温室大棚无线监控系统的设计与开发

陈利江 徐 凯 王 峻

0 引言

随着科学技术的发展，特别是网络技术和传感器技术的发展，精细农业越来越受到人们的关注，温室大棚种植技术在国内迅速推广。目前，温室大棚监控系统大多采用现场总线技术，通过总线技术实现传感器在线检测和执行器的远程控制。但温室大棚分布范围广，有线组网方式布线困难，维护成本高。ZigBee技术是一种新型的的短距离、低速率、低成本的无线网络通信技术，是无线传感网络的典型代表，在国内应用较广。无线传感网络已经成功应用于粮库自动化检测、果蔬冷链配送、土壤温度监测等农业生产相关领域。同时ZigBee技术还可以与以太网、GSM等传统通信网络结合，提高无线传感网的应用范围。

现以无线传感网络技术为基础，设计开发一套完整的温室大棚无线监控系统。

1 无线监控系统整体设计

无线监控系统由ZigBee无线传感网络、大棚环境监控节点、自动气象站、监控计算机和本地数据库组成。无线监控系统实现了多种参数检测和执行器的远程控制。

（1）土壤环境参数检测。设备包括土壤温度传感器和土壤湿度传感器。

（2）空气环境参数检测。检测空气温度、空气湿度和二氧化碳浓度等。

（3）执行器的远程控制。执行器包括喷滴灌、排风扇和卷帘机等设备。

（4）自动气象站监测大棚外的环境参数。例如大气压力、光照量和降雨量等参数。

无线监控系统借鉴现场总线的通信技术，采用主从通信方式，即监控计算机通过无线网络广播控制命令，相应的无线监控节点根据控制命令执行相关动作并返回操作结果。监控计算机提供相关操作界面，可通过界面实时显示各传感节点参数和控制相关执行器。监控计算机通过以太网把传感器数据存入远程数据库中。无线监控系统的整体结构如图1所示。

图1 无线监控系统整体结构

ZigBee网络拓扑结构可以分为星型网络、网状网络和树状网络。该系统采用树状网络结构，如图 2所示。大棚环境监测节点和执行器控制节点作为终端节点；路由器负责中继网络报文，路由器的运用，扩大了无线传感网络的范围；网络协调器负责发送具体指令，并向监控计算机返回执行结果。

图2 无线传感网络树状结构

2 无线传感网络的具体实现

温室大棚无线监测节点具有独立的ZigBee模块，该ZigBee模块可通过串口配置节点类型、网络ID和节点地址等参数，并将从串口接收到的数据透明发送给其他ZigBee节点。而ZigBee模块之间传递的报文符合MODBUS协议，传感器输入通道或执行器输出通道都定义为标准的控制码，通过固定的读写指令访问。监控计算机和各无线监测节点通过以下的方式进行通信：计算机运行MODBUS主机协议，向串口发送MODBUS数据请求命令，与其相连的ZigBee模块通过广播的方式转发该命令；在该ZigBee网络中，所有的ZigBee节点都会接收到该无线输入数据包，并将该数据通过USART转发给监测节点中的微控制器，在微控制器中的MODBUS从机协议栈程序会根据数据包中的从机地址域判断是否应响应该数据请求指令，并进行进一步的解析处理，与之相连的ZigBee模块依然通过广播的方式返回该数据包，计算机便会收到监测节点返回的数据响应，这样就通过ZigBee网络实现了一次MODBUS通信过程。其中的ZigBee模块实现了数据的“透明”传输，充当一种“介质”。无线监控系统处理流程如图3所示。

图3 无线监控系统处理流程

3 温室监控节点硬件设计

温室大棚的监测节点包括三方面：

（1）大棚内种植环境监测节点。监测节点以传感器输入检测为主。为了简化温室大棚监测节点的硬件设计难度，提高系统的稳定性，上述传感器均配有智能变送设备。例如土壤湿度传感器采用智能变送型传感器，可将0～100%的土壤湿度值转化为4～20 mA电流信号。

（2）自动气象站监测节点。该类节点主要负责收集大气环境信息，例如大气压力、风向和风速、降雨量等，采集这些大气环境信息有专门的自动气象站，由自动气象站提供一个通信接口和一系列通信指令，发送相应的命令即可获得各传感器值。

