一种新型智慧农业大棚系统的设计与实现

马士明

（滨州学院，山东 滨州 256600）

0 引 言

农业是一个国家的基础性产业，对于我国这样一个农业大国来说，显得更为重要，直接关系着我国的国计民生。因此农业信息化、智慧化的发展程度，与我国的经济水平关系十分密切。传统的农业依靠的是相对陈旧的生产技术，并且使用落后的生产工具，导致生产率低下、农产品的产量增长十分缓慢、农业发展相对滞后，反观这种局面下的结果又会影响技术和工具的发展与革新。要想农业可持续发展，实现传统农业向现代化的发展，在此过程中必须要考虑在保证产品总量、调整产业结构、改善产品品质的前提下如何解决生产效益低下、资源严重不足、利用率低下、环境污染等问题所带来的影响。因此，必须不断提高对农业生产的要求，并研究如何将先进的技术与传统农业结合，以实现农业的现代化。在这种背景下智慧农业应运而生。

根据“十三五规划”要求，结合我国农业的现状，全面实施智慧农业，真正实现现代技术与传统农业的结合，对农田农作物种植、渔业养殖、经济作物种植等产业进行现代化改造，支持现代企业参与农产品商务平台建设。

智慧农业包含很多方面，其中智能农业温室大棚就是一个非常典型的应用场景。本文设计的智能温室大棚系统由感知系统、无线传感网系统和信息处理系统组成，主要实现了大棚的农作物种植的自动化、对农作物的控制以及现场和远程的管理，这在一定程度上也是物联网技术在农业生产方面的具体应用。

1 系统总体设计

根据智慧农业温室大棚的设计要求，本系统主要由传感器、ZigBee节点、ZigBee协调节点、智能网关、手机终端、PC端、摄像头等部分组成。手机终端和PC端通过智能网关与ZigBee网络相连，实现大棚内各项环境指标的实时传输和处理以及在手机终端和PC端的显示，手机端还可以实现对各执行器节点进行控制。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 智能网关选取

在网关硬件部分的分析设计中，基于本系统的功能需求以及成本问题，确定网关的设计要求为：系统易操作、易上手，兼容性好，成本低，稳定安全。系统网关硬件整体设计如图2所示，主要的组成部分包括Cortex-A8处理器、ZigBee协调器模块、WiFi模块等。

图2 网关硬件总体框图

Cortex-A8嵌入式智能处理器的主要处理芯片为三星的S5PV210芯片，其运行主频可以达到1 GHz。为了更好地处理视频和图形文件，S5PV210 内部集成了PowerVR SGX540高性能图形引擎，它不仅可以支持3D的图形处理，还可以流畅地播放1080P视频。

2.2 ZigBee相关电路模块设计

本系统中ZigBee模块的核心芯片选取的是CC2530，内部结构主要包括CPU和EPROM、电源模块、晶振模块以及其他外部设备。CC2530有四种不同类型的的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，最小系统如图3所示。

图3 CC2530最小系统图

大棚内部网络是通过ZigBee技术连接的，这对于整个系统来说是非常重要的。ZigBee模块的工作流程如图4所示。网关内部的ZigBee协调器负责组网并连接各个ZigBee终端节点。与终端节点相连接的传感器将采集到的数据通过ZigBee无线传感网络传到协调节点，协调节点再将数据传送到主控芯片。此外，各执行器的状态也是由ZigBee终端节点检测并通过网络传送至协调节点，然后报告给主控芯片，主控芯片将命令通过协调器发送给终端节点，终端节点控制执行器的工作状态。

图4 ZigBee模块工作流程

ZigBee协调节点的功能：在整个ZigBee网络中起主导作用。整个ZigBee网络由协调节点发起和组建，并且负责整个网络数据的传输与转发。协调节点功能结构如图5所示。

图5 协调节点功能结构图

ZigBee终端节点功能：读取传感器和执行器的数据，发送数据并接收主控芯片的指令。终端节点功能结构如图6所示。

图6 终端节点功能结构图

2.3 功能模块选取

本系统所选模块皆为工业级传感器，具有采集精度高、性能稳定、带有保护壳不易侵蚀等优点，主要包括温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器、压力传感器、雨雪传感器、风速传感器，用于测量大棚内主要环境参数。具体型号见表1所列。

表1 传感器型号一览表

3 系统软件设计

3.1 主要模块程序设计

根据系统的主要功能和硬件的主要结构，本文的智能农业大棚系统的软件设计主要由网关相关设计、通信协议的程序实现和手机APP开发三部分组成。ZigBee模块和采集节点构成了系统的无线数据通信网络，与网关中的数据库进行数据通信，同时手机APP可通过Socket通信与服务器进行信息交换。软件设计结构如图7所示。

