基于物联网的农业大棚环境监控系统设计

王明武， 张 军， 杨 莉， 李武林， 吴佳奇

(1.陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000； 2.陕西汉中变压器有限公司， 陕西 汉中 723000)

作为农业大国我国有着非常广泛的农业种植大棚。众所周知，农作物产量和质量会受到温度、光强、CO2浓度、土壤湿度、虫害等环境的严重影响[1-3]。传统的农业大棚依靠人工现场采集数据，或通过电缆将外界传感器采集参数传输至监控系统，不仅造成施工安装困难、可靠性差等问题，而且农业大棚一般地处偏僻、分布广阔，用户一般先要分析环境参数，再到现场进行手动调节控制，劳动生产效率低，从而影响到大棚作物的产量和质量[4]。

现代农业是通过各种传感器采集农业种植重要参数，并对这些参数进行处理而做出相应的环境调整，数据还可上传至互联网，便于用户实时查看和分析农业种植的各类参数，以助于植物生长习性的研究[5]。因此，基于物联网的农业大棚监测系统可远程精确地采集参数信息，进而有效地提高劳动生产效率和实现科学种植，引领现代农业发展[6-7]。

本文提出了一种基于物联网技术的农业大棚环境监控系统，系统通过ZigBee节点获取外界传感器参数信息，用户通过手机终端作为人机界面进行监控，执行节点接收到人机界面远程命令进而控制继电器调节农业生产环境参数，从而提高农业大棚种植的科学化和智能化。

1 系统总体设计

本系统网络结构可划分为感知层、网络层、应用层等部分，具体如图1所示。

感知层由温度、CO2浓度、光强、气压和土壤湿度传感器构成，主要用于全方位地采集和监测农业大棚各种重要的种植环境参数[8-9]。

网络层核心由ZigBee协调器和WIFI网关组成，负责将传感器节点采集到的环境参数上传至服务器，进而通过手机APP界面对温度、CO2浓度、光强、气压和土壤湿度参数进行远程实时监测。

应用层位于系统顶层，用户除了通过手机APP了解到大棚环境状况，还可根据农作物的生长环境变化对换气扇、水泵、天窗等远程设备进行控制，以实现农业大棚环境参数的动态控制调节。

图1 系统架构图

2 硬件设计

2.1 CC2530控制板

智能环境感知和设备控制功能均基于CC2530控制板实现。CC2530是一种基于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的系统解决方案，它集成有增强型的8051单片机、领先的无线射频芯片，内部具有256 KB闪存、8 KB RAM及其他丰富的资源，并可在不同的运行模式下工作以适应超低功耗要求。CC2530主要功能是通过A/D模块控制传感器进行数据采集，以及利用无线射频模块来实现数据的收发[10]。CC2530电路图如图2所示。

图2 CC2530电路图

该电路采用LM2596电压调节芯片将输入电压DC 24 V变换为DC 5 V给传感器或执行设备供电，5 V电压再输入到AMS1117-3.3稳压芯片转换成3.3 V供电给CC2530，时钟电路内部采用32 MHz晶振。

2.2 CC2530无线感知与控制节点设计

节点终端主要由外部传感器或执行设备组成。协调器主要负责ZigBee自组网构建、数据无线发送和接收，以及和WIFI网关进行数据通信。

2.2.1 温度感知节点

图3 DHT11节点原理图

该节点使用DHT11温湿度传感器用来监测空气温湿度参数。如图3所示，DHT11采用one-wire总线与CC2530通信，传感器的串行数据口(DATA)连接CC2530的P0.7口。上电后，设置P0.7处于输出状态。当外部信号出现低电平时，DATA输出低电平信号进行应答。接收到应答信号后P0.7开始接收数据，DATA输出40位长度数据。输出完成后，DATA重新变为高电平，继续监测外界温湿度数据。

另外，节点中还搭载了直流电机，直流电机用于驱动排气扇。当手机APP上显示环境温湿度不满足要求时，用户可通过手机APP发送命令信号控制加热器和加湿器进行调节。

2.2.2 气体浓度及气压感知节点

该节点搭载有MQ2气体浓度传感器，以及BMP180气压传感器用来采集农业大棚中的有害气体浓度及气压值。

MQ2气体传感器有4个引脚，分别为VCC、GND、DO、AO。DO可与CC2530F256芯片直接连接来检测高低电平，由此监测是否有有害气体。一旦检测到有害气体浓度高于阈值时，模块上指示灯进行报警。AO可经A/D模块进行转换和标定后输出气体浓度值，并可通过调节数字电位器调节采集数据时的灵敏度。气体浓度超过允许值时，系统采用通风换气方式调节到适合农作物生长的最优浓度。

BMP180气压传感器具有I2C通信接口和E2PROM，电路图如图4所示。传感器SCL引脚接P1.0引脚，SDA引脚接P1.1引脚。该传感器可同时测量并输出气压值(300～1100 hPa)、温度及海拔高度(-500～9000 m)，E2PROM可对读出来的压力、海拔精度进行校准。

图4 BMP180节点原理图

2.2.3 光照感知节点

光照感知节点基于CC2530和数字光照传感器BH1750实现。BH1750是16位数字光照传感器，光照度检测范围为1～65 535 lux。BH1750通信使用I2C总线，具体如图5(a)所示，传感器SCL、SDA引脚分别接入P1.0、P1.1引脚，引脚ADDR悬空。

