基于Wi-Fi的蔬菜大棚环境监控系统设计

徐 欣 李文杰 唐冬雪

（重庆电子工程职业学院，重庆 401331）

1 项目背景及目的

随着工业发展需要我国蔬菜大棚的土壤环境检测系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高，然而我国的很多地方大棚内温湿度调节是应用很传统的开关门来实现，这种方法费时费力，效率又很低准确度又不高，随机性大很不科学。本文提出了一种基于Wi-Fi技术的农业大棚环境监测系统设计方案，通过Wi-Fi技术无线传输大棚的环境信息，解决了传统生产模式存在的问题。

2 系统方案设计

1）系统设计思想。农业园区蔬菜大棚有着面积大，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。本文将要研发的监控系统以Wi-Fi技术为基础的通讯方式，不但可以实现低功耗运行，而且在通讯的安全性，可靠性方面还有所保障，实现以太网无缝连接等优势，另外，如果将来功能拓展的需要，工作人员在农业园区Wi-Fi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。本文设计了基于Wi-Fi技术的蔬菜大棚环境监控系统，实现对蔬菜大棚温湿度、二氧化碳参数的采集、处理和传输。该系统主要由2个环境测量节点和Wi-Fi模块、数据处理模块、PC服务器、路由器、上位机监测系统组成。2个环境测量节点包括1个温湿度测量节点和1个二氧化碳测量节点。

2）需求分析。本文设计了一个基于Wi-Fi技术的蔬菜大棚环境监控系统，采集层的环境传感器采集数据，通过以Wi-Fi模块为核心的传输层将数据传输到应用层的终端设备发出相应的行动命令。解决了传统农业对植物生长监控技术欠缺的问题。本文的研讨内容是利用传感器和Wi-Fi技术对蔬菜大棚中的温湿度和二氧化碳进行数据采集和传输，并完成硬件搭建工作、现场数据记录、上位机接入与正常运作，监测系统在总体设计上分为硬件模块设计和上位机设计。硬件部分分为数据采集模块和数据传输模块。其中数据采集模块负责采集蔬菜大棚的环境因素，它由温湿度传感器节点和二氧化碳传感器节点组成。数据传输模块将采集到的数据通过无线网络发送到终端服务器。主要的技术要点有：1）深层次地对Wi-Fi模块的搭建与配置进行系统的研究；2）对监测蔬菜大棚参数的传感器进行深入地学习与分析；3）对各个模块引脚进行研究，设计好硬件搭建与各模块间接线图；4）上位机操作系统的设计研究。

3）系统总体方案设计。环境采集节点安置在蔬菜大棚内，环境采集节点主要由传感器、控制器和Wi-Fi模块所组成，其中用到的环境传感器包括光照度传感器、温湿度传感器、光照传感器以及二氧化碳传感器。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Wi-Fi模块。Wi-Fi模块、无线摄像头、移动终端等与Wi-Fi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，实现远程PC和移动终端的实时监测温室大棚内环境数据。

3 系统硬件方案设计

图1 系统硬件结构

1）系统硬件设计。系统的硬件设计主要包括数据采集模块，数据处理模块和数据传输模块。其中数据采集部分由温湿度传感器，二氧化碳传感器组成。数据处理模块通过IIC协议与485协议等实现对数字传感器的数据处理，并通过UART口将数据转送给Wi-Fi模块。

2）系统硬件结构图，如图1所示。

4 上位机系统设计

1）上位机整体设计。基于Wi-Fi的蔬菜大棚土壤环境监控系统的监控中心软件运行于监控中心的服务器，采用C#语言进行开发。软件运行于51系列控制器中，主要实现环境数据的采集，数据的处理和数据的发送。系统上电后，首先进行硬件环境初始化，读取节点编号后进入循环采集环境数据，时间节奏由STC89C52RC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。

2）上位机界面设计。上位机的可视化监控界面设计如图2所示。上位机界面主要由以下几部分构成，标题栏，菜单栏，工具栏和主要的状态栏。

图2 上位机界面

标题栏是本系统的名字，菜单栏主要包括四部分，文件、串口设置、数据显示和关于。文件部分主要是对检测到的文件进行处理，我们可以把检测到结果进行保存，以便我们日后进行分析处理。串口设置部分主要是为了PC机与单片机进行串口连接时的设置，通过这一功能我们可以设置使用那个串口，使用的波特率是多少。数据显示顾名思义用于显示系统采集的数据。工具栏这一部分，主要是用来选择好的串口和波特率等。

在状态栏主要分为三大部分，发送数据和接收数据两部分。数据发送部分主要是向下发送检测命令，数据接收部分是接收单片机传输上来的数据并显示出来。

5 总结

该系统采用了传感器采集环境参数，通过Wi-Fi模块将环境数据传送到终端，用户可在终端查询到大棚环境情况，有效地解决了现有技术中温室监控系统远程布线的困难的问题，该系统监测终端具有易扩展及使用便捷性的特点，用户可随时随地通过Wi-Fi连入系统查看大棚各环境参数。该系统硬件设计具有抗干扰、低功耗级低成本的特点，软件设计具有运行稳定、显示流畅、数据清晰等优点，为农业大棚环境监测提供了更有效、更有力的解决方案。采用该方案设计的蔬菜大棚监测系统开发周期短，性价比高，维护方便，通用性和可扩展性好，有较高的推广应用价值。