智能物联网温室自动监控系统设计与实现

范立南，刘 洲，武 刚，李佳洋，戴 祥

（沈阳大学 信息工程学院，沈阳 110000）

0 引言

目前，发达国家设施农业已具备了技术成套、设施设备完善、生产规范、产量稳定、质量保证性强等特点，形成了设施制造、环控调节、生产资材为一体的产业体系，能根据动植物生长的最适宜生态条件在现代化设施农业内进行四季恒定的环境自动控制，使得不受气候条件的影响，实现了周年生产、均衡上市。

当前，国内正处在由传统农业向现代化农业转变的过渡时期，智能温室大棚已经成为了现代化农业的一个重要的组成部分，国内智能温室自动监控系统的应用与研究已经从引进吸收阶段开始向综合性研究、创新应用阶段过渡，未来几年，物联网智能农业将迎来飞速发展的新时期。

1 系统总体方案设计

1.1 系统技术架构

依据温室大棚环境控制目标及参数特点，以物联网技术为支撑，设计温室大棚智能控制系统，实现温室大棚环境参数的全面感知、可靠传输与智能处理，达到温室大棚自动化、智能化、网络化和科学化生产的目标[1]。该系统由主控系统和节点相结合设计，系统可在两种模式下运行，在没有网络的条件下，可以通过人工按键模式操作系统。如图1所示，本设计基于互联网技术大棚农业监测控制系统，主要实现对农作物的环境生长参数指标的监测，并通过管理机制，实时改善农作物的最佳生长环境方案。

系统基于物联网体系架构，采用4层结构进行设计，分为感知层、控制层、网络层、应用层4个部分。

图1 系统架构图Fig.1 System architecture diagram

1）感知层由各类传感器和摄像头组成，用于采集光照强度、土壤温湿度、CO2浓度、空气温湿度以及大棚内的图像。

2）控制层由水帘、风扇、补光灯、散热器、滴灌管、放风设备、遮阳设备组成，满足对智能温室大棚的温湿度、光照强度等生长条件进行调控的需求。

3）网络层由Zigbee收发设备、路由器、工业平板电脑、云平台等组成，通过Zigbee无线传输技术把传感器数据每20s一次发送给接收器，然后通过工业平板电脑每20min一次把信息发送到云平台上。摄像头图像通过路由器实时传输到云平台。

4）应用层包括PC端平台、手机APP和主控制平台，主控制平台可以直接对控制层的设备进行控制，PC端和手机APP发送指令通过云平台传输给主控平台，完成对控制层设备的控制。

1.2 ZigBee技术概述

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功率、低速率、低成本，可靠性高的双向无线通信技术，主要用于各种电子设备之间的短距离、低功耗、低传输速率的数据传输和典型周期数据、间歇数据和响应时间的数据传输应用[2]。随着ZigBee技术的不断发展，其应用领域越来越广泛，将其应用于智能温室大棚进行信息传输成为必然趋势[3]。由于其体积小、自动组网，架设十分方便，并且由于它强调了大量节点进行群组协作，网络具有很强的自愈能力，任何节点的故障都不会对整个任务产生致命的影响，所以它特别适合用于构建无线传感器网络。

基于以上优势，ZigBee节点连接传感器、执行器，配置在相应的设备位置，安装施工简单，能满足数据传输要求，网络可抗性强，成本低。

1.3 传感器节点设计

传感器节点是无线传感器网络的基本功能单元，传感器节点由传感器单元、处理器单元、无线通信单元和电源管理单元组成。传感器单元负责区域内的信息采集和数据转换；处理器负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据和其他节点发来的数据；无线通信单元负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集上来的数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量。传感器节点总体设计如图2所示。

1.4 智能温室大棚的功能

1）种植环境数据监测

高精度、实时测量温室大棚生产过程中温室内空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度，土壤PH值等数据，通过无线传感网络，将数据实时显示在控制箱和APP及PC端界面，使用户可以随时随地观察大棚内部环境。

图2 传感器节点设计框图Fig.2 Sensor node design diagram

2）种植环境视频监控

通过大棚内的高清摄像头实时传输的画面，用户可以在APP上查看大棚内的视频监控图像，可通过APP对摄像头进行不同方向的转动和放大缩小画面的操作。

3）自动分析预警

事先通过控制箱或APP为大棚内作物设置种植策略，当采集到的实时数据超过或低于报警值时，系统将自动报警，并自动开启或关闭指定设备，以调节温室内部环境。

4）远程自动控制

用户可以通过APP和PC端界面随时随地查看大棚内的生长数据和设备运行状态，并可以远程自动操控大棚内的控制层设备，实现自动滴灌、自动控温、自动补光等功能，不用到现场也能达到种植要求。

