范立南，劉 洲，武 剛，李佳洋，戴 祥

（沈陽大學 信息工程學院，沈陽 110000）

0 引言

目前，發(fā)達國家設施農(nóng)業(yè)已具備了技術(shù)成套、設施設備完善、生產(chǎn)規(guī)范、產(chǎn)量穩(wěn)定、質(zhì)量保證性強等特點，形成了設施制造、環(huán)控調(diào)節(jié)、生產(chǎn)資材為一體的產(chǎn)業(yè)體系，能根據(jù)動植物生長的最適宜生態(tài)條件在現(xiàn)代化設施農(nóng)業(yè)內(nèi)進行四季恒定的環(huán)境自動控制，使得不受氣候條件的影響，實現(xiàn)了周年生產(chǎn)、均衡上市。

當前，國內(nèi)正處在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的過渡時期，智能溫室大棚已經(jīng)成為了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一個重要的組成部分，國內(nèi)智能溫室自動監(jiān)控系統(tǒng)的應用與研究已經(jīng)從引進吸收階段開始向綜合性研究、創(chuàng)新應用階段過渡，未來幾年，物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)將迎來飛速發(fā)展的新時期。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

依據(jù)溫室大棚環(huán)境控制目標及參數(shù)特點，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，設計溫室大棚智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室大棚環(huán)境參數(shù)的全面感知、可靠傳輸與智能處理，達到溫室大棚自動化、智能化、網(wǎng)絡化和科學化生產(chǎn)的目標[1]。該系統(tǒng)由主控系統(tǒng)和節(jié)點相結(jié)合設計，系統(tǒng)可在兩種模式下運行，在沒有網(wǎng)絡的條件下，可以通過人工按鍵模式操作系統(tǒng)。如圖1所示，本設計基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大棚農(nóng)業(yè)監(jiān)測控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對農(nóng)作物的環(huán)境生長參數(shù)指標的監(jiān)測，并通過管理機制，實時改善農(nóng)作物的最佳生長環(huán)境方案。

系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，采用4層結(jié)構(gòu)進行設計，分為感知層、控制層、網(wǎng)絡層、應用層4個部分。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram

1）感知層由各類傳感器和攝像頭組成，用于采集光照強度、土壤溫濕度、CO2濃度、空氣溫濕度以及大棚內(nèi)的圖像。

2）控制層由水簾、風扇、補光燈、散熱器、滴灌管、放風設備、遮陽設備組成，滿足對智能溫室大棚的溫濕度、光照強度等生長條件進行調(diào)控的需求。

3）網(wǎng)絡層由Zigbee收發(fā)設備、路由器、工業(yè)平板電腦、云平臺等組成，通過Zigbee無線傳輸技術(shù)把傳感器數(shù)據(jù)每20s一次發(fā)送給接收器，然后通過工業(yè)平板電腦每20min一次把信息發(fā)送到云平臺上。攝像頭圖像通過路由器實時傳輸?shù)皆破脚_。

4）應用層包括PC端平臺、手機APP和主控制平臺，主控制平臺可以直接對控制層的設備進行控制，PC端和手機APP發(fā)送指令通過云平臺傳輸給主控平臺，完成對控制層設備的控制。

1.2 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功率、低速率、低成本，可靠性高的雙向無線通信技術(shù)，主要用于各種電子設備之間的短距離、低功耗、低傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸和典型周期數(shù)據(jù)、間歇數(shù)據(jù)和響應時間的數(shù)據(jù)傳輸應用[2]。隨著ZigBee技術(shù)的不斷發(fā)展，其應用領域越來越廣泛，將其應用于智能溫室大棚進行信息傳輸成為必然趨勢[3]。由于其體積小、自動組網(wǎng)，架設十分方便，并且由于它強調(diào)了大量節(jié)點進行群組協(xié)作，網(wǎng)絡具有很強的自愈能力，任何節(jié)點的故障都不會對整個任務產(chǎn)生致命的影響，所以它特別適合用于構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡。

基于以上優(yōu)勢，ZigBee節(jié)點連接傳感器、執(zhí)行器，配置在相應的設備位置，安裝施工簡單，能滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，網(wǎng)絡可抗性強，成本低。

1.3 傳感器節(jié)點設計

傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本功能單元，傳感器節(jié)點由傳感器單元、處理器單元、無線通信單元和電源管理單元組成。傳感器單元負責區(qū)域內(nèi)的信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信單元負責與其他傳感器節(jié)點進行通信，交換控制信息和收發(fā)采集上來的數(shù)據(jù)；電源模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。傳感器節(jié)點總體設計如圖2所示。

1.4 智能溫室大棚的功能

1）種植環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測

高精度、實時測量溫室大棚生產(chǎn)過程中溫室內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度，土壤PH值等數(shù)據(jù)，通過無線傳感網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)實時顯示在控制箱和APP及PC端界面，使用戶可以隨時隨地觀察大棚內(nèi)部環(huán)境。

圖2 傳感器節(jié)點設計框圖Fig.2 Sensor node design diagram

2）種植環(huán)境視頻監(jiān)控

通過大棚內(nèi)的高清攝像頭實時傳輸?shù)漠嬅?，用戶可以在APP上查看大棚內(nèi)的視頻監(jiān)控圖像，可通過APP對攝像頭進行不同方向的轉(zhuǎn)動和放大縮小畫面的操作。

3）自動分析預警

事先通過控制箱或APP為大棚內(nèi)作物設置種植策略，當采集到的實時數(shù)據(jù)超過或低于報警值時，系統(tǒng)將自動報警，并自動開啟或關閉指定設備，以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部環(huán)境。

