基于物联网和云平台的智慧温室监测系统构建

刘勃妮， 王丽， 王威， 张杨梅

(西安航空学院 电子工程学院, 陕西 西安 710077)

0 引言

随着科技水平的发展和人们生活水平的提升，人们对农产品品质要求也提高，物联网、互联网、大数据和云计算等新兴技术正推动农业科技自动化的发展。通过农业科技自动化技术构建农作物生长最佳环境，确保其产期与产量[1]，再通过物联网技术监控农作物的生长环境、控制环境，提供农作物生长最合适的条件。因此必须研究温室内温湿度、光照、二氧化碳等气体浓度对农作物的影响，并对环境因子进行实时控制、精准控制[2]。综上所述，温室环境数据采集、传输和控制对于提高农业现代化水平具有深远意义。

20 世纪90 年代，物联网概念首次被麻省理工学院的Kevin Ashton等提出。物联网即赋予每个物品唯一的代码标示，结合互联网与射频技术，实现物品的自动识别及远程管理[3-4]。国内外学者在这方面做了大量相关研究工作，取得了一些进展。使用关键词“温室”和“ 物联网”在中国知网(CNKI)中的检索结果，如图1所示。

图1 中国知网相关文献检测结果

从2011年开始，相关文献开始出现，并快速增长，图1数据表明：温室物联网技术得到了研究学者的关注。一些应用产品可以实现数据的准确采集，但仍存在功能单一、感知节点单一等缺点[5]。智能温室利用物联网技术，通过各种传感器采集光照强度、湿度、温度和CO2浓度等参数值，并与预设值相对比，自动调节温室环境的参数值，最终给植物提供最佳的生长条件。本文研究了一种基于物联网和云平台的智能温室监测系统[6]，结合无线传感器网络技术、物联网技术和嵌入式技术等，通过手机APP或平板电脑实现远程实时监控，便于观测者及时查看数据和调整环境参数。该系统成本低、操作方便快捷，易于在广大农户中推广。

1 总体方案设计

虽然温室给农作物提供了良好的生长环境，但温室管理非常复杂，其环境参数如温度、湿度、光照和CO2浓度的要求很高。构建空气与土壤温湿度、光照强度和CO2浓度等参数可实时控制的智慧温室，实现了生产要素的实时远程调节控制[7]。

本系统分为数据采集端(感知层)、数据传输端(网络层)和数据监测端(应用层)。其系统总体框架，如图2所示。

图2 系统总体框架

数据采集端由主控制器和多个传感器构成，主要负责采集温室环境参数。数据传输端是将采集端的数据通过物联网传送到云平台再传送给数据监测端。数据监测端是负责实时监测和控制温室数据。操作人员可通过APP应用软件进行可视化观测和参数设置。传感器感知模块采集到温室的温湿度、光照等参变量后，通过物联网传送到数据监控云平台进行分析，并实时将最新动态信息传输到APP应用软件，便于管理员操作和监控，最终达到移动监控的效果。

2 系统硬件设计

智慧温室监控系统框图，如图3所示。

图3 智慧温室监控系统框图

系统由传感器模块、主控制器、ZigBee无线通信模块、云平台和监控平台等组成。采用 STM32 芯片作为主控制器，以ZigBee无线通信技术进行数据信息的传输，再通过云平台传输给监测平台进行显示[8]。

2.1 主控制器模块设计

最小系统主要由ARM芯片、复位电路和时钟电路组成。该系统采用 STM32F407 微控制器，具备1 024 KB FLASH和192 KB SRAM，集成FPU和DSP指令[9]，具有较强的抗干扰能力和较高的可靠性；使用3.3 V工作电压；时钟电路由8 MHz和32 MHz的晶振以及电容组成。

