基于WIFI的农业物联网温室大棚环境监测系统的设计

杨 飞,谢 涛,伍 英,苏维均

(北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048)

基于WIFI的农业物联网温室大棚环境监测系统的设计

杨 飞,谢 涛,伍 英,苏维均

(北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048)

针对现代农业温室大棚环境监测中存在的问题，设计了基于WIFI技术的农业物联网温室大棚环境监测系统；该系统由监控中心、WIFI基站、环境采集节点与视频监控构成；环境采集节点以STM32F作为主控器，采集温室大棚内光照度、环境温湿度、土壤温湿度等信息；视频监控采用有线与无线结合的方式；所得环境数据通过WIFI无线网络及光纤传回监控中心。设计了基于B/S架构的上位软件和基于C/S架构的移动终端环境监测软件来实现环境的监测与控制的下达；现场应用结果表明，所设计的环境监测系统网络结构简单、可靠性强、性能稳定。

温室大棚；环境监测；WIFI；STM32F；B/S；C/S

0 引言

农业温室大棚的出现是为了使农业生产不受环境、气候、区域等因素的限制。为了给农作物的生长创造合适的生长环境，其各项环境指标必须严格控制在一定的范围内。因此，生产人员需要时刻关注各项检测指标是否正常，传统的人工现场监测已经无法满足现代农业的需求，并引发农业生产的变革。智能农业大棚监测系统在传统农业的基础上融合了物联网技术、信息技术、自动化技术等，利用部署在大棚内的各类传感器节点采集土壤水分、温度、湿度、光照、CO2等环境信息，实现无线采集、无线传输、视频监控、异地监控等功能，不仅解放了劳动力，降低了生产成本，而且还能调节农作物产期，提高了生产率[1-2]。

许多发达国家在农业领域的智能监测基本已经实现全覆盖。以美国为例，智能化农业已经占据主导地位，美国大农场的物联网设备的使用数量更是十分庞大，采用率高达80%。以日本为例，由于人口和耕地面积的限制，日本温室大棚内智能监测系统使用率和普及率更高，为了克服耕地面积少的缺点，日本的农作物前期培养通常是采用培养液代替土壤，因此，农作物的生长过程必须严格把控，各项参数必须稳定控制在一定范围内，物联网与农业的结合有效的解决了这一难题[3-4]。目前，我国还处于由传统农业向智能农业的过渡阶段，提出高效的农业生产解决方案，有利于改善我国农业生产技术落后的现状。本文针对传统温室大棚生产过程中存在的问题，设计了基于WIFI技术的农业温室大棚环境监测系统。

1 系统总体设计

农业园区温室大棚有着面积大，棚数多，环境信息统计繁琐的问题。采用基于无线通讯的智能监测系统可有效改善这一现状。红外技术、蓝牙技术的传输速率都较高，但传输距离十分有限；ZigBee网络为自组网络，数据传输通过多跳路由节点来实现，不仅廉价而且功耗低，因此，目前绝大多数农业监测系统都采用ZigBee技术，但是当存在较多节点且传输数据量较大时，如存在多路视频数据，ZigBee节点会出现组网复杂，传输速率慢且十分不稳定等问题。WIFI具有传输速度快，覆盖范围广，可实现以太网无缝连接等优势，并且WIFI在农业园区的覆盖，可直接使移动终端接入系统，更适应了现代农业的发展需求[5-7]。

针对一个拥有85个农业大棚的通州某农业园区，仅需10个WIFI基站即可实现园区无死角的WIFI全覆盖。由于农业园区地势环境复杂，对于视频的采集，选取了有线与无线相结合的方式，难以走线的温室大棚，采用无线摄像头，通过与WIFI基站建立连接，高清视频同样可以高速传输至监控中心，实现园区全方位视频监控，这一点是ZigBee等其他无线通讯技术难以做到的。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

