北方后墙体日光温室环境远程监测系统设计与实现

张维庭，杨宏业，冯文涛，王 锐

（1内蒙古工业大学，呼和浩特 010080；2内蒙古禾青科技有限公司，呼和浩特 010110）

北方后墙体日光温室环境远程监测系统设计与实现

张维庭1，2，杨宏业1，冯文涛1，2，王 锐1，2

（1内蒙古工业大学，呼和浩特 010080；2内蒙古禾青科技有限公司，呼和浩特 010110）

针对北方后墙体日光温室智能化建设需要，提出了4层架构体系，并设计开发了温室环境远程监测系统。该方案有别于现有架构的设计思路，采用4层架构，包括底层传感网络层、数据传输汇聚层、综合服务层和顶层监控应用层。ZigBee无线数据采集终端和路由器节点构成底层传感网络层；由NI公司LabVIEW软件开发的监测软件和协调器构成数据传输汇聚层；服务器综合监控平台构成综合服务层；通过互联网进行远程访问的电脑客户端和手机移动客户端构成监控应用层。温室环境远程测控系统实现了对温室环境信息（空气温度、空气湿度、光照强度等）的数据采集和控制，并可通过电脑客户端和手机移动客户端实现生产基地的远程管理。测试结果表明，该系统运行稳定，适合于北方后墙体日光温室的信息化、智能化和集约化建设需要，具有示范推广应用价值。

日光温室；环境监测；ZigBee；物联网技术；远程监控

农业信息化是实现农业现代化的必经之路，也是农业发展的必然产物，更是国家在《十三五规划纲要》中的重要组成部分。近年来，内蒙古自治区设施农业已呈现出规模化和集约化的发展特点。但是，多数种植企业仍以人工管理为主要生产管理方式，温室的信息化建设相对滞后。所以，将信息技术引入到本领域，通过技术手段来解决高额人工投入的问题已是迫在眉睫。

经过对呼和浩特市及周边地区进行市场调研，发现90%以上的设施农业生产基地信息化建设仍相对滞后，对温室环境的测控管理依然没有摆脱传统手段，多数企业均通过悬挂温度计和湿度计的方式监测温室内的环境参数，其管理方式无法满足设施农业的发展需求，还带来高投入成本，使得种植企业不堪重负。

就呼和浩特市而言，现代设施农业信息化建设尚处于起步阶段；在北方后墙体日光温室中，新一代信息技术的集成应用不足，甚至为零；主要原因是投入太大，市场上现有产品成本高、运行费用也高，无法实现规模化的推广应用。如何降低投入，减少成本，实现增值创收，成为当前规模化种植企业亟待解决的问题。

1 系统结构设计

图1 远程监测系统结构图Fig．1 Block diagram of remote monitoring system

北方后墙体日光温室环境远程监测系统结构图如图1所示。由图1可知，该系统的物联网架构分为4层，底层是传感网络层，由布设在生产现场各温室内的数据采集终端和各温室耳房内的路由器节点构成，用来执行数据采集、显示、发送及转发等功能；中间第一层是数据传输汇聚层，由种植企业监控中心装有温室监测软件的上位机及通过串行通信线路与之相连的协调器构成，用来汇聚生产基地所有采集终端采集并上传的数据，并通过TCP/IP协议将汇聚所得数据传至综合信息服务平台，同时对生产基地所有温室内部环境进行监测、调控及数据存储；中间第二层是综合服务层，核心组成是综合信息服务平台，用来汇总某地区所有生产基地的综合数据，通过建立数据库将数据进行存储及相应处理，同时为用户进行移动端的远程生产管理提供接口，进而为农户、企业和政府提供综合信息服务；顶层是监控应用层，由可通过互联网进行远程访问的电脑客户端和手机移动客户端组成，使得底层生产管理者不必身处现场即可进行温室的远程生产管理，并可大幅削减管理者在生产过程中的流程［1-4］。

市场现有产品多是基于GPRS技术，产品在使用过程中需按月缴纳网络月租费用，其系统架构仅由底层、中间第二层和顶层构成，虽结构较为简单，但随之而来的是产品成本和运行费用的增高以及用户体验的下降。上文所阐述的监测系统构建方案是针对北方后墙体日光温室结构构建而成的，系统架构在顶层和底层之间增设了数据传输汇聚层，解决了数据通信拥挤的问题，并在顶层设计中增加了移动端的软件开发，实现了远程管理的操作功能，更符合于现实需求。并且，系统的使用可进一步提高种植企业生产管理效率，降低人工投入，适合于规模化、集约化的生产方式。