5）数据分析和统计汇总

系统自动保存采集到的数据，用户可在操作界面查看历史数据折线图，通过比较同一作物在不同种植环境中的生长情况，分析种植环境因素对作物生长和产量的影响，形成科学低成本种植，提高作物产量和品质。

6）专家数据库

为用户提供作物品种选择诊断、生长状况诊断、病虫害诊断和专家知识查询。方便用户实时查询作物种植技术，实时诊断各种作物状况及各阶段相应的控制方案，实时解决作物问题，提高作物产量。

2 智慧农业系统的软件设计

软件部分主要包括主控系统和节点两部分程序设计。节点的程序是在KEIL4.0集成开发环境下设计和编译，通过ST LINK系列烧录软件、USB转TTL下载器将编译好的程序烧录到单片机的FLASH中，采用C语言进行编程设计。主控系统主要使用Android Studio进行编程设计。

图3 主控系统软件设计流程图Fig.3 Master control system software design flowchart

主控系统主要负责接收节点数据并对其进行数据处理，将处理的数据通过串口连接安卓平板，接收数据，并通过安卓平板将数据传输到互联网云端，最后通过管理机制控制风机等开关状态来调节环境参数。主控系统上电后首先对MCU控制器初始化，然后创建ZigBee无线传感网络，接着接收器开始接收节点传输的数据并对数据进行处理，接收器通过串口连接安卓平板，接收数据，然后将数据上传至互联网云端，系统通过接收手机、电脑终端发出的控制指令，或者人工设置的种植策略来启动管理机制。

主控系统的软件设计流程图如图3所示。在具体的软件设计过程中，节点主要通过传感器采集环境数据，并将这些数据发送给主控系统。节点上电后，首先初始化MCU控制器，然后建立ZigBee无线传感网络，接着启动传感器模块采集数据并通过无线传感网络将采集的数据发送给主控系统。

3 系统的界面设计

3.1 主机端

主界面左侧为传感器信息列表，如图4所示。传感器信息包括：上传时间、数值、单位、所在分区、传感器编号（十六进制）。右侧为控制信息及报警信息列表，右侧下部为控制器开关列表。“远程控制”状态下，主机端虚拟按钮有效。“本地控制”状态下，控制箱机械按钮有效。控制箱上的“就地/远程”旋钮，可切换“远程”和“本地”控制状态。如图4所示。

图4 主机端界面Fig.4 Host-side interface

图5 策略添加界面Fig.5 Policy add interface

可以设置控制层设备开关根据绑定的传感器数值和时间范围作出相应的动作，使控制更加精确、简便。使用时，可通过查询相关作物的最佳生长环境进行设置，生成种植策略，系统通过对比传感器上传的数据自动控制管理机制的开关，使作物随时保持最佳生长环境，实现精细化自动控制，如图5所示。

3.2 手机端APP

手机端功能与主机端功能相近，增加了历史数据查询和视频监控功能。点击相应的传感器信息区域，可查看该传感器历史数据曲线，在监控界面，点击视频下方按钮后，可通过滑动屏幕控制摄像头的角度，或双指捏合屏幕调整摄像头的焦距。如图6所示。

3.3 PC端

PC端界面可显示传感器信息，查看历史数据，底部的区域是大棚控制按钮，可控制该大棚的设备控制开关。如图7所示。

4 结论

图6 手机端APP界面Fig.6 Phone-side app interface

图7 PC端界面Fig.7 PC-side interface

本文设计了一种基于物联网和ZigBee无线传感器网络技术的智能温室自动监控系统，该系统采用主控系统和节点相结合的方式进行系统设置，系统采用两种工作模式运行，人工按键模式下操作系统可以降低使用者操作系统的门槛要求，在没有网络的条件下系统可以正常工作。本设计基于ZigBee等物联技术主要实现对农作物的环境生长参数指标的监测，并通过管理机制实时改善农作物的最佳生长环境方案。与传统的农业生产模式相比较，该系统的优点是系统操作简单，使用范围广，对使用者的操作能力要求低，系统灵活性强，能有效地改善生长环境，提高农作物的产量，降低人力成本。