領域：計算機控制系統(tǒng).