图1中的环境采集节点主要由环境传感器、控制器和WIFI模块所组成，其中环境传感器包括：空间光照度传感器、空间温湿度传感器与土壤温湿度传感器。控制器通过IIC协议与485协议等实现对数字传感器的数据采集，并通过UART口将数据转送给WIFI模块。WIFI模块、无线摄像头、移动终端等与WIFI基站建立连接，并由基站通过光纤将数据传输至监控中心的服务器，远程PC和移动终端可实时监测温室大棚内的环境数据。

2 系统硬件设计

系统的硬件设计主要包括无线网络覆盖及接入设计和环境采集节点设计。硬件结构如图2所示。

图2 硬件结构图

2.1 无线网络覆盖及接入设计

WIFI技术是近年出现的基于以太网的无线局域网技术，WIFI网络传输速率快，传播距离远，最大可以达到300米左右，在移动状态下，WIFI网络也能保持很好的传输特性，且十分易于系统后期扩展。因此针对通州某农业大棚园区，采用多个由北京亿波普天公司生产的2401型智能WIFI基站进行无线网络覆盖。智能WIFI基站配备了高功率天线，可以有效覆盖方圆200米内的范围,之内的环境采集节点、PC及移动终端可与其连接。同时基站具有Ping Watchdog功能，即通过设置一定时间内Ping 1至2个IP地址的方式来检测当前连接状态，当远程IP地址均Ping失败的时候，基站会执行失败动作，失败动作可配置为重启基站或重新建立WIFI连接，这一机制，有效保证了智能基站长期稳定工作。

环境采集节点通过WIFI模块接入基站网络。WIFI模块是超低功耗嵌入式UART转WIFI模块USR-C322。该模块采用的控制器是德州仪器生产的CC3200芯片，内核为ARM Cortex-M4，超低功耗，80 MHz的运行频率，内带硬件看门狗，稳定性高抗干扰能力强。嵌入式控制器STM32F仅需通过UART口与WIFI模块连接即可实现数据收发。环境数据往往不需要一直上传，为了进一步减小功耗，可以开启USR-C322的低功耗模式，即当USR-C322的串口在一定时间内没有收到数据时，则会进入DeepSleep模式，在此模式下，工作频率会下降为40MHz，功耗减至5mA，当需要上传数据时，可以通过串口数据包或网络数据包进行唤醒。WIFI模块支持IEEE802.b/g/n标准，采用外置2.4 G天线来增加信号强度，接口为IPEX接口。

无线WIFI模块有两种工作模式：STA模式和AP模式，STA为无线站点，是一个无线网络的终端，AP为无线接入点，是一个无线网络的中心节点。本系统WIFI模块工作于STA模式，基站处于中心位置。USR-C322 WIFI模块集成了多种通信模式：TCP/UDP透传模式、Httpd Client模式、SSL Client模式以及Web Socket模式，本文采用的是TCP/UDPClient透传模式，WIFI串口接收数据后，模块对数据进行PC1加密，上传至服务器，同时服务器也可下发送命令给模块。通过自定义注册包信息，实现服务器对数据来源的区分，在本文应用中，自定义注册包信息为节点位置信息。

2.2 环境采集节点设计

环境采集节点由数据处理模块、数据采集模块及稳压电源模块组成。如图3所示。

图3 环境采集节点结构图

数据处理模块采用STM32F来实现，STM32F是ARM公司采用Cortex-M3内核生产的增强型处理器，具有外围接口广，功耗低，串口资源丰富，抗干扰能力强及价格低廉的优势[8]。STM32F工作频率可达72MHz，MHZ下的功耗仅为uA级别,有效保证了数据采集及处理的时效性，并采用SP706设计了硬件看门狗电路，结构如图4所示。

