高百惠，徐紅亮

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高百惠，徐紅亮

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚種植作物對(duì)環(huán)境參數(shù)的要求，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。基于CC2530核心芯片完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建，并構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，準(zhǔn)確獲取環(huán)境參數(shù)信息，通過與服務(wù)器對(duì)接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。在服務(wù)器搭建的網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)界面，能夠?qū)崿F(xiàn)大棚變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。試驗(yàn)表明:該農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)可操作性強(qiáng)，傳輸數(shù)據(jù)快捷穩(wěn)定，控制準(zhǔn)確，實(shí)用價(jià)值較高。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

農(nóng)業(yè)智能化為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供了諸多良好發(fā)展途徑，而農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展進(jìn)程中最為重要的非智能大棚建設(shè)莫屬。結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，現(xiàn)階段的智能大棚監(jiān)控方式多以有線監(jiān)控為主，對(duì)生產(chǎn)發(fā)展帶來諸多不便；而通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸速率較高，功率較低，抗干擾性能強(qiáng)，因此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)有利于進(jìn)行環(huán)境參數(shù)信息的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與控制，發(fā)揮較為積極的作用。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，保證農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)控過程實(shí)時(shí)掌握，落到實(shí)處，從而提升監(jiān)控系統(tǒng)的工作質(zhì)量與穩(wěn)定性。因此，本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的監(jiān)控中心為數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過2.4G射頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成整個(gè)系統(tǒng)互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)全程無線通訊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall structure

本系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、網(wǎng)關(guān)監(jiān)控平臺(tái)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分構(gòu)成。在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上分別連接著溫濕度傳感器與光照傳感器，將大棚內(nèi)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳至網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)進(jìn)行匯總分析，從而控制熱循環(huán)系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)及采光系統(tǒng)的工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境。網(wǎng)關(guān)平臺(tái)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將整套數(shù)據(jù)完整傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)在此進(jìn)行儲(chǔ)存并可實(shí)時(shí)顯示在中心的網(wǎng)頁(yè)界面上。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選型

2.1 網(wǎng)關(guān)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)監(jiān)控平臺(tái)包括GPRS遠(yuǎn)程傳輸模塊、CC2530無線處理模塊、多種環(huán)境調(diào)控設(shè)備及繼電器，如圖2所示。

圖2 時(shí)性 網(wǎng)關(guān)監(jiān)控平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Gateway monitoring platform structure

2.1.1 無線處理模塊

芯片CC2530外接電路圖如圖3所示。此芯片內(nèi)部集成了21個(gè)通用GPIO、12位ADC、AES處理器、6個(gè)定時(shí)器、2個(gè)USART、USB2.0全速控制器及DMA控制器等。

圖3 CC2530外接電路圖Fig.3 CC2530 external circuit diagram

2.1.2 GPRS模塊

GPRS使用費(fèi)用相對(duì)低廉，疊加了能夠支持分組數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信技術(shù)與移動(dòng)通信技術(shù)的完美融合[1]；擁有171.2kbps的訪問速度，僅需極其短暫的時(shí)間即可訪問相關(guān)請(qǐng)求。

2.1.3 控制模塊

本系統(tǒng)的控制模塊主要由繼電器構(gòu)成，在自動(dòng)控制電路當(dāng)中，常常使用繼電器作為一種電控器件，它具有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制電路中電路轉(zhuǎn)換及自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，被控制電路中電流電壓等物理量的有效通斷可以通過本控制模塊電路中相應(yīng)物理量來實(shí)現(xiàn)。另外，它還是具有電路隔離能力的自動(dòng)化開關(guān)元件。

2.2 傳感器采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在農(nóng)業(yè)大棚種植作物過程中，為了使種苗生長(zhǎng)在有利的環(huán)境條件下，需要對(duì)影響其生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此在本設(shè)計(jì)中搭建了傳感器采集節(jié)點(diǎn)平臺(tái)。該平臺(tái)由CC2530芯片、傳感器構(gòu)成，用來實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)信息的實(shí)時(shí)采集與傳輸。

2.2.1 溫濕度傳感器

SHT15工作原理如下：濕度和溫度環(huán)境參數(shù)信息通過濕度與溫度傳感器讀取后會(huì)輸出相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，信號(hào)被放大器放大后再由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，處理的過程有糾錯(cuò)校準(zhǔn)、模數(shù)轉(zhuǎn)換；接下來，微處理器會(huì)接收來自二線串行數(shù)字接口傳送的相對(duì)濕度與相對(duì)溫度的具體數(shù)據(jù)，最后通過微處理器來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償[2]。

2.2.2 光照傳感器

本系統(tǒng)的采用光敏電阻與外部電路組合的形式構(gòu)成光照傳感器，此種自定義方式能夠在采集到大棚內(nèi)的日光強(qiáng)度后迅速將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)，從而有效控制采光系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 CSMA/CA算法及偵聽策略

在同一時(shí)間里，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中相同信道內(nèi)只能夠有一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，若網(wǎng)絡(luò)中事先已存在要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，就必須首先獲得信道的使用權(quán)，這就需要發(fā)送該數(shù)據(jù)的終端節(jié)點(diǎn)通過CSMA/CA算法機(jī)制來進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。IEEE802.15.4框架中的CSMA/CA算由3個(gè)變量組成：

