基于物联网的樱桃大棚环境监测系统研究设计

杨轶霞

（甘肃工业职业技术学院，甘肃 天水 741025）

1 前言

被誉为“果中珍品”的樱桃，不仅味道鲜美，营养丰富，而且经济价值高，是天水地区农民发家致富的重要经济作物。近年来，随着樱桃市场行情的迅速发展，樱桃种植范围持续扩大，但樱桃生长喜温暖，不耐旱，对温度、湿度和光强等环境因子具有严格要求，露地种植方式无法调控种植环境相关因素，极易受环境因素干扰造成减产甚至绝收等严重后果。

采用温室大棚可以减小外界天气对樱桃成长的影响，提升防御自然灾害的能力，避免晚霜冻、花季降雨等影响。传统的温室大棚通过人工判断温室大棚内的环境，不仅劳动强度大、管理成本高，而且调控的及时性差，难以做到实时监测、精准控制。传统农业温室大棚生产管理效率低、智能化程度不高，由于大棚樱桃栽培技术要求较高，生产技术环节上操作严格，要达到早产、丰产、优质，必须实现大棚生产环境与樱桃不同阶段需求高度匹配，因此开展服务设施樱桃栽培成套环境监测研究，对于提高农业生产、满足人们不同时令的樱桃消费需求具有重要的意义。

本文研究基于物联网的樱桃大棚环境监测系统的设计。将物联网技术与温室大棚种植相结合，搭建了基于感知层、网络层和应用层3层架构的监控系统，通过以ZigBee技术为核心的无线传感网络，实现樱桃生长的环境参数采集与传输，通过无线组网的传输技术将樱桃生长信息传送到服务器及电脑客户端、手机APP等可视化平台，使农户不用深入大棚就能实时监控温室大棚樱桃生长环境状况，并远程控制终端设备的工作状态，有效提高棚内樱桃的产量和品质。

2 智能大棚监控系统总体架构

物联网是在计算机互联网的架构上，利用射频识别和无线数据通信等技术，构造一个可以实现全球物品信息实时共享的网络。而农业物联网是将农作物、生长环境、农户有效串联起来，使用物联网系统的仪器设备监测农作物生长环境中的影响参数，采用物联网监测技术探索农作物生长的最佳环境条件，调节生长周期、提高经济效益。物联网的结构体系分为感知层、网络层和应用层。感知层是物联网的基础层，负责采集物理信息，通过各种感知层设备来采集或识别物体和周围环境的参数信息，并经传输层将生成的数字信号量传输至应用层，供用户使用。网络传输层负责数据信息的传输，将感知层采集和识别的信息传输至应用层，也可以反向传输应用层下达的指令进而对执行机构进行控制。应用层负责根据物联网用户的需求实现其应用功能。

通过对智能大棚监控系统功能要求的分析，将物联网思想应用于智能大棚环境监控系统中，搭建出智能大棚监控系统的总体框图如图1所示。

图1 智能大棚监控系统的总体框图

感知层：主要由数据采集模块、主控制器和执行机构三部分组成，主要负责大棚内环境信息采集和执行机构的控制，樱桃生长环境因素主要有空气湿度和温度、光照强度和土壤湿度等，各种传感器与主控制器结合，实现对大棚内空气温湿度、光照强度等环境数据的采集。执行机构主要包括大棚内安装的加热加湿器、补光灯、排风扇、遮阳棚和水泵等。通过控制排风扇、补光灯、加湿器、遮阳棚和顶棚等设备，保证樱桃有一个良好的、适宜的生长环境。

网络层：是连接感知层和应用层的纽带，将采集的环境参数上传至云服务器，由云服务器进行数据的管理与存储。由WiFi无线传输模块和云端服务器组成，主要完成设备与服务器之间的通信。采集数据通过WiFi实时传输至远端云服务器，用户可以随时获取温室大棚内的实时监测数据，主控制器和WiFi模块通过串口相连。WiFi模块通过广域网连接云端服务器，与服务器以及主控制器进行信息交互，属于网关。

