基于WiFi的立体无土化栽培智能控制系统的研究

虞斌斌 杨亚伟 宿州学院信息工程学院

关键字：WiFi传感器 立体无土化 远程控制

1 项目研究的背景

随着物联网技术的快速进步、WiFi技术的成熟和新型农业无土化栽培技术的发展，越来越多的新平台为智能化远程控制提供了新方向。设计在物联网环境下的信管服务模式，可降低用户对信息获取的成本与服务阶槛，实现各行业高效性与智慧性管理。未来将会有更多的行业使用人工智能调用机器和传感器检测到的数据实现远程控制。电子信息技术的提高，计算机、手机、平板电脑等电子设备成为大众化的互联网终端，更何况我国是农业大国，怎么提高农业产量是如今一直研究的方向。本项目就基于WiFi的立体无土化栽培智能控制系统展开了深度研究。

2 系统结构的设计

无线传感器网络是通过大量的无线传感器节点构成的数据传递网络，本系统大体是由WiFi传感器节点模块、用于接收数据的计算机、电子终端设备组成，通过大面积地部署WiFi传感器节点经无线网络与各传感器节点接通，通过WiFi网络将检测到的数据实时传输到用户并下指令到处理机。远程控制总体设计图如下：

图1 系统总体设计图

2.1 硬件设计

2.1.1 WiFi传感器节点

WiFi传感器节点是一种无线微型嵌入式设备，低功耗、高性能，内置传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块（如图2）。WiFi模式更适合本项目，传输距离和传输速率相比其他网络具有特别大的优势。WiFi传感器节点通过监测到的数据经过A/D转换由其它节点进行传输，最后路由汇聚到达中控室管理节点，用户通过管理节点对控制处理节点进行操作。

图2 WiFi无线传感器节点构成图

2.1.2 STM32 嵌入式系统

STM32单片机实质上是一个小芯片，同时也是一个微控制器，比传统的51单片机有更多的功能、性能和接口，STM32单片机包含ARM32位CPU、存储器、时钟电路、A/D转换元件，可集成的外设很多，并且有很强的实时性能。

2.1.3 GS1010 芯片无线通信模块

GS1010芯片是一种高集成，低功耗的WiFi无线微型系统，标准802.11协议线，传输速率高，通过SPI口连接主控制器和网络。在Arduino开发环境下，连接无线传感器到Arduino主板上，编写可控代码，实现通信。

2.1.4 电磁阀和继电器

电磁阀内含电磁线圈及磁芯，线圈被通电，磁芯运行。当温湿度升高时，监测节点检测到数据传给管理节点，和人为设定的数据值匹配，当匹配不成功时，管理节点通过WiFi控制节点对电磁阀作出指令，给其通电，使其工作，控制喷头喷洒，降低大棚内温湿度。同理，继电器也是一种控制通断的开关，当光源过暗时，通过上述步骤，控制补光灯自行补光。

2.2 软件设计

本设计将采用WiFi模块配置为UDP客户端方式来实现数据的传输，UDP方式相对于TCP方式传输快、更安全、程序结构更简单。基本步骤：

1.初始化读取用户指令参数IP，判断IP地址是否合格；2.建立UDP socket；3.建立和服务程序的连接。与TCP协议不同，UDP少了三次握手功能。UDP连接，可直接返回错误信息到程序，避免因没有收到数据而一直等待状态；4.向服务程序发送读取到的用户输入数据；5.接收服务程序返回的数据；6.处理接收数据，输出到标准输出上。代码设计过程如下图：

图3 代码框图

在手机、平板等操作系统终端设备中，开发一款适用于项目的APP通过建立协议与PC机匹配数据，用户可以随时随地通过终端查看蔬果棚环境信息，并设定消息推送功能，当某环境值与设定值不匹配时，向用户预警，用户即可进行便携式可视化智能远控。

2.3 系统测试

通过放入一些冰块使蔬果棚内温度适当降低，温度传感器将检测到温度数据传送给A/D转换器转换成数字信号，通过WiFi网络节点传送到中控室管理节点匹配数据，匹配不成功，控制节点进行处理提高光照强度，温度得到回升。与此同时，也可以通过手机等设备事先观察棚内状况进行人性化处理。

3 WiFi智能远程控制系统的优势

1.对无土栽培蔬果的各类实时数据信息进行采集、监测和控制；2.通过WiFi协议进行无土化栽培室、中控室和手机终端两两互联；3.对所有的设备单元器件进行智能远控；4.通过太阳能供电，节省能源；5.通过APP的开发，实现WiFi连接手机终端的立体无土化栽培智能控制应用。

4 结论

尽管蓝牙、Zigbee等无线网络技术应用广泛，但是存在传输数据信息距离短，速率低，少量地方安装网络困难的缺点。然而 WiFi技术在众多短距离的无线组网技术对比下脱颖而出，WiFi网络传输速率快，无需布线，装网方便，适用于封闭的环境。该研究设计具备很好的扩展性，如测量了已知测量的因素外的蔬果类生长的因素，还能附加摄像头，实现对图象、视频信号的实时监测和上传。