图4 数据处理模块结构图

数据采集模块主要用于感知温室大棚内的环境信息，包括空间光照度传感器、空间温湿度传感器及土壤温湿度传感器。满足精度的前提下，尽量选择低功耗的复合型传感器。1)光照度传感器采用了B-LUX-V30B环境光传感器，与STM32F通过IIC协议进行数据通讯，具有32位光照值寄存器和112字节EEPROM数据存储单元，满负荷工作时功耗仅为0.7 mA，外部设计有滤光器，以防止紫外线和红外线对光强的检测的影响，从0.054流明至200000流明，片内自动量程调整机制能够自动进行增益调整，其性能十分适用于农业大棚。2)温湿度测量采用了Sensirion温湿度传感器中的SHT11系列，与STM32F通过IIC协议进行数据通讯，传感器封装尺寸小，内部通过调用存储在OTP内存的校准系数对检测信号进行精确校准，因此，可同时实现对温室与湿度的高精度测量。3)土壤温室度检测采用SWR-100W土壤温湿度传感器，与STM32F通过485协议进行数据通讯，传感器通过测量土壤的介电常数来测量土壤的湿度，通过内嵌德国Heraeus公司A级ST-1-PT1000铂电阻来测量土壤的温度。是目前国内外较为先进的土壤环境检测方法。各传感器指标如表1所示。

表1 传感器指标

稳压电源模块为系统提供稳定的能量。通过在每个温室的配电箱内安装一个明纬DR-30-24电源转换模块将220V的交流电压转换为24V的直流电压再输入到节点，通过德州仪器生产的LM2596产生5V直流电压，5V电源与LM1117-3.3V的输入端相连，产生3.3V直流电压。

3 系统软件设计

基于WIFI技术的农业温室大棚环境监测系统，其软件设计包括数据采集节点软件设计、监控中心软件设计及移动终端软件设计，并进行了长期稳定性系统测试。

3.1 数据采集节点软件设计

数据采集节点的软件运行于控制器STM32F中，主要实现环境数据的采集，数据的处理和数据的发送。其流程如图5所示。

图5 环境采集节点流程图

如图所示，系统上电后，首先进行软硬件环境初始化，读取节点位置信息编号后进入循环采集环境数据，时间节奏由STM32F的中断来控制，一次触发中断进行一次数据采集，当采集60次数据后，进行环境数据的滑动平均滤波处理。为了防止数据发送过程中出错，传输过程中引入了循环冗余校验，即CRC校验。它利用多项式运算来作错误侦测。发送前计算出CRC值并附在数据末端随数据一同发送给接收端，接收端对收到的数据重新进行多项式运算得到CRC的值并与数据末端收到的CRC值相比较，若两个CRC值不同，则说明数据通讯出现错误，其特点是信息字段和校验字段的长度可以自由选定。

3.2 监控中心软件设计

基于B/S架构的智能农业大棚园区的监控中心软件运行于监控中心的服务器，采用C#语言进行web应用程序开发。监测系统划分为四大功能模块，分别是实时数据监测模块、历史数据查询模块、设备安全预警模块及系统管理模块。

1)实时数据监测：查询各测点的温度、湿度、光照、土壤温湿度等信息，并通过数字和曲线图的方式展现。

2)历史数据查询：查看不同测点在某时间段内所采集的环境数据与统计信息，支持excel表格导出，方便园区工作人员管理。

3)设备安全报警：系统分别针对不同环境因子设置相应的警戒线数值，一旦测点的监测数据超过警戒线，将生成报警记录。

4)系统管理：主要对系统进行配置和管理，其中包括用户权限管理、数据信息维护管理(警戒线设置与节点初值设置)等。系统WEB端首页局部效果展示如图6所示。

图6 WEB首页局部效果展示

3.3 移动终端软件设计

基于C/S架构的移动终端软件，采用java语言开发。终端连接至园区WIFI网络或者移动流量网络下进行登入。园区工作人员可随时随地通过终端查看温室大棚环境信息，并设计有消息推送功能，当某一环境值超出预设值时，会立刻向手机发送报警推送，同时园区工作人员可以通过APP进行短信交流与消息的通知。手机APP软件首页中包括了园区图片轮播，天气预报与农业新闻资讯等，首页效果展示如图7所示。