该节点还接入了用ULN2003模块控制的四相五线步进电机，用于控制天窗打开或关闭。如图5(b)所示，驱动板上的IN1、IN2、IN3、IN4口分别接入节点上的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7引脚，可控制步进电机的正反转以及转速。

(a)BH1750传感器原理图 (b)ULN2003模块原理图 图5 BH1750节点原理图

2.2.4 土壤湿度感知节点

图6 FC-28节点原理图

该节点使用FC-28土壤湿度监测模块来监测土壤的湿度。检测部分是一个U形的电路板，生产厂家在其表面电镀了一层镍从而提高导电效率，可有效防止电路板生锈以延长使用寿命，电路图如图6所示。土壤湿度越大，输出电压越大。LM393比较器的AO引脚可接单片机A/D模块，经A/D转换后输出土壤湿度值。该节点还接入控制水泵的开关，当土壤湿度小于阀值时，启动水泵进行灌溉。

2.3 Zigbee转WIFI网关设计

协调器与网关通过串口与WIFI模块通信。综合考虑到系统成本和低功耗等因素，WIFI模块选用上海乐鑫的ESP8266芯片。ESP8266内部高度集成有天线开关、射频巴伦、低噪声接收放大器、滤波器等模块，支持WPA/WPA2安全模式，模组尺寸小巧，性能稳定。

CC2530射频模块作为ZigBee网络协调器，该模块接收到子节点发送来的数据后打包发送给ESP8266模块。ESP8266模块负责互联网通讯将数据发送到云端，手机APP接入网络后便可显示出相应的数据。

ESP8266原理图如图7所示，AMS1117-3.3稳压芯片提供5 V电压为ESP8266供电。ESP8266时钟信号采用26 MHz外部晶振。CC2530通过EN使能引脚控制ESP8266进行工作，并使用串口与ESP8266进行数据通信，从而将ZigBee采集到的数据转换成WIFI网络数据上传至手机APP。

图7 ESP8266原理图

3 用户程序设计

用户程序主要包括ZigBee传感器节点采集与控制、ESP8266 WIFI模块通信，以及手机APP监控界面设计。

3.1 ZigBee传感器节点采集与控制

图8 传感器节点采集与控制流程图

用户程序基于ZStack3.0.2协议栈框架添加功能函数模块。ZStack遵循IEEE 802.15.4标准进行编程实现，主要包括HAL硬件层、MAC媒体介质访问层、NWK网络层、APP应用层、OSAL操作系统层、Security安全层、Tools工程配置层、ZMain主函数层，以及ZDO等模块。系统初始化后进入休眠，如有事件发生，系统被唤醒并按照优先级顺序处理触发事件，待所有事件执行完成后，系统再次进入休眠模式以有效降低系统功耗。用户程序调用API函数添加温度、气体浓度、光强、土壤湿度等传感器模块参数读取函数，从而大大地缩短了项目开发周期。

如图8所示，系统先初始化硬件和协议栈，然后搜索可用信道，查找附近是否有ZigBee网络，若发现网络则根据PANID号自组建ZigBee网络，等待路由或终端节点加入网络。组网后系统进入休眠模式，等待中断产生，若有中断，则判断是否响应或执行。

协调器主要负责ZigBee网络自组网，以及协调安全层和应用层绑定等工作。自组网过程中，协调器通过网络地址分配、节点加入等实现网络的组建，对ZigBe传感器节点采集到的环境参数数据进行收发与处理，进而对执行设备进行远程控制[11]。

系统使用IAR Embedded Workbench V8.0 for 8051集成开发环境软件编程。IAR包含有C/C++编译器、链接器、工程管理器、C-SPY调试器、实时操作系统、硬件仿真器等部分，支持ARM、AVR、MSP430等芯片内核平台。图9为IAR开发环境主界面截图。

图9 IAR集成开发环境主界面

3.2 ESP8266 WIFI通信模块

ESP8266通信流程如图10所示。首先配置CC2530的串口，开启串口接收中断，然后对ESP8266进行使能和复位，测试成功后进入STA模式并进行连接。连接目标成功后进一步设置ESP8266为单连接模式，系统基于TCP/IP协议连接服务器的指定端口，连接成功后，设置ESP8266进入串口透传模式，CC2530即可与服务器进行数据收发。

图10 ESP8266配置流程图

3.3 手机APP监控界面设计

图11 手机APP监控界面

手机APP监控界面主要包括环境监测、远程设备控制等部分，具体如图11所示。用户通过APP监控界面可实时了解农业大棚的环境状况，以及进行远程设备的控制动作。

4 总结

本文设计出了一种基于物联网的农业大棚监控管理系统，系统使用ZigBee传感器节点实现了大棚温度、光照、土壤湿度等传感器的自组网、数据采集和无线传输，取代了传统农业大棚采用电缆进行数据传输，从而降低了系统的安装、施工、维护成本，大大提高了劳动生产效率。此外，通过ZigBee协调器与网关实现了数据网络传输，用户通过手机APP可实现农业大棚的实时远程监控和设备控制。实际应用表明，互联网+智能农业大棚监控系统方便了用户对农业大棚异地远程监控，有效降低了人力成本，具有很好的实用和推广价值。