智能大棚监控系统远程数据读取和远程监控选用云端服务器做后盾，在众多的阿里云、百度云、T-Link云、机智云等云服务器中，从切合度及经济价值考虑，本系统选用致力于物联网开发的机智云服务器。WiFi模块作为搭建机智云的媒介，通过广域网与主控制器连接。机智云平台通过广域网下达对终端设备的控制指令。

应用层：主要由手机客户端和电脑客户端组成，通过智能大棚监控系统APP，实现用户管理员人机交互的途径。主要负责大棚环境数据的可视化和控制执行机构的状态，通过对智能大棚监控系统的应用层软件设计和开发实现。

3 智能大棚监控系统硬件设计

智能大棚环境监测系统采用物联网框架，运用Zig Bee无线组网技术，通过布置在大棚现场的终端传感器对空气温度、空气湿度、光照强度等环境信息进行采集检测。选用以Zig Bee为核心的无线传感网络把采集结果发送给大棚种植户。种植户通过电脑客户端、手机APP即可实时远程查询樱桃大棚内现场状况，及时调整做到精准控制管理。系统硬件结构图如图2所示。

图2 系统硬件结构图

监控系统硬件主要由无线传感网络、网关和执行机构3部分组成。

无线传感网络硬件部分主要由空气温湿度、光照强度等环境传感器、ZigBee终端节点和ZigBee协调器3部分组成，主要负责温室大棚监测区域数据采集和本地传输。

网关硬件部分主要由 STM32主控制器和 ESP8266模块组成，主要负责接收和处理Zig Bee协调器传来的数据，并将处理后的环境数据进行上传，同时当大棚内环境出现异常时，通过网关控制执行机构，及时调节大棚内部的环境数据。

网关是设备与服务器连接的桥梁，主要负责处理和转发协调器发送的环境数据至服务器数据库中，同时接收监控平台传递过来的控制指令，进而控制执行机构状态，用以调节大棚内环境数据。由于网关节点数据吞吐量大，为保证系统的稳定性，本系统选用STM32F103微处理器作为网关主控制器，智能网关的节点数据较大，本系统WiFi模块采用正点原子ESP8266模块，该模块支持LVTT串口，工作电压为3.3～5V，具有体积小、价格低、具备UART通用接口等优点。与STM32主控制器之间采用串口通讯。然后，利用ESP8266WIFI无线传输模块进行网关与监控平台数据通信，当大棚内环境数据异常时，需要利用微处理器控制执行机构状态，从而调节大棚内环境数据。

执行结构由继电器模块和被控设备组成，主要功能是通过微处理器控制继电器开关，进而控制执行机构开启和关闭，从而调节温室大棚内环境数据。

3.1 无线传感网络

无线传感器网络是以无线通信技术为核心，以自组织模式构建而成的网络形式。通过在无线网络节点上加装采集各种物理信息的传感器，完成现场各环境参数信息采集工作。传感器采集到的数据汇集到终端节点，借助互联网以及卫星等通讯方式进行发送，供管理者监控现场环境以及实现远程控制。因此，智能大棚监测系统中无线传感网络的应用主要包括环境传感器的选用和无线通信技术的选择。

3.2 无线通信技术的选择

温室大棚在种植和管理过程中需要经常浇水、施肥、喷药，环境比较复杂，不方便布线，加上布线成本高。所以，系统采用无线通信方式进行数据传输和远程控制。比较常用的无线通信技术主要有ZigBee、WiFi、蓝牙等。ZigBee技术是基于IEEE802.15.4的一种无线传感网络通信技术。ZigBee相比蓝牙和WiFi，功耗更低、工作频段灵活，组网成本低。组网能力强，ZigBee大量的节点数更能满足农业系统的各种需求。本系统采用ZigBee技术作为底层网络的核心技术。

