智能温室远程监控系统设计

张水保 徐守志 李丰杰

（三峡大学 计算机与信息学院，湖北 宜昌 443002）

温室的智能化管理是农业自动化的重要应用领域［1］.近年来，农业温室基础设施发展迅速，但是在自动监控方面仍存在着诸多问题.温室监控区域较大，需要大量的传感器节点构成大型监控网络，通过各种传感器采集诸如温度、光照度、空气湿度、土壤湿度、EC值、pH值等信息，实现自动化监控.采用无线通信技术组建无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN），具有安装方便、成本低廉、易于维护等诸多优点［2－4］.目前针对短距离的无线通信技术有蓝牙、WIFI和ZigBee等，ZigBee技术以其低功耗、低成本等优点，得到了广泛的应用.本文结合温室生产自动监控技术的发展特点，设计了一套温室监控系统以满足现代精细农业［5］生产中的应用要求.系统能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域各监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送给观察者.基于ZigBee协议栈开发应用层协议，并在此基础上开发上位机监控系统.上位机系统实现对温室环境参数的自动监测、控制和远程查询及控制，从而为实现温室的智能化管理奠定基础.

1 温室监控系统的体系结构

本文设计的温室监控系统由系统监控中心、协调器节点、传感器节点（包括数据采集节点、路由器节点、控制节点）以及GPRS硬件模块组成，如图1所示.

图1 温室无线监控系统体系结构图

监控中心由上位机监测控制软件系统、后台数据库系统以及GPRS短信管理子系统构成.其中上位机软件系统负责同协调器应用层进行数据传输、向协调器应用层下达命令和网络管理；数据库系统运行在后台，存储传感器网络采集到的温室数据，为智能决策提供依据.GPRS短信管理子系统可以实现用户远程查询环境信息和环境控制.监控系统设计人工管理和自动管理两种管理模式.正常情况下，监控系统根据用户设定的阈值参数进行数据采集和设备控制，当温室环境参数出现异常，系统会立即向管理员发送报警信息.系统允许管理员对系统进行人工干预，如采集特定信息、参数调整、特定控制等.

协调器节点和传感器节点是传感器网络的主要组成部分.在一个监测区域布置一个协调器节点和适当的传感器节点（根据监测任务的需要布置）.协调器节点负责网络组建、网络管理和信息转发等工作，它接收来自路由器节点或数据采集节点发送过来的数据信息并进行数据融合处理，并将网络采集的信息传送给温室系统监控中心.传感器节点分为数据采集节点、路由节点和控制节点，均可以采集相应的环境参数或执行一定的控制操作.路由节点是在传感器节点协议栈中嵌入路由协议，在传感器网络中具有路由功能.路由节点通过自组织方式形成自组织网络，协调器充当监测区域的网关节点，实现监测网络与上位机系统的互连.

传感器节点主要负责3种工作：

1）信息采集.当接收到查询命令时，立即唤醒并采集温室环境数据（如空气温湿度、土壤温湿度、光照以及CO2的浓度等），发送给自己的父节点（路由器节点或协调器节点）.

2）环境控制.无线控制节点接收系统的决策控制命令，根据命令参数控制温室环境调控设备（如补光灯、风机、喷水装置、CO2的化学装置等）的开启及其调控参数的大小（如风机开启的时间，喷水设备洒水量的多少等）.

3）数据转发.路由器节点除了自身要采集和发送数据之外，还要转发来自其他数据采集节点或路由器节点发送过来的数据.

2 系统关键模块设计

图1所示监控系统的体系结构中，系统的关键模块包括传感器节点及相应的协议、短信管理子系统、上位机系统等.本节从硬件设计、软件或协议设计两方面对系统涉及到的关键技术进行介绍.

2.1 关键硬件模块设计

温室监控传感器网络涉及到的硬件主要包括数据采集节点、路由节点、协调器节点和控制节点，四者在硬件设计上结构基本相同.不同类型的网络节点主要区别在于嵌入的网络协议不同，在后文作介绍.4种类型网络节点均由微处理器单元、RF射频无线通信单元、供电模块单元和对应的外设4个主要部分组成［6－7］，数据采集节点和路由节点连接数据采集控制单元，协调器节点通过串口等外设连接PC机，控制节点增加一个控制电路连接执行机构控制.它们的硬件结构如图2所示.