（3）执行器控制节点。该类节点主要负责农业机械设备的控制，通过MOSFET或继电器接口控制相应执行器。

虽然三类节点具有不同的功能，但是在硬件和软件设计中却存在相似之处。三类监控节点的嵌入式系统都可以由STM32最小系统、电源管理、拨码开关地址选择、实时时钟、片外EEPROM、LED状态显示部分组成。不同的是，大棚内种植环境监测节点侧重于传感器输入部分，自动气象站节点侧重于RS232通信部分，执行器控制节点侧重于MOSFET和继电器输出接口功能。温室监控节点硬件结构框图如图4所示。

图4 温室监控节点硬件结构

4 温室监控节点软件设计

农业环境监控系统借鉴分层设计的理念，把整个嵌入式软件系统分为底层驱动层、中间服务层和底层应用层。底层驱动主要实现SPI、I2C、USART和GPIO等接口的移植，在底层驱动层中实现了uCOS的STM32芯片的移植。中间服务层主要实现具体芯片的驱动程序，为底层应用层提供API接口，主要包括MCP3208和PCF8563等，中间服务层中还包括uCOS内核代码和FreeMODBUS通信代码。顶层服务层根据农业环境监控的现场情况划分具体任务，这些任务可以包括Modbus通信任务、传感器检测任务、执行器控制任务或报警任务等。温室大棚监控节点软件结构框图如图 5所示。

图5 温室监控节点软件结构

5 监控计算机软件设计

温室大棚监控软件主要负责汇聚各监测节点的信息，并控制园区内各种执行设备。监控软件包含一个本地数据库，该数据库包不但存储了各环境监测节点和农业设备的信息，还保存了各监测节点传感器的历史信息和农业设备的相关操作记录。

各监测节点和控制节点通过从机地址加以区分，而监控节点和控制节点不同的输入或输出通道通过寄存器地址加以区分，从机地址和寄存器地址的设定满足MODBUS规范。在监控计算机软件中需设计相应的数据表保存节点的相关信息，该系统为传感器输入通道和执行器输出通道设计了不同的数据表。

6 该技术在实践中的具体应用

该温室大棚无线监控系统于2010－2012年分别在无锡市天蓝地绿生态农庄发展有限公司的13.33 hm2大棚蔬菜、无锡益家康生态农业有限公司的46.67 hm2蔬菜大棚中进行试验应用，效果明显：

（1）实现了温室大棚内温度、湿度、光照度、二氧化碳含量、棚内土壤温度、湿度等信息数据的自动采集及区域内气象参数的自动采集。

（2）实现了信息的即时传输与处理。主要是将采集的信息转换成计算机可识别的标准量信息进行处理。

（3）实现了通过输出指令来控制喷滴灌设备、排风扇设备、卷帘机设备的自动启闭运行。

（4）实现了温室大棚内温度、湿度、通风、光照、二氧化碳含量的自动调节，创造出适合作物生长的最佳环境。

（5）实现了实时预警，实时自动监测、自动控制、远程控制。

（6）实现了作物的增产、稳产、优质、低耗、高效和农民的增收。

无锡益家康生态农业有限公司已计划进一步扩大应用规模，实现温室大棚蔬菜生产的智能化、信息化。

7 结论

该系统运行稳定，传感器数据采集、无线传输和执行器远程控制等功能达到设计要求，提高了蔬菜种植基地的管理效率。该系统结合无线通信技术和传感器技术，不但可以监测温室大棚内土壤和空气参数，还可以通过监控计算机远程控制喷滴灌和通风机等执行设备。

（1）无线传感网络监控系统可以解决基于总线技术的监控系统布线困难、范围较小等问题。相比于传统的监控手段，无线传感网具有灵活、低成本和低功耗等特点，将会在农业生产中得到越来越多的应用。

（2）温室大棚无线监控系统可以实时地监测温室大棚内的各种环境参数，并通过远程数据库保留监测数据，为建立专家决策系统提供了重要的基础资料。

（3）除了环境参数监测之外，通过监控计算机还可以远程控制温室大棚内的执行设备。通过在监控计算机中设置合理的执行策略，可自动开启或关闭这些执行设备，降低温室大棚生产人员的工作强度。

[1]汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新[J].农业工程学报,1999(1).

[2]ZigBee Alliance,2005.ZigBee Specifitions,version 1.0,April 2005.http://www.Zigbee.org.

[3]包长春,李志红,张立山,等.基于ZigBee技术的粮库检测系统设计[J].农业工程学报,2009,25(9):197-201.

[4]郭斌,钱建平,张太红,等.基于Zigbee的果蔬冷链配送环境信息采集系统[J].农业工程学报,2011,27(6):208-213.

[5]张喜海,张长利,房俊龙.面向精细农业的土壤温度监测传感器节点设计[J].农业机械化,2009,40(Z1):237-240.