基于物联网技术的大棚温湿度监控系统的设计

蔡长安

(盐城师范学院信息工程学院, 江苏 盐城 224002)



基于物联网技术的大棚温湿度监控系统的设计

蔡长安

(盐城师范学院信息工程学院, 江苏 盐城 224002)

摘要：农作物的生长速度与温湿度有紧密的联系，温湿度的实时监控技术对于现代农业大棚生产而言，极其重要.设计了基于TI的CC2530射频收发器以及数字温湿度传感器SHT10构成的无线传感器节点, 使用ZigBee 技术组建无线温湿度传感远程监控系统.系统具备性能稳定、扩展性好、功耗低，可广泛应用于农业环境温湿度监测领域.

关键词：温湿度监测；ZigBee技术；CC2530；Cortex-A8

大棚的温湿度是影响植物生长发育最主要的因素.它的作用是用来改变植物的生长环境，为植物提供适度的生长发育条件，避免一年的四季变化和恶劣气候影响作物的生长.大棚常以采光和覆盖材料作为主要结构材料，它能不受地区和季节气候等条件的限制，调节农作物生产时间，提高农作物的产量.虽然有些大棚安装了一些降温、加热、加湿除湿的设备，很多操作都是由人工来控制完成，当大棚数量较多时，职员的劳动强度仍然是比较大的，且温湿度也无法准确地控制.采用基于物联网系统的温室大棚解决方案，可以实现大棚内温湿度的智能控制，大大降低劳动强度.

1大棚温湿度监控系统的结构

大棚的温湿度信息首先由传感器节点进行采集.运用ZigBee协议、无线收发技术构建一个简单的无线传感器网络，然后将传感器节点采集到的温度和湿度数据传送给协调器，再通过串口将协调器节点的数据传送给嵌入式平台[1]，然后再通过网络方式供远程的PC端管理或查看.系统结构图如图1所示.

图1系统结构图

2系统硬件的设计

2.1 传感器节点

传感器节点主要有： 温湿度传感器SHT10、 芯片CC2530、 Flash存储芯片和电源模块. 当系统的传感器测试到有温度和湿度的有关信息后， CC2530就对采集到的湿度和温度数据信息进行处理， 处理的信息通过倒F天线发送到ZigBee网络的路由器节点， 与协调器进行间接无线通信.

图2　传感器节点结构图

2.1.1传感器模块

温湿度传感器选择瑞士Sensirion 公司生产的数字温湿度传感器SHT11.该芯片是智能型芯片，可以同时检测湿度和温度值.SHT11 工作电压在2.4 ～ 5.5 V 的范围内，测量的温度范围为-40.0 ～ 123.8℃ ，精度达到± 0．4℃;测量的湿度范围为0～ 100%RH ，其采集精度为± 3.0% RH，符合大棚温湿度监控系统的要求.

2.1.2CC2530

本系统的传感器节点和汇聚节点采用TI公司生产的CC2530片上系统芯片作为核心配件.CC2530是基于2.4GHz的IEEE802.15.4ZigBee无线通讯协议的芯片.CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，采用业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程128K闪存和8KB的RAM.由于CC2530提供的外设集比较广泛，因此要构建ZigBee节点只需要用比较少的的外围电路.

2.2协调器节点的硬件设计

传感器把采集到的温湿度数据传送到汇聚节点进行处理后，再通过串口传输到嵌入式平台.基于物联网技术的大棚温湿度监控系统采用RS-232通讯接口，实现协调器使CC2530无线射频模块和PC机之间通信，RS-232串口电路将采集到温度和湿度信息数据传给PC机.RS232规定的高低电平标准与CC230的TTL电平标准不一致.电平转换采用MAX232，典型的电平转换电路可参看文献[2].

2.3嵌入式平台

串口接收传感器网络传送来的数据信息，显示温度和湿度，并进行检测，同时接收远程PC端对数据的请求，通过网络向远程的PC端发送传感器数据，这一系列工作是由嵌入式平台来完成的.这里的嵌入式网关主要由CORTEX-A8处理器OMAP3530实现.本嵌入式平台采用核心板外加底板的形式，支持Linux、Windows CE 6.0系统和Google Android操作系统.TI的OMAP3530处理器为板的核心，该核心板有一个7寸TFT 24位液晶触摸屏，接口资源比较丰富，扩展了通用的存储器、通讯接口.

2.4PC平台

PC端的数据请求是通过网络向嵌入式平台发出的，获取一定的温湿度值.PC端即远程的主机，它对接收到的温湿度数据信息进行处理，然后提交给控制中心，控制中心再进行数据的后续处理，实现对大棚内温湿度进行调控的目的.

