基于物联网技术的智慧草莓园监控系统

孙天生 朱薪豪 程磊 侯艳艳 张宇

【摘要】农业大棚的智能化管理在现代农业系统中具有重要意义，本论文设计了基于物联网技术的智慧草莓园监控系统，智慧草莓园监控系统采用当前热门的物联网技术、嵌入式技术和无线传感器网络技术相结合的方法，将温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、土壤湿度传感器、热释红外感应传感器集成在无线通信模块上，最终实现了对草莓园生产过程中各项环境参数的精准测量，实现草莓园环境的自动保温、保湿、土壤湿度、历史数据的记录和安防监测等功能。

【关键词】 智慧草莓园 ZigBee 嵌入式网关 QT

一、系统总体设计

近年来，各种农产品大棚种植形式在农产品种植产业中发展迅猛，为农产品种植户带来了可观的经济效益，但是大棚本身有着较繁琐的构建工序，而且成本较高。而将智能化控制系统应用到大棚生产以后，产量与质量比人工控制的大棚都会有极大的提高，可极大的降低劳动力成本。

智慧草莓园系统分为无线传感网络、网关和主控中心三个部分。嵌入式网关采用基于ARM A8处理器的开发板实现，是整个系统的主控中心。网关通过标准串口与ZigBee协调器连接，收集无线传感器网络上传的数据，进行分析，通过SOCKET通讯传给UI界面进行查看控制；另一方面通过网线与无线路由器连接，架起了无线传感器网络与局域网之间的数据通讯渠道，将物联网连入了互联网，通过无线路由器，可以设置系统的温度和湿度参数，进而远程控制执行器件来调节温室内部环境，实现了人与物之间的信息交互。

二、系统硬件设计

2.1 嵌入式网关模块

嵌入式网关采用基于ARM A8处理器的开发板实现，是整个系统的主控中心，

由ARM嵌入式系统及其外扩器件（无线网卡、无线路由器、GPRS模块、摄像头）组成。

2.2无线传感网络模块设计

智慧草莓园的无线传感网络硬件采用模块化的思路完成设计，主要包括传感器模块、控制器模块和ZigBee无线通信模块三部分。传感器模块和控制器模块是搭载在ZigBee无线通信模块之上。

这样的结构化设计方便用户更换器件，最大限度的满足实际设计的需求。其中ZigBee无线通信模块和传感器模块组合为数据采集节点，ZigBee无线通信模块和控制模块组合为控制节点。

2.2.1 ZigBee无线通信模块

ZigBee无线通信模块是由核心板和外接主板组成。

ZigBee无线通信核心板的主控芯片采用TI公司生产的ZigBee无线通信芯片CC2530，负责驱动传感器以及数据的接收和发送。CC2530是一个真正用于IEEE802.15.4的ZigBee和RF4CE应用的片上系统（SOC）解决方案，其能以较低的成本建立强大的网络节点。CC2530集成了业界领先的RF收发器、增强工业标准的8051MCU，在系统可编程Flash存储器，8kB的RAM和其他功能，且适合需要超低功耗的系统。协调器节点负责网络的组建，完成各个终端节点的数据汇总打包，并将打包后的数据信息通过串口传送给嵌入式网关。

2.2.2传感器模块

传感器模块由不同的传感器实现，包括温湿度传感器、光照度传感器、土壤湿度传感器和热释红外传感器。

（1）温湿度传感器

温湿度数据采集节点采用SHT10采集农业大棚中的温度和湿度，工作电压2.4-2.5V，测湿精度为+-4.5%RH，足以满足大棚要求。SHT10采用SMD贴片封装，用两条串行线与处理器进行数据通信。数据采集完后ZigBee无线通信芯片将数据传输到协调器，完成了一次数据采集。