2 系统硬件组成

系统硬件主要由数据采集终端、路由器和协调器组成。采集终端用来采集温室内空气中的温度、湿度、光照强度等数据，并将采集所得数据在本地OLED显示器上进行显示，同时利用ZigBee无线通信协议通过路由器节点将其传至协调器，以进行数据汇聚及相应处理。该终端实现了温室环境参数（空气温度、空气湿度、光照强度）的实时采集，成本约为120元（人民币，下同），而市场上现有产品多是基于GPRS技术，在实现同等功能基础上成本约为1 000元。

本项目所研制的新产品不仅将价格降低了50%，而且设备还不需要运行费用。并且，终端选用直插式封装传感器和干电池供电方式，将两种传感器和干电池集于一体，完成了温室环境参数的采集、显示和传输功能，使得终端完全实现无线连接［5-9］。终端硬件结构如图2所示。

2．1 处理器模块

终端选用主控芯片为CC2530F256RHAR的ZigBee模块，内嵌高性能、低功耗的8051微控制器内核，符合应用环境对采集终端低功耗的设计需求；工作在2.4 GHz频段，并拥有适应2.4 GHz的RF收发器；工艺精细、运行稳定，空旷环境下通信距离可在150 m以上，并可实现掉网自动重连。

主控芯片管脚使用说明：P1.0、P1.1分别接LED指示灯以执行报警提示及电源指示功能，P1.6接空气温湿度传感器，P2.1、P2.2接光照强度传感器，P1.7接TPS61230模块进行电压监测，P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6接OLED液晶显示模块。使用Altium Designer 10进行采集终端硬件原理图和印制电路板（PCB）图设计。硬件电路原理图如图3所示。

2．2 传感器模块

终端选用型号为DHT22的空气温湿度传感器，选用型号为BH1750的光照强度传感器，其测量范围均满足温室内测量环境需求，并且测量精度较高，适合于课题应用环境。两种传感器相关技术参数如表1所示。

图2 终端硬件结构图Fig．2 Structure of terminal hardware

图3 硬件电路原理图Fig．3 Schematic diagram of hardware circuit

表1 两种传感器技术参数Table 1 Technical parameters of 2 kinds of sensors

2．3 电压监测模块

终端采用2节5号干电池供电，输出电压为3 V，同时使用TPS61230模块电路对干电池电压进行实时监测，使其输出值稳定在2.8—3.0 V之间。随着电池电量的消耗，电池输出电压也随之降低，当其输出电压低于1.8 V时，红色指示灯亮起，提示低电压报警。此时，两节干电池已无法正常供电，更换电池后，系统可继续正常工作。为进一步满足低功耗的需求，特在产品右侧方增设了功能按键，用来触发OLED液晶屏幕。终端正常运行时屏幕处于暗灭状态，倘若管理者需要观测温室内部环境参数，只需按下按键屏幕即可亮起，观察完毕再次按下按键屏幕即可熄灭，若没有进行此项操作，屏幕在30 s后会自动熄灭。PCB图和实物图如图4、图5所示。

图4 PCB图Fig．4 Printed circuit board

图5 实物图Fig．5 Physical picture

3 系统软件设计

图6 终端程序流程图Fig．6 Program flow chart of terminal

使用美国Keil Software公司的Keil μVision 5软件进行采集终端程序开发，使用美国NI公司的LabVIEW软件进行上位机监测软件设计，使用Java语言在Eclipse软件环境下进行服务器平台开发及手机客户端开发。

3．1 硬件程序设计

终端在上电后，首先进行系统初始化，包括硬件外设初始化及ZigBee协议栈初始化；接着进行网络搜寻，与协调器组建网络；组网成功后，将传感器采集的数据通过ZigBee无线通信协议发送至协调器；数据发送完成后，终端处理器立刻进入休眠状态，等待下一个采集周期自动唤醒。程序流程图如图6所示。

3．2 基于LabVIEW的数据测控软件开发

LabVIEW软件采用图形化的编程方式，即G语言，使得程序开发便捷、有效，并简化了软件设计流程，便于开发者进行软件设计。

3.2.1 软件功能介绍

本项目选用基于LabVIEW的虚拟仪器开发平台实现上位机数据监测界面设计。设计的上位机监测系统主要包括登录界面设计及人机交互界面设计。完成的主要功能有：用户名、密码登录界面；温室监测界面的切换功能；各温室空气温湿度、光照强度等数据的列表和波形图表显示功能；对应节点瞬时数据值和上下阈值的比较报警功能；历史数据查询功能［10］。上位机数据监测界面如图7所示。

