基于WiFi大棚种植环境无线监控系统设计

段 顼，黄同成，张思阳

(邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳，422000)

准确实时的采集大棚内的环境因子，对植物的生长和产量的提高具有重大作用。目前国内大棚环境参数的采集，应用数据采集仪，人工进行测量和分析。它虽然能够立即得到试验数据和分析结果，或者将大量数据带回实验室，输入到个人PC中进行比较全面的分析。但是，对于需要长时间定时采集的数据，例如光照强度、温度、二氧化碳、湿度等环境因子的变化情况，则需要反复到大棚测量。这样不但费时费力，而且测量成本高，除此之外采用传统有线方式设备布线困难、线路易老化、不容易扩展，对于采集点的安放灵活性产生了极大地限制[1]。

近年来，随着计算机和网络技术的快速发展，以及人们对简洁、高效、快速生活方式的追求，WiFi技术一步步成熟，也渐渐地成为了人们日常生活中很重要的一部分。WiFi全称Wireless Fidelity，同时也称IEE—E802.11b协议，该系统利用其合适无线接入和高速传输数据业务，传输速率可以达到11Mbps(802.11b)或者54Mbps(802.11a)等优点来实现数据的高效、快速传输[2]。此外，由于WiFi主要工作在2.4GHz的自由频段，在频段资源上不存在限制，使得我们在使用该技术的时候成本比较低。WiFi网络组建网络比较便捷，它主要由接入点AP(Access Point)和无线网卡等两部分组成，由于每个AP可以支持上百个节点的接入，使得用户可以根据自身的需求增加AP的数量。WiFi的覆盖半径在150m左右，利用通过中继甚至能够实现几千米的通信距离，同时冲突避免、确认和错误重发机制的利用保证了信息传输的可靠性[3]。同时，无线局域网的搭建，突破了有线局域网的局限性，为信息能够随时随地进行交流提供了可能。WiFi具有无线、高速的主要技术的特点，并且布网简单、建设成本低等优点让大棚种植无线监控更加智能和实用。

对于大棚种植，通过环境因子采集技术和WiFi技术的结合使用，用高效、自动化的无线监控技术取代繁琐的人工或者有线测量技术，这样对于监控物理结构的简化以及成本的节约具有极大的作用。

1 系统总体设计

大棚种植远程监控系统以大棚内空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳、光照为监控对象，对数据的产生、传输以及处理的过程分析，系统主要由传感节点、通信网络和监控中心等三部分组成，如图1所示。

图1 系统总体机构图Fig.1 System architecture diagram

本系统通过利用空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳传感器以及光照强度传感器分别实现对大棚内空气中温湿度、土壤中温湿度、二氧化碳、光照强度实时数据的采集，然后通过无线WiFi将采集到的数据及时的传送至服务器并存储，服务器对当前所采集的数据进行详细分析和处理，并将处理结果及时准确的传送至监控中心，也就是客户端，客户端根据用户的需求做出相应响应。

通信网络:在本系统中主要利用通信网络作为传感节点与远程监控中心之间进行通信的通道，实现控制中心命令和监控对象信息能够实时双向传输，同时也要求通信网络能够传输及时准确而且抗干扰能力强[4]。

监控中心:由PC机、手机或其他移动设备、服务器、数据库服务器等几部分组成，主要通过Internet浏览器或者APP查看大棚种植环境因子当前状态以及历史数据的查阅，如果采集器所采集的数据超出了用户所设定的正常范围，则报警器将会发出报警信号及时提醒工作人员及时处理当前状态。

2 系统硬件设计

本系统硬件图如图2所示，KL-M4514为模拟采集模块，由于它具有多通道，从而可以接入多个模拟量，进而分别可以控制各传感器，KL-M4514的关键器件都选用高精度的器件，极大的保障各个模块的良好线性及精度，同时在电源、通讯和输入端都做了很好的保护设施，保证了用户在使用时更加的安全和稳定[5]。因此，本系统采用KL-M4514来实现温度传感器、光照传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器以及土壤温湿度传感器信号的采集与上位机之间的通讯传输。

图2 系统硬件图Fig.2 System hardware diagram

利用ADAM-4150作为本系统的数字量采集模块，ADAM-4150为7通道输入及8通道输出、其特性为宽温运行、高抗噪性[6],通过它主要实现对继电器、人体红外感应与上位机之间的通讯传输以及自动进行A/D转换。