（2）光照度传感器

光照度传感器实现光照数据采集功能，它采用光敏电阻采集环境的光照度信息，当光照度发生变化时，光敏电阻的阻值会减小。数据采集后转化为电压值送给CC2530单片机，并通过CC2530单片机的射频通信模块将数据经路由器传输到协调器，完成一次数据采集，相关电路如图3-2所示，光照传感器电路输出的为电压模拟信号，需要用CC2530内部的A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，光照度传感器与CC2530的P0_0相连，P0_0端口设置为ADC输入工作模式。

2.3控制器模块

控制模块主要实现设备的开关控制，主要由继电器及控制电路组成。采用USB接口与外围设备连接。控制节点负责执行上协调器发送的开关设备的命令。

控制节点配备继电器模组，通过继电器来驱动风扇，调节室内的通风。光照度采集节点将光照信息采集送给协调器节点，协调器向网关发送实时光照度数据，通过继电器控制设备的开关。

三、系统软件设计

系统软件设计是实现系统功能的重要组成部分。本系统分无无线传感器模块ZigBee协议栈软件设计部分和嵌入式网关软件设计部分。ZigBee协议栈主要负责信息和的采集并且与嵌入式网关通信，嵌入式网关界面的设计主要是与无线传感网络模块通信同时进行服务器相关处理。

3.1嵌入式网关软件平台搭建

嵌入式网关运行Linux操作系统，网关软件主要包括主控程序包括嵌入式网关的界面设计，ZigBee协调器的通信及控制功能，网关接入Internet功能。Qt主控程序封装了所有有关ZigBee的操作，实时接收传感器数据，保存最近的传感器数据，保存系统设置，完成自动控制，实现UDP服务器用于和其它进程通信。本系统采用Qt软件开发人机交互界面，采用串口通信方式实现网关与协调器之间的数据通信，采用UDP协议实现网关接入Internet功能，通过UDP方式与网页CGI程序通信，使CGI程序可以控制ZigBee网络。

3.2嵌入式网关的界面实现

Qt是Nokia开发的跨平台的C++图形用户界面应用程序框架，支持面对对象及跨平台软件开发，通过交叉编译很容易实现系统功能扩展与代码一直，并且允许真正地组件编程，从而利用各个平台优势实现了新环境下原有软件的研发。

嵌入式网关的主界面采用QT语言编写，整个嵌入式网关系统主要分为：实时数据、历史数据、控制、设置四部分功能。其中，实时数据用于采集草莓园内个传感器的实时数据，可以观察到草莓园内的实时的数据信息，历史数据可以对草莓园内的历史数据进行记录，研究人员可以方便的研究各种数据信息对农作物生长的影响，可以采取手动和自动的模式来管理草莓园内的控制设备，设置主要用于设置大棚内的个环境因素的阈值，通过阈值的设置，可以更加方便自动控制系统模式的管理，而且特别配备的安防系统也可以真正的实现无人值守的功。

3.3 网络远程控制程序设计

网络远程控制主要包含HTML显示页面、AJAX请求脚本、PHP编写的CGI接口，主要完成通过UDP向Qt主程序发送请求并获得数据。

四、结束语

本系统的创意在于将日渐成熟的物联网技术与农业大棚系统结合起来。通过无线采集技术及无线控制技术组建了一个可以远程管理的农业大棚。采集的数据可以通过网络传输到主控中心进行数据关联、数据分析，实现智慧草莓园监控系统从数据采集、远程监控、数据分析汇总的一体化解决方案。良好的人机交互界面是嵌入式产品开发的关键，因此开发具有界面美观、功能丰富、交互性好的绘图软件，便成为了本文的主要研究目标。

参 考 文 献

[1] 王汝传、孙力娟、郭剑等. 无线传感器网络技术及其应用. 人民邮电出版社，2011

[2] 赵方，吴必瑞，卢青波. 基于MSP430的温室大棚温度远程监控系统[J]. 农机化研究，2012（5）：182-187.

[3] 黄友锐，孙力. 单片机原理及应用[M]. 合肥：合肥工业大学出版社，2006.