2.2 传感器模块设计

温度传感器选用DS18B20，测量范围为-55 ℃—+125 ℃，抗干扰能力强，全数字温度转换及输出，最高12位分辨率，具有限温报警功能；湿度检测器选用LM393，J是两个插片，插在土壤里，通过检测探针间电阻阻值和AC口采集的电压值来判断土壤湿度，当探针间电阻接近无穷大，AC值为VDD值(高电平)，OUT输出高电平时，土壤湿度小；反之，土壤湿度大[10]。测量电路,如图4所示。

图4 湿度检测电路

这两种传感器负责采集土壤温湿度数据。空气温湿度检测采用温湿度传感器RHT03-A，自带上拉电阻，具有传输速度快、精度高和连接方便等特点[11]。CO2传感器COZIR，具有低功耗、精度高和温湿度补偿功能。光照传感器BH1750采用进口光敏元件，可转换的波长范围为380-730 nm，精度高。

2.3 ZigBee通信模块设计

ZigBee 通信协议是基于IEEE 802.15.4标准，其结构分为应用层、网络层、MAC层和物理层。ZigBee技术是一种短距离无线通信技术[12]，具有功耗低、抗干扰保密性好和鲁棒性强等特点。系统只需要了解应用层函数并合理调用，就可以构建性能稳定的ZigBee无线网络。本设计采用CC2530作为无线通信控制核心，能够直接读取各类传感器数据，能够保障各种供电模式下的数据完整性，且灵敏度高、抗干扰能力强，可适用于复杂环境[13]。

3 系统软件设计

3.1 主控程序

主控机STM32F407正常定时采集输入各个传感器的数据， 同时与ZigBee通信模块进行通信，向云平台上传采集数据，或接收云平台发出的指令。所以主程序上电后，先初始化I/O 口、通信串口等设备，判断各节点模块和主控制器之间是否能正常通信，再运行ZigBee通信模块进行组网，在程序完成相关外设初始化和中断时，进入主函数，判断采集数据是否超过预警值，是否需要进行预警提示，并在用户端进行显示。主程序流程图，如图5所示。

3.2 云平台设计

OneNET是一款PaaS物联网云终端平台。该平台的设备接入和连接比较方便，产品开发快，将完美的物联网解决方案输送至智慧温室监控中心。它是数据交互中心，开发者可以通过此平台对智能设备进行实时监测。本文实现了基于OneNET平台的智慧温室监控系统，感知层将采集的温室环境数据通过ZigBee通信与OneNET平台进行交互，将数据记录到OneNET云平台对应的虚拟设备，并传输到监控平台或移动端APP，最终用户可通过监控平台或移动端APP进行实时环境数据监测和远程控制。

图5 主程序流程图

3.3 移动端APP设计

移动端APP设计采用Android操作系统，程序设计语言为Java。在开发设计过程中，实现了APP的人机交互，实现了APP对数据库的实时读取。通过物联网技术实现了移动端APP和智慧温室监控系统有机融合，可实时监测各项环境数据以及历史数据查询。系统的主要功能模块包括APP前端数据展示系统(包括温湿度、二氧化碳浓度和光照强度等)、APP管理设置系统(主要包括环境的阈值)和历史数据查询功能[14]。

4 结果与分析

任意选择5个点(A、B、C、D、E)进行模拟实验测试，通过数据传输时间、误码率和传输速度的测试分析，验证系统是否具有可行性。实验数据表,如表1所示。

表1 实验数据表

从表1中看出，5个点的平均传输时间为0.192 s；平均误码率为0.35%；平均传输速度为23.42 Mbit/s。结果表明：该系统数据传输效果良好。

对系统性能进行测试，主要进行系统可靠性测试、无线传输可靠性测试和移动端APP实时数据查询测试、移动端APP远程控制测试等。系统72小时连续运行测试结果,如表2所示。

表2 测试数据

5 总结

本文设计了一款基于物联网和云平台的智慧温室监控系统，结合嵌入式技术、物联网技术和云计算等技术，可对温室数据(温湿度、二氧化碳和光照强度等)实时监测和有效调节，可以给农作物一个最优的生长环境。该设计可以提高农作物生产效率;降低劳动成本;增加农业的经济效益，具有很强的推广性。