ZigBee无线网络拓扑主要有星型拓扑结构、树型拓扑结构和网状拓扑结构3种。星型网络拓扑结构没有专门的路由节点，由一个协调器以及与协调器连接的终端组成。终端节点之间的通信必须通过协调器节点进行信息的中转，协调器负责与范围内所有的其他节点进行通信，并转发其它节点的数据给处理设备；树形网络拓扑由一个协调器节点、至少一个路由器和多个终端节点三部分组成，各层节点都配备有路由节点，协调器与路由器直接相连，终端节点与路由器直接相连，每个路由节点负责管理自己的终端节点。网状网络拓扑结构由一个协调器节点、一系列路由器和多个终端节点组成，拓扑结构和树形结构相似，但网状的信息路由规则比较灵活，多终端节点可以与多路由节点进行混合通信，最大优势在于路由节点之间实现直接通讯。其特点是网络结构复杂，硬件成本较高。

本设计出于对系统可靠性、功耗等方面的考虑，选择较简单的星型拓扑结构作为系统的网络结构。

3.3 ZigBee终端节点硬件设计

ZigBee终端节点搭载各传感器设备，主要包括空气温湿度、光照强度和土壤湿度传感器，利用ZigBee无线传感技术，将布置于智能大棚中的各传感器采集的空气温度、空气湿度、光照强度、土壤湿度等物理参数汇聚到ZigBee终端节点，即传感器与ZigBee数据采集节点直接相连接,分别采集温室内的各项环境数据，数据采集完成后，通过ZigBee终端控制器进行环境数据读取，进行数据分析以及处理，通过ZigBee网络将处理的数据传输给协调器，ZigBee协调器接收ZigBee终端发送的环境数据并通过串口将环境数据发送给网关。WiFi通过协议通信的方式将数据发送给服务器。服务器对数据进行分析、以及可视化等操作。

本系统ZigBee终端选用TI公司的CC2530主控芯片，支持IEEE802.15.4协议的无线射频单片机，CC2530芯片搭载增强型8051内核，具有很强的兼容性，可以兼容UART和A/D等外设，具有稳定、安全的数据收发功能，此外，CC2530有多个信道可供选择，支持ZigBee 2007/PRO协议栈，使得运用CC2530设计的节点通信距离更远，组网性能更稳定可靠，适合应用于本系统。

3.4 监测系统器件选型

（1）温湿度传感器。大棚内空气温湿度的数据采集选用温湿度复合传感器DHT11，该传感器内部包含1个电阻式测湿元件和1个NTC测温元件构成，并与1个高性能8位单片机相连接，采集的各项数据参数会保存在OTP内，方便数据校准时随时调用查看。而且DHT11传感器体积小且功耗低，非常适用于对温室大棚环境的监测。设计中，每个ZigBee终端节点连接一个DHT11温湿度传感器，采集的温湿度数据精准度高、稳定性强。

（2）光敏传感器。光敏电阻器是一种利用半导体光电导效应制成的电阻，其电阻值随入射光强度的改变而改变，又称光电导探测器。当入射光强时，电阻减少，而当入射光弱时，电阻增大。樱桃生长阶段光照是进行光合作用的必要条件，所以，使用光照强度传感器来检测樱桃生长环境中的光照强度，具体型号选用GM5516光敏传感器。该传感器结构简单，对光照强度变化感应敏捷，而且价格低廉，适合在大棚内进行大范围布置，保证光照强度数据信息 采集精确。

（3）土壤湿度传感器。本系统选用精讯畅通的JXBS-3001-TR型土壤水分湿度传感器，该传感器采用了FDR测量方式，利用频域反射电磁脉冲技术测量土壤湿度，测量精度高、稳定性强、响应快，受土壤含盐量影响较小，使用寿命长。

4 结语

以无线传感网络技术为基础的温室大棚樱桃环境监控系统，采用Zig Bee无线自组织网络采集、传输传感器数据，实现从智能大棚环境中采集实时的空气温湿度、光照强度、土壤湿度等数值，采用多个Zig Bee终端节点和一个Zig Bee协调器搭建无线传感网络，组建环境参数信息采集系统，能够实现实时采集樱桃生长环境参数，为保证樱桃的优质生长制定了有效的方案，对农作物的科学化管理具有重要意义。