3.2.2 软件程序设计介绍

采集终端将采集所得数据通过路由器节点传至协调器进行汇聚，协调器通过串口与上位机连接，并将汇聚所得数据通过串行通信协议传至上位机，在上位机监测软件执行显示、判断、报警、数据存储及反馈控制等功能，同时将数据存储至本地Access数据库，以便后期进行数据的查询和分析处理，LabVIEW程序图如图8所示。

3．3 综合信息服务平台设计

图7 LabVIEW软件界面Fig．7 LabVIEW software interface

平台设计分为三大模块，包括用户信息管理模块、温室信息管理模块及温室具体信息管理模块，其中，温室具体信息管理模块又分为数据监测模块和设备控制模块。平台使用“分级管理、注册有效”的设计理念，将企业级用户和私人用户、整片温室基地和单个温室进行分别管理；并且，为保证系统运行的稳定性及信息交互的安全性，所涉及的硬件设备均需在服务器平台注册才可投入使用，例如，所有种植企业监控中心安置的协调器节点，只有在服务器平台进行注册才能实现终端与平台间的信息交互。上文所述平台架构的设计方案，既使得用户管理和设备管理更具合理性和便捷性，同时也保证了数据传输的稳定性和安全性［11］。综合信息服务平台功能设计架构如图9所示。

图8 LabVIEW程序框图Fig．8 Block diagram of LabVIEW program

图9 综合信息服务平台功能架构图Fig．9 Function chart of integrated information service platform

建立物联网集约化设施农业综合信息服务平台，可为规模化的种植企业建立温室环境参数专用数据库，并为政府、企业、农户提供综合信息服务。平台可以通过电脑、手机等信息终端向用户推送实时监测信息、预警信息、公告信息等，反之，生产管理者可通过电脑客户端和手机移动客户端访问综合信息服务平台，参与到种植企业的生产管理中，真正实现了生产现场集约化、网络化的远程管理。平台实行用户等级制登录方式，将用户分为超级用户、企业管理员及温室管理员，用户权限等级相应由高到低。图10为综合信息服务平台温室管理员登录界面。

3．4 手机客户端应用软件设计

基于Android系统的温室监测系统手机客户端可对生产基地进行远程的监测管理，其包含了温室数据实时监测、设备控制、历史数据查询及修改管理者信息等功能。编写Android手机应用软件是实现远程监测和人机交互的关键，这种远程管理的操作功能，突破了时空对作物生产管理的限制，使得管理者不必身处生产现场同样可实现温室环境的远程监测管理，进一步提高了企业生产管理效率并大幅度降低人工投入。图11为历史数据查询功能界面，用户可通过选择管理权限内的温室编号和需要查询的时间段，即起始时间和结束时间，查询某温室在某时间段内的数据情况，并以曲线图的形式显示。可通过点击曲线图下方的温室参数种类实现数据曲线的切换［12-14］。

图10 综合信息服务平台温室管理员登录界面Fig．10 Greenhouse administrator’s login interface of integrated information service platform

图11 手机客户端应用软件数据监测界面Fig．11 Mobile client’s data monitoring interface of application software

4 系统性能测试

为体现整套监测系统在远程管理的操作功能上所存在的优势，并验证温室监测系统的稳定性、时效性及整体联动性，特在呼和浩特市毕克齐项目示范基地选择四座后墙体温室进行了测试，试验周期为一个月，观察分析一个月内软硬件系统对温室环境数据的采集、显示、传输及处理情况。

在选定温室和基地监控中心布设测试所需的硬件设备和软件系统，包括采集终端、路由器、协调器及监测软件等。终端节点将采集周期设置为10 min，每执行一次采集命令就将采集所得的数据通过路由器节点转发至基地监控中心协调器，以进行数据的汇聚，上位机监测软件显示和存储所接收到的数据信息，同时以一定数据量打包并通过网络协议发送至服务器综合信息服务平台。测试者在基地监控中心软件系统上观察基地各温室的环境参数情况，并通过电脑客户端和手机移动客户端访问综合服务平台以对温室环境参数进行远程管理。

结果表明，底层传感网络在测试期间可稳定执行具体功能，能完成温室环境参数的采集、显示、传输及发送功能，基地监测软件可实时接收并处理汇聚所得数据，同时，也能将数据存入设施农业综合信息服务平台数据库，并可通过手机客户端对所选温室进行环境参数的远程监测。但是，通过观察后台数据库，发现数据列表中存在数据紊乱和数据丢失现象，数据错误率约为0.95%，不过在测试周期内误差在允许范围内。

协调器节点成功接收到的数据都可在LabVIEW监测软件、电脑客户端及手机移动客户端进行完整显示和查询。而且，基地管理者只需安排1—2人即可对测试所选温室进行生产管理，不仅将人工投入减少为原来的一半，也在管理效率和管理便捷性上有很大提高。