1)BE：指的是后退指數(shù)，同CW有緊密聯(lián)系。它既能夠影響后退延遲的時(shí)長(zhǎng)，也可以決定隨機(jī)后退窗口的取值。

2)CW：即競(jìng)爭(zhēng)窗口長(zhǎng)度，指的是數(shù)據(jù)在傳輸前避讓時(shí)隙的個(gè)數(shù)。

3)NB：表示在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生后退的次數(shù)，即初始化清0后每次后退遍加1。

3.2 傳感器終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器添加過程如圖4所示。

圖4 傳感器添加過程Fig.4 The sensor addition process

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器類型為數(shù)字型傳感器，通過CC2530實(shí)現(xiàn)不同模塊對(duì)應(yīng)的功能[3]。傳感器僅需采集相應(yīng)參數(shù)信息，便可以把數(shù)據(jù)植入系統(tǒng)中，通過射頻網(wǎng)絡(luò)RF將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3.3 基于TRNSYS的系統(tǒng)仿真

TRNSYS是一個(gè)瞬態(tài)仿真軟件，用于實(shí)現(xiàn)環(huán)境系統(tǒng)的模擬，由一個(gè)主程序和一些供選擇的模塊與固定配備應(yīng)用構(gòu)成，用戶可以根據(jù)需求使用對(duì)應(yīng)的模塊，設(shè)定輸入條件，應(yīng)用簡(jiǎn)單便捷。

3.3.1 TRNSYS仿真系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)大棚采用控制熱循環(huán)設(shè)備進(jìn)行保溫工作，因此TRNSYS模擬系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)如圖5所示。Building模塊為農(nóng)業(yè)模擬大棚的建筑模型，Macro模塊內(nèi)存放著大棚所在地區(qū)的各項(xiàng)氣象等參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖5 TRNSYS系統(tǒng)模擬圖Fig.5 TRNSYS simulation system diagram

3.3.2 模擬仿真結(jié)果分析

本仿真環(huán)節(jié)分別模擬了大棚在不同目標(biāo)溫度、不同初始溫度及在預(yù)設(shè)定目標(biāo)溫度范圍內(nèi)整個(gè)控溫階段大棚內(nèi)溫度模糊PID系統(tǒng)控制效果，由此得到控制效果圖及數(shù)據(jù)。

1)不同目標(biāo)溫度控制效果。根據(jù)大棚內(nèi)種植的果蔬品種不同，模擬系統(tǒng)中目標(biāo)溫度分別在21～27℃范圍平均選取3個(gè)溫度范圍，圖6為控制效果圖。從圖6中可以看出：3條控溫曲線最終達(dá)到平穩(wěn)的時(shí)長(zhǎng)依此是0.23、0.1、0.265h，溫度精度均控制在±0.1℃內(nèi)。

通過模擬結(jié)果可知：在初始溫度相同的條件下，目標(biāo)溫度不同，系統(tǒng)最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)消耗的時(shí)間是不同的；模糊PID控制系統(tǒng)在控溫環(huán)節(jié)有較好的震蕩性、平穩(wěn)性，控制精度高，調(diào)節(jié)次數(shù)少，時(shí)間短，很好地驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性。

圖6 不同目標(biāo)溫度效果圖Fig.6 The rendering of different target temperatures

2)不同初始溫度控制效果。假設(shè)初始溫度分別為20、21、22℃，模擬系統(tǒng)將大棚溫度控制在25～27℃的效果，如圖7所示。由圖7可以看出： 在不同初始溫度下的各曲線都能夠達(dá)到要求的目標(biāo)溫度，但所需時(shí)長(zhǎng)不同，曲線由上至下達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間依次為0.256、0.335、0.46h，精度均控制在±0.1℃內(nèi)。

模擬效果表明：在溫度初始值不同時(shí)模糊PID控制系統(tǒng)抗干擾性能強(qiáng)、控制精度高。

圖7 不同初始溫度效果圖Fig.7 The rendering of different initial temperatures

3)整個(gè)調(diào)控階段大棚溫度控制效果。假設(shè)預(yù)設(shè)定目標(biāo)溫度范圍分別為25～27℃、23～25℃、21～23℃和19～21℃，大棚溫度控制效果圖如圖8所示。

由圖8可以看出：大棚內(nèi)不同階段的溫度精度均在±0.1℃內(nèi)。由此有效驗(yàn)證了本課題搭建的模糊PID溫度控制系統(tǒng)控制精度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)可行性。

圖8 整個(gè)調(diào)控階段大棚溫度控制效果Fig.8 The control effect of greenhouse temperature in

the whole control stage

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

在成功搭建此基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)后，需要對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行可靠性與穩(wěn)定性測(cè)試分析，主要包括ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試及傳感器性能進(jìn)行測(cè)試。以上測(cè)試全部在天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)航空航天與汽車學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)完成。試驗(yàn)表明：該物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，為農(nóng)業(yè)信息化、智能化發(fā)展提供有力支持。