3系统软件的设计

图3　传感节点的程序流程图

基于物联网技术的大棚的温湿度系统软件采用TI公司的Z-Stack-CC2530-2.3.0 -1.4.0 协 议 栈 进行设计， 用 IAR Embedded WorkbenchV8.0 for 8051集成开发平台进行开发.开始工作时，上位机开启串口连接，设置波特率、串口号等一系列参数.下位机在协调器上电后，根据PANID号，启动并组建一个ZigBee网络，并等待路由节点或终端节点加入网络.完成组网后，大棚内的所有温湿度传感节点就可以采集温湿度值， 采集到的温湿度值可以直接发送到串口上，或者经路由器节点间接发送到与协调器连接的RS-232串口上.在ZigBee网络中， 路由器节点相当于协调器节点， 其功能模块基本和协调器类似.对接收到的温湿度等信息进行处理，提交控制中心进行后续的控制动作.其程序流程图如图3所示.

3.1传感节点的软件设计

传感器节点工作时，要初始化硬件和协议栈.初始化结束后，查找附近是否有Zigbee网络，如果发现附近有Zigbee网络，就会发出加入请求.在加入到Zigbee网络成功之后，进入休眠模式，等待有无条件中断的产生.如果有中断产生，就对中断做出判断，然后作出是否响应或执行[3].

3.2协调器的软件设计

协调器主要是建立ZigBee 网络，负责网络的启动工作，同时会协调在组建网络中的安全层及其应用层的绑定等工作，整个网络配置完成后，其退化成路由器[4].在组建网络的过程中，协调器通过网络地址的分配、节点成员的加入、信息的转发与收集等来实现网络的组建.

3.3嵌入式平台的软件设计

嵌入式平台主要的功能数据处理和网关，利用RS-232串口接收协调器传送过来的温湿度数据信息，并对温湿度数据信息进行处理，然后经过Interne网络传输到远程的PC机.串口的读写操作用的是Linux底层串口操作，读写串口的方式采用非阻塞式，实现用的是QT在Linux环境下编写的应用程序[5]，采用多线程循环的方法解析处理Internet部分数据.

3.4PC端程序的设计

上位机的应用程序在PC机运行.基于Internet的Web服务后台监控中心管理软件采用Visual studio 2010和SQL server 2008数据库开发.主要负责实时检测大棚的温湿度值，控制各个大棚的温度和湿度在一个合适的界限内.当大棚内的温湿度超过设定的界限时, PC机就会发送命令通知相应的下位机采取相应的动作，例如增温加湿等措施.

4应用效果与分析

图4　温室环境信息采集节点

我们在某乡镇的3个农户进行了6个大棚的试点，大棚内种植了蔬菜，每个用户有几个大棚.用户认为基于物联网技术的温湿度监控系统有很大的作用，系统在超过了某设定温湿度值后有报警功能，他们不用再跑到每个大棚里监测温湿度.监控系统能根据作物生物的需要，自动地开关窗帘、加温降湿等，用户可以远程查看设施环境数据和设备运行情况，方便灵活管理.图4和5分别表示信息采集节点和查询信息.

图5　服务端查询的信息报警情况

该系统可以精确采集温室中的湿湿度信息，后台可以把环境信息推送到农户手机上，为用户提供参考.今后还可在此基础上进一步增加专家系统，实现远程程技术咨询、病虫害远程诊断等功能.

5结束语

运用无线射频CC2530芯片为核心组建一个基于物联网技术的大棚温湿度监控系统，该系统具有结构简单、投资成本不高、功耗低、组网比较快、通信非常灵活的特点[6]，同时，基于Internet的Web服务后台可以提供非常便捷的远程监控功能.该温湿度监控系统应用到农业大棚温湿度监测中，具有很好的实用性.

参考文献：

[1]张健,阮海清.基于物联网的观赏园艺植物生理检测系统[J].物联网技术,2015,(10)：28-20.

[2]蔡长安,钟锐,王琪. 基于 SEP3203 的嵌入式串口通信的设计和实现[J].微计算机信息,2008,(8):168-170.

[3]李志强,华新.基于SHT10 的数字温湿度计设计[J].广西轻工业,2007, (10):35-38.

[4]李正民,张兴伟,柳宏川.基于CC2530的温湿度监测系统的设计与实现[J].测控技术,2013,(5):25-28.

[5]蔡长安,万小霞.4种嵌入式实时操作系统的两种主要技术分析和选择[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2007,(2):161-166.

[6]吕文龙,孙炎辉，白航，等.一种基于ZigBee网络的农业物联网管理系统设计[J].物联网技术,2014,(7):78-79.

(责任编校：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

中图分类号:TP212

文献标识码：A

文章编号：1008-4681(2016)02-0070-03

作者简介：蔡长安(1964— )，男，江苏盐城人，盐城师范学院信息工程学院高级实验师，硕士.研究方向：计算机应用.

基金项目：盐城市科技局科研项目(批准号：YKN2013012).

收稿日期：2015-12-01