继电器常应用于自动控制电路中，它是一种用小电流去控制大电流的“自动开关”，其在电路中的作用主要是安全保护、自动调节、转换电路等。继电器1主要用于控制报警灯的开启，当某项指标超出用户设定值或者夜晚有人闯入时，将会启动报警模块，提醒用户及时处理当前状况。继电器2和继电器3分别用于黄灯和白灯的开启，鉴于光照强度极大地影响了植物的生长，可以通过控制灯的开启来实现植物在最佳的光照强度下进行生长，对于农作物产量的增加具有极大的作用。人体红外感应主要是检测大棚内是否有人，夜间用户可以通过开启人体红外感应器来防盗，极大地方便了用户。

二氧化碳传感器、温度传感器、湿度传感器、光照传感器分别用于采集大棚内的CO2、空气中的温度、湿度以及光照强度，土壤温度传感器和水分传感器主要用于采集土壤中的温湿度。

3 系统软件设计

大棚种植远程监控系统软件如图3所示，它主要由MySQL服务器、服务器和客户端(浏览器、APP)等几部分组成。鉴于MySQL是一个源码开放的小型关联式数据库管理系统，而且具有体积小、速度快以及总体成本低等优点[7]，本系统利用MySQL作为系统的数据库，主要用于管理、存储以及浏览采集器所采集的数据和相关历史数据的统计结果。

图3 系统软件结构Fig.3 System software architecture

通过无线WiFi的开启，在网页浏览器中输入资源的地址或者对APP中按键的使用，向服务器发起服务请求，服务器根据请求对MySQL服务器进行访问，以此来获得数据并实现事物逻辑的处理，服务器将处理后的结果以HTML文档转发给浏览器，或者给客户端应用程序提供访问商业逻辑的途径[8]。

客户端主要是实时数据和历史数据的查看和管理，实时数据:用于进入大棚种植环境无线监控系统时，主界面出现所呈现出来的数据;历史数据:根据用户所选择传感节点和查询条件，全面地显示监控对象的变化趋势和历史数据，以供用户参考和分析，实现大棚种植的科学化管理。

4 系统的测试

首先在PC机部署中心服务器系统环境，它主要包括:IIS的安装、SqlServer 2008R2的安装、dotNet framework4.5的安装、服务器的安装以及数据库的导入。

紧接着是对无线路由器的安装配置，以及对土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照强度传感器、人体红外感应器、继电器、灯泡等的连接和部署于大棚内的合适位置。待所有部署完成后，对该系统进行测试，如果测试没有问题即可对大棚种植环境进行无线监控。

图4显示出了客户端用户通过下载和安装该系统的APP，查看大棚内环境情况，该界面主要包括大棚环境因子实时数据的显示，自动控制、历史数据、设置、退出等主控界面的按键；通过点击设置按钮将弹出图5所示界面，该界面主要是对温度、湿度、光照强度、二氧化碳值的设定，用户可根据不同品种作物，不同季节设定最适合作物生长的环境因子的范围，通过设定温度、湿度、光照强度、二氧化碳值来动态的控制大棚种植各环境因子，如果某项指标超出了用户设定的范围，则报警器发出报警信号，同时通过继电器来开启调节大棚环境因子的设备(如白灯、黄灯)；通过点击历史数据按钮并选择想查看的日期，同时用户可以选择自身想查看的环境因子，图6为大棚内某天温度的变化曲线图，图7为大棚内某天二氧化碳的变化曲线图，这些数据对于用户研究植物最佳的生长环境以及产量的提高具有极大地参考价值。

图4 大棚环境实时数据Fig.4 Real-time data of greenhouse environment

图5 各个参数范围的设置Fig.5 Various parameters setting

图6 大棚空气温度24小时变化曲线Fig.6 24-hour curve of air temperature in greenhouse

图7 大棚二氧化碳24小时变化曲线Fig.7 24-hour curve of carbon dioxide in greenhouse

5 结语

基于WiFi大棚种植环境无线监控系统通过对大棚种植环境因子实时数据的采集和调整，让农作物始终保持在最佳的环境下生长，这对于农作物产量的提高具有极大地的作用。除此之外，通过无线监控较好地解决了大棚种植布线难、环境因子自动控制程度低、节点布置灵活性低、成本高等问题。