4.1 溫濕度傳感器性能測(cè)試

本試驗(yàn)中，溫濕度傳感器選用的型號(hào)為SHT15型號(hào)，并且選用數(shù)字顯示溫濕度計(jì)TAS-810型號(hào)做對(duì)比試驗(yàn)型號(hào)來衡量測(cè)量值的準(zhǔn)確程度，如表1和表2所示。

表1 SHT15溫濕度傳感器之溫度測(cè)試

Table 1 Temperature measurement of SHT15 temperature and humidity sensor

SHT15溫度數(shù)據(jù)/℃TAS-810溫度數(shù)據(jù)/℃相對(duì)誤差/%25.325.1-0.8020.620.4-1.0022.222.2021.721.7024.624.70.4027.227.40.74

表2 SHT15溫濕度傳感器之濕度測(cè)試

以上數(shù)據(jù)表明： TAS-810與SHT15測(cè)得的溫度數(shù)值相對(duì)誤差在0～1.0%范圍內(nèi)，濕度數(shù)值相對(duì)誤差在0～1.72%范圍內(nèi)，達(dá)到農(nóng)業(yè)大棚溫濕度精度要求。

4.2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)測(cè)試

為了檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全部節(jié)點(diǎn)是否全部都加入到網(wǎng)絡(luò)中，通過組網(wǎng)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試地點(diǎn)選在天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)F3教學(xué)樓。測(cè)試?yán)锸褂昧?個(gè)終端節(jié)點(diǎn)模塊和1個(gè)協(xié)調(diào)器模塊。為了方便在測(cè)試中了解到整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)情況，在所有電路實(shí)驗(yàn)板上分別安裝顏色各異的指示燈。

整個(gè)組網(wǎng)測(cè)試的流程為：首先打開電源開關(guān)，協(xié)調(diào)器上的發(fā)光二極管就會(huì)在閃爍數(shù)秒后一直保持常亮狀態(tài)，發(fā)光二極管的這種狀態(tài)就代表網(wǎng)絡(luò)組建初步完成。為了繼續(xù)測(cè)試，要在距協(xié)調(diào)器20m的地方安置1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，隨后在每隔20m的位置依次擺放兩終端個(gè)節(jié)點(diǎn)，在同一時(shí)間撥開節(jié)點(diǎn)電源開關(guān)。打開開關(guān)后的節(jié)點(diǎn)電路板上，綠色小燈一直閃爍，黃色小燈處于長(zhǎng)亮狀態(tài)。此種情況表明，這3個(gè)節(jié)點(diǎn)全部加入到協(xié)調(diào)器組建的傳感網(wǎng)絡(luò)中，并處于工作狀態(tài)。通過計(jì)算可知：各終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間在6s左右。最后，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試可知：如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)脫離網(wǎng)絡(luò)的情況，那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)自行舍棄此節(jié)點(diǎn)，再重新創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，沒有脫離網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)會(huì)照常工作，不會(huì)因網(wǎng)絡(luò)重建的過程受到影響。

4.3 ZigBee通信距離測(cè)試

建筑物、天氣等多方面因素會(huì)影響到ZigBee無線傳輸?shù)木嚯x，因此本試驗(yàn)選擇在晴好天氣下的體育場(chǎng)上進(jìn)行。通過采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，每隔一段距離發(fā)送數(shù)據(jù)50次，ZigBee無線通信模塊通信距離測(cè)試如表3所示。

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知：360m為ZigBee最佳無線傳輸距離，在360m距離之外丟包率會(huì)隨著通信距離的增加而增大。結(jié)合本次農(nóng)業(yè)大棚具體情況可得，ZigBee傳輸距離能夠滿足系統(tǒng)需求。

表3 無線通信模塊通信距離測(cè)試

5 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，可移植性強(qiáng)，用戶通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心有效提高了數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，通過數(shù)據(jù)庫(kù)的儲(chǔ)存為大棚環(huán)境研究提供精確而詳實(shí)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)智能化、信息化，為智能農(nóng)業(yè)提供了技術(shù)支持。

[1] 張恩迪.基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)蟲害防治監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(3)：91-94．

[2] 鮑文燕.基于ZigBee的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2016(6)：32-35．

[3] 龔燕飛.基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016,24(13)：52-54．

Design of Monitoring System for Agricultural Production Based on Internet of Things

Gao Baihui, Xu Hongliang

(Tianjin Sino-German University of Applied Technology, Tianjin 300350, China)

Aiming at the requirement of environmental parameters for crops grown in agricultural greenhouses, this paper proposes an agricultural production monitoring system based on Internet of Things. Based on CC2530 to complete the formation of wireless sensor networks and system gateway, achieve data exchange through the docking with the server. We can monitor real-timely the greenhouse form the web platform. The experiment shows that the agricultural automatic production monitoring system is highly operable, with fast and stable data transmission and accurate control as well as high value.

agriculture production; monitor; Internet of Things; wireless sensor network

2016-11-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61571030)

高百惠(1988-),女，哈爾濱人，碩士研究生，(E-mail) gaobaihui1@126.com。

S126；S24

A

1003-188X(2018)02-0207-05