图7 软件设计结构

3.2 ZigBee模块程序设计

ZigBee模块主要分为协调器和终端节点两个部分。协调器负责组建网络和将终端节点传送来的数据转发给主控芯片，同时也可以将主控芯片的指令发送给终端节点。协调器与主控芯片之间通过串口连接。协调器的组网流程如图8所示。

图8 协调器的组网流程

3.3 采集节点程序设计

协调器建立网络后，终端节点加入网络，把传感器的数据通过ZigBee传送给协调器。节点采集数据流程如图9所示。

图9 采集数据流程

3.4 网关程序设计

本文中的系统采用的数据库是SQLite，是基于C语言开发的嵌入式数据库；与传统数据库相比，它更加适合本文系统设计的要求，只具有数据库的基本必要功能，摒弃了不必要的复杂功能，因具有功能强大、体积很小、结构简单、兼容性和移植性好的特点，使得它常常被用在体积较小的穿戴设备上或对体积有要求的系统中，比如手机、手持设备等。由于嵌入式数据库的性能很好，所以在一些对性能有要求的系统中也是常常采用这种数据库。

本文中手机终端与服务器的通信，选取的是TCP协议，并通过三次握手连接来实现手机与服务器的数据通信。

TCP/IP网络的API采用的是Socket接口，它定义了许多函数或例程。网络的Socket数据传输是一种特殊的输入输出。Socket可以调用Socket（）去打开一个文件，运行完毕后该函数可以返回一个整型的Socket描述符，完成后就可以基于Socket进行连接建立、数据传输等工作。常用的Socket类型有两种：流式Socket（SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式中Socket的主要功能通常要在运行之前先建立连接再进行通信，这就是面向连接，主要针对于TCP服务应用；数据报式中Socket功能是不需要提前建立连接的，主要对应于UDP服务应用。

3.5 手机APP程序设计

本文中手机APP通过无线WiFi与智能网关中的服务器相连获取数据，主控芯片通过ZigBee无线网络与各个终端节点相连，实现数据的传输和对执行器件的控制。整个APP系统主要由环境监测、远程控制、全部设备和视频监控四个模块组成，简洁方便，非常符合智能化的要求。

3.5.1 登录界面设计

设计手机APP登录界面，主要由三个部分组成，分别是资源文件、JAVA源代码和系统文件。资源文件主要是对登录界面进行结构布局的设计，JAVA源代码是对APP主要功能的实现进行的设计，系统文件主要是识别界面中定义的组件。登录界面构成如图10所示。

图10 登录界面构成

3.5.2 主控界面设计

当点击登录按钮后，手机APP从登录界面转到主控界面，根据智能农业系统的功能需求，主控界面主要由环境监测、远程控制、全部设备、视频监控四个功能模块组成。界面上的每个功能模块图标对应相应的功能，这样就可以为用户提供进入每个功能模块的接口。主控界面流程如图11所示。

图11 主控界面流程

通过设置事件侦听器在登录界面中监听按钮事件，通过意图组件实现按钮事件的跳转。也就是说，需要在主控界面上的每个功能图标设置侦听事件，这样才可以侦听每个按钮事件的发生，一旦按钮事件发生，通过意图组件实现功能跳转。

4 系统测试

智能农业系统搭建完成后，硬件与软件系统均可正常运行，如在调试过程中出现问题，则需继续完善和改进。系统上电后，所有硬件正常工作，将手机APK文件下载到手机并安装，生成智能农业图标。运行APP，打开登录界面，如图12所示，输入IP地址和端口号，连接WiFi热点和服务器，进入控制界面。

图12 手机APP登录界面

点击环境检测图标，进入功能界面，如图13所示。通过ZigBee网络手机终端节点采集的信息，经过WiFi网络在手机APP相应界面中显示。点击远程监控界面，执行设备的状态以及控制按钮可通过此界面显示，点击控制按钮即可改变执行设备状态。

图13 功能界面

5 结 语

本文所设计的系统主要是由网关系统、ZigBee无线传感网络、传感器、执行器以及手机APP等部分组成。虽然较好地实现了本系统的基本预期目标，但本系统还存在一定的功能缺陷，比如：ZigBee通信距离比较有限，不适合大区域的智能农业区域覆盖；ZigBee节点数量有限；手机终端APP的功能比较单一，没有统计分析功能。结合物联网和5G技术的发展，本系统还可以进行必要的功能扩展，可以与人工智能、大数据、云计算等技术相结合，打造真正的智能农业体系智慧化。