图2 传感器硬件节点结构图

2.2 网络节点协议软件设计

4种网络节点的软件系统都是基于TI公司的Z－Stack协议栈进行设计的.协调器节点运行后，首先初始化网络协议栈，创建网络，并进入信道侦听模式，介绍其它网络节点的加入请求；各传感器节点运行网络协议栈并加入网络，之后路由器节点进入信道侦听模式，而数据采集节点和控制节点进入休眠模式.当数据采集节点收到父节点发送过来数据采集命令时，节点从休眠模式进入工作模式，根据相关命令进行数据采集操作并发送给父节点，之后节点再次进入休眠模式，控制节点接收到父节点发送过来的控制命令时，节点会根据命令中的参数控制温室调控设备的开启与关闭.他们的工作流程图如图3所示.

图3 网络节点协议软件流程图

2.3 GPRS短信系统协议设计

该系统通信模块主要实现短信的收发及管理.该模块在AT串口指令集基础上，设计收件箱和发送箱两个类，用于短信的管理，并向上位机监控系统提供接口供调用.短信模块采用支持中文的PDU短信编码方案，发送PDU协议字段见表1.

表1 发送PDU协议定义

2.4 温室监控系统上位机软件设计

该上位机系统主要包括传感器网络管理和短信管理两个线程，如图4所示.

传感器网络管理线程通过串口与协调器节点通信，主要任务包括：①网络管理.以一定的频率发送网络发现命令RND和读传感器命令RAS，根据各个节点返回的信息计算并绘制网络拓扑图，并能及时发现是否存在部分节点失效的问题；②数据采集.读取传感器发送回来的数据后，并将数据进行处理，存入数据库或并在界面上实时显示，方便温室管理员查看和查询数据记录.

图4 上位机系统主要线程流程图

短信管理线程通过串口连接GPRS MODEM设备，主要任务包括：①接收短信.处理短信请求并按应用协议解析短信内容，并向上位机系统提交.如果是查询请求，系统将启动查询任务，并将查询结果返回给短信管理线程；②发送短信.按照系统提交的发送指令发送短信.系统的发送短信指令包括用户查询结果的返回和监控系统的报警信息.

3 系统测试

测试工作包括在一个温室大棚布置传感器网络、协调器节点通过串口连接上位机系统、进行组网测试、数据采集、节点控制和短信远程查询.系统运行界面如图5所示，图中网络节点之间的数据表示节点之间的信号强度值.顶层节点为协调器节点，即网关节点，中间层的节点为路由器节点，叶子节点均为数据采集节点或控制节点.其中编号00000008的节点采集温室光敏数据.节点周期性采集光照等信息，经过系统处理后存入数据库，以供后期分析，同时通过实时信息曲线图显示，图5（b）中峰值为手电筒直射该节点的测试结果.管理员也可以通过特定格式的短信发送查询指令，指定传感器节点的信息通过短信发送给特定用户.

图5 系统运行界面图

4 结 语

精细农业成为农业可持续发展的热门领域，温室自动化生产监控技术是其典型的应用.其关键是实时地获取地块中每个小区土壤、农作物的信息，诊断作物的长势和产量在空间上差异的原因，并对每一个小区做出决策，准确地进行作业，从而最大限度地提高生产效益.无线传感器技术被认为是满足温室应用需求的最好方式.本文结合最新的ZigBee技术，设计开发了一套无线传感器网络温室监控系统：通过在温室大棚内布置温度、湿度、光照等传感器，对棚内环境进行检测，从而对棚内的温湿度，光照等进行自动化控制.在已有成果的基础上，下一步可以通过更加精细和动态监控的方式，实现更好地感知到农作物生长环境信息，优化农作物管理，对提高资源利用率和农业生产水平具有很好的实践价值.

［1］ Wang Ning，Zhang Naiqian，Wang Maohua.Wireless Sensors in Agriculture and Food Industry－recent Development and Future Perspective［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2006，50（1）：1－14.

［2］ 鲍军民.ZigBee技术在温室监控系统中的应用［J］.农业化研究，2008（2）：184－187.

［3］ 周建明，徐冬冬，周其显，等.现代温室监控系统的主要架构方案及发展［J］.安徽农业科学，2010，38（3）：1440－1441，1459.

［4］ 杜晓明，陈 岩.无线传感器网络在温室农业监测中的应用［J］.农机化研究，2009（6）：141－144.

［5］ 高 峰，卢尚琼，徐青香，等.无线传感器网络在设施农业中的应用进展［J］.浙江林学院学报，2010，27（5）：762－769.

［6］ 岳 青，张海辉，卢博友.基于 WSN的温室环境监测节点设计［J］.安徽农业科学，2010，38（30）：17219－17221，17254.

［7］ 陈 莉，陶正苏.环境监测无线传感网络节点的设计［J］.仪表技术与传感器，2008（10）：7－8，30.