图7 APP首页展示

4 系统测试与结果分析

通过模拟现场10个农业温室大棚，对所设计的基于WIFI的农业温室大棚环境监测系统进行30*24小时的软硬件测试。测试结果表明：

1)环境采集节点可以稳定采集环境信息，其采集结果与标定装置的测量结果统一，在系统精度范围之内。

2)30个节点同时与WIFI基站建立连接，无连接失败节

点，可以适应现场最多20个节点同时向WIFI发出连接请求的情况。

3)WEB端进行压力测试，系统运行良好稳定，网络传输实时性满足要求。

5 结束语

针对传统农业温室大棚生产过程中存在的问题，提出了基于WIFI的农业物联网温室大棚环境监测系统。该系统的特点为:引入了WIFI无线通讯技术，具有带宽高、覆盖范围广以及网络结构简单的优势；设计了多参数的环境采集节点，可监测温室温度、湿度、光照度、土壤温湿度以及视频信息，简化了农业温室生产管理过程；设计了基于C#的WEB端软件与基于android的移动终端APP监测软件，使农业监测更加智能化，便捷化。目前该系统已运用于通州区某智能农业示范基地，并取得了良好的应用效果。

[1] 覃梦甜.基于物联网的智能农业系统运用[D].武汉：武汉轻工大学,2014.

[2] 李 瑾,郭美荣,高亮亮.农业物联网技术应用及创新发展策略[J].农业工程学报,2015,31(S2):200-209.

[3] 曾 强.WIFI无线传感器网络的设计与实现[D].太原：中北大学,2012.

[4] Xiong D L.Crop growth remote sensing monitoring and its application[J]. Sensors & Transducers,169(4):174-178.

[5] 李立扬,王华斌,白凤山.基于ZigBee和GPRS网络的温室大棚无线监测系统设计[J].计算机测量与控制,2012,20(12): 3148-3150.

[6] 何 勇,聂鹏程,刘 飞.农业物联网与传感仪器研究进展[J].农业机械学报,2013,44(10):216-226.

[7] 刘红义,赵 方,李朝晖,等.一种基于WiFi传感器网络的室内外环境远程监测系统设计与实现[J]. 计算机研究与发展,2010,47(S2):361-365.

[8] 陈致远,朱叶承,周卓泉,等.一种基于STM32的智能家居控制系统[J].电子技术应用,2012,38(09):138-140.

Design of Monitoring System for Greenhouse Environment of Agricultural Internet of Things Based on WIFI

Yang Fei,Xie Tao,Wu Ying,Su Weijun

(School of Computer and Information Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

In view of the problems existing in the modern agricultural greenhouse environment monitoring, the monitoring system of the Agricultural Internet of things based on WIFI technology is designed. The system consists of the monitoring center, WIFI base station, the environment collecting node and the video surveillance system. Environmental data acquisition nodes to STM32F as main controller, collecting the information of illumination, temperature and humidity, soil temperature and humidity in the greenhouse; video monitor with wired and wireless combination; environmental data obtained through the WiFi wireless network and fiber returns monitoring center. The design of the upper software based on B/S architecture and C/S architecture based mobile phone APP environmental monitoring software to achieve environmental monitoring and control of the release. Field application results show that the design of the environmental monitoring system is simple, reliable and stable performance.

greenhouse;environmental monitoring;WIFI;STM32F;B/S; C/S

2016-08-27；

2016-09-14。

北京市教委科研计划面上项目(KM201510011010)；北京市自然科学基金青年项目(9164025)；2016年研究生科研能力提升计划项目。

杨 飞(1992-)，男，河北省邢台市人，硕士研究生，主要从事智能控制与检测技术方向的研究。

1671-4598(2017)02-0050-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.013

TP274

A