4）遠程自動控制

用戶可以通過APP和PC端界面隨時隨地查看大棚內(nèi)的生長數(shù)據(jù)和設備運行狀態(tài)，并可以遠程自動操控大棚內(nèi)的控制層設備，實現(xiàn)自動滴灌、自動控溫、自動補光等功能，不用到現(xiàn)場也能達到種植要求。

5）數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計匯總

系統(tǒng)自動保存采集到的數(shù)據(jù)，用戶可在操作界面查看歷史數(shù)據(jù)折線圖，通過比較同一作物在不同種植環(huán)境中的生長情況，分析種植環(huán)境因素對作物生長和產(chǎn)量的影響，形成科學低成本種植，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

6）專家數(shù)據(jù)庫

為用戶提供作物品種選擇診斷、生長狀況診斷、病蟲害診斷和專家知識查詢。方便用戶實時查詢作物種植技術(shù)，實時診斷各種作物狀況及各階段相應的控制方案，實時解決作物問題，提高作物產(chǎn)量。

2 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的軟件設計

軟件部分主要包括主控系統(tǒng)和節(jié)點兩部分程序設計。節(jié)點的程序是在KEIL4.0集成開發(fā)環(huán)境下設計和編譯，通過ST LINK系列燒錄軟件、USB轉(zhuǎn)TTL下載器將編譯好的程序燒錄到單片機的FLASH中，采用C語言進行編程設計。主控系統(tǒng)主要使用Android Studio進行編程設計。

圖3 主控系統(tǒng)軟件設計流程圖Fig.3 Master control system software design flowchart

主控系統(tǒng)主要負責接收節(jié)點數(shù)據(jù)并對其進行數(shù)據(jù)處理，將處理的數(shù)據(jù)通過串口連接安卓平板，接收數(shù)據(jù)，并通過安卓平板將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)云端，最后通過管理機制控制風機等開關狀態(tài)來調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。主控系統(tǒng)上電后首先對MCU控制器初始化，然后創(chuàng)建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡，接著接收器開始接收節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理，接收器通過串口連接安卓平板，接收數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)云端，系統(tǒng)通過接收手機、電腦終端發(fā)出的控制指令，或者人工設置的種植策略來啟動管理機制。

主控系統(tǒng)的軟件設計流程圖如圖3所示。在具體的軟件設計過程中，節(jié)點主要通過傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給主控系統(tǒng)。節(jié)點上電后，首先初始化MCU控制器，然后建立ZigBee無線傳感網(wǎng)絡，接著啟動傳感器模塊采集數(shù)據(jù)并通過無線傳感網(wǎng)絡將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)的界面設計

3.1 主機端

主界面左側(cè)為傳感器信息列表，如圖4所示。傳感器信息包括：上傳時間、數(shù)值、單位、所在分區(qū)、傳感器編號（十六進制）。右側(cè)為控制信息及報警信息列表，右側(cè)下部為控制器開關列表?！斑h程控制”狀態(tài)下，主機端虛擬按鈕有效?！氨镜乜刂啤睜顟B(tài)下，控制箱機械按鈕有效?？刂葡渖系摹熬偷?遠程”旋鈕，可切換“遠程”和“本地”控制狀態(tài)。如圖4所示。

圖4 主機端界面Fig.4 Host-side interface

圖5 策略添加界面Fig.5 Policy add interface

可以設置控制層設備開關根據(jù)綁定的傳感器數(shù)值和時間范圍作出相應的動作，使控制更加精確、簡便。使用時，可通過查詢相關作物的最佳生長環(huán)境進行設置，生成種植策略，系統(tǒng)通過對比傳感器上傳的數(shù)據(jù)自動控制管理機制的開關，使作物隨時保持最佳生長環(huán)境，實現(xiàn)精細化自動控制，如圖5所示。

3.2 手機端APP

手機端功能與主機端功能相近，增加了歷史數(shù)據(jù)查詢和視頻監(jiān)控功能。點擊相應的傳感器信息區(qū)域，可查看該傳感器歷史數(shù)據(jù)曲線，在監(jiān)控界面，點擊視頻下方按鈕后，可通過滑動屏幕控制攝像頭的角度，或雙指捏合屏幕調(diào)整攝像頭的焦距。如圖6所示。

3.3 PC端

PC端界面可顯示傳感器信息，查看歷史數(shù)據(jù)，底部的區(qū)域是大棚控制按鈕，可控制該大棚的設備控制開關。如圖7所示。

4 結(jié)論

圖6 手機端APP界面Fig.6 Phone-side app interface

圖7 PC端界面Fig.7 PC-side interface

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的智能溫室自動監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用主控系統(tǒng)和節(jié)點相結(jié)合的方式進行系統(tǒng)設置，系統(tǒng)采用兩種工作模式運行，人工按鍵模式下操作系統(tǒng)可以降低使用者操作系統(tǒng)的門檻要求，在沒有網(wǎng)絡的條件下系統(tǒng)可以正常工作。本設計基于ZigBee等物聯(lián)技術(shù)主要實現(xiàn)對農(nóng)作物的環(huán)境生長參數(shù)指標的監(jiān)測，并通過管理機制實時改善農(nóng)作物的最佳生長環(huán)境方案。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式相比較，該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)操作簡單，使用范圍廣，對使用者的操作能力要求低，系統(tǒng)靈活性強，能有效地改善生長環(huán)境，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低人力成本。