试验证明，整套温室远程监测系统工作性能较稳定，可靠性较高。系统为终端用户增加了远程管理的操作功能，使得种植企业在生产管理效率上得以进一步提升，并且由于移动客户端和电脑客户端所带来的远程操作便捷性，使得种植企业可以大幅减少人工投入，适合于规模化的种植企业应用，具有较高应用价值。但是，如何继续合理布局底层传感网络，完善系统架构，如何进一步提高监测系统数据传输稳定性，并降低数据错误率是本课题今后的研究重点。试验周期中某一天6 h内手机客户端显示的试验数据曲线如图12—14所示，图中曲线所描绘的数据源于综合信息服务平台数据库。但是，由于静态截图无法体现手机屏幕的移动和缩放功能，而测试曲线在测量区间内量程范围超出屏幕显示区域，故图12和图14只显示出整条曲线其中一段。

图12 手机客户端温度曲线Fig．12 Temperature curve of mobile client

图13 手机客户端湿度曲线Fig．13 Humidity curve of mobile client

图14 手机客户端光照强度曲线Fig．14 Light intensity curve of mobile client

5 结论

所研制的智能采集终端应用ZigBee物联网技术，实现数据的采集和传输功能，具有以下几个特点：

（1）利用ZigBee无线传感网络自组织延伸技术，解决了无GSM网覆盖地区的数据无线上传问题。

（2）ZigBee自组织无线传感网具有无需付费、无月租等特点，从根本上解决了使用GSM网络所需费用高而无法规模化推广应用的瓶颈问题。

（3）实现温室内多点、多环境参数的数据采集，既解决了信号传输距离远的问题，又解决了多个传感器级联问题，进一步提高了系统可靠性。

基于目前设施农业生产园区物联网系统架构所存在的不足，课题在原有系统架构基础上重新对系统进行布局，构建了如文中所述的4层物联网系统架构。其具有稳定性高、维护方便等特点。与现有系统架构相比，有以下几方面优势：

（1）终端设备采用超低功耗设计理念，完全实现无线连接，成本低、运行费用低，使底层传感网络真正实现了设备互联，并且数据可实时稳定传输，错误率极低。

（2）底层传感网络将传统架构中的感知层和传输层合为一层，使得基于ZigBee技术的终端节点数据传输更具有合理性，更体现了传感网络中终端设备的联动性。

（3）系统在底层传感网络和服务器平台之间增加了数据传输汇聚层，为终端与平台间的通信增设缓冲区，解决了数据通信拥挤、实时性较差的问题。

（4）系统在顶层设计中增加了移动端的应用软件开发，进一步突破了时空对于生产管理者的限制，并将移动互联网应用到农业生产管理中，增强了系统完整性，使得系统在实际应用方面更好地满足农业现代化的发展需求。

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（责任编辑：程智强）

The design and implementation of remote monitoring system of heliogreenhouse environment in the north of China

ZHANG Wei-ting1，2，YANG Hong-ye1，FENG Wen-tao1，2，WANG Rui1，2
（1Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010080，China；2Inner Mongolia Heqing Tchnology Company Limited，Hohhot 010110，China）

According to the requirement of building intelligent heliogreenhouses of rear walls in northern China，a 4-layer framework system is put forward and the remote monitoring system of the greenhouse environment is developed.The scheme different from the existing design ideas adopts the 4-layer framework including a basal sensor network layer，a data transmission convergence layer，an integrated service layer and a top layer of monitoring and application.The basal layer consists of ZigBee wireless data acquisition terminal and router nodes，the data transmission convergence layer includes the monitoring software and coordinator developed via the NI LabVIEW software，the integrated service layer is a comprehensive monitoring platform of server，and both computer clients and mobile clients making remote access through the internet comprise the monitoring and application layer.The remote monitoring system realizes the data acquisition and control of greenhouses’environmental parameters such as air temperature and humidity and light intensity and the remote management of production base through computer clients and mobile clients.The experimental result showed the system runs stably，is suitable for intelligent and intensive heliogreenhouses and so has a certain value of application and extension in northern China.

Heliogreenhouse；Environmental monitoring；ZigBee；IOT technology；Remote monitoring

S625.3

A

1000-3924（2016）06-052-07

2016-05-19

内蒙古自治区应用技术研究与开发资金计划项目“ZigBee物联网集约化设施农业智能终端的研制及应用示范”（20140114）

张维庭（1992—），男，在读硕士，研究方向：电子技术、智能控制。E-mail：312387059＠qq.com