基于物室大棚环境监测系统设计*

严鹤轩，袁 卫

(渭南师范学院 物理与电气工程学院，陕西 渭南 714000)

根据我国国情，大部分地区存在着多山少地、土壤不适合种植、气候的无常、由于收入和付出劳动代价的不匹配导致从事农业生产的人减少等各种问题。但在当今社会，社会经济的快速发展促进了社会生产力的提高，对农业的生产方式产生了重大的影响。然而现代农业在快速发展的过程中面临着各种问题，为了能够有效解决这些问题，可以将物联网和智慧农业进行充分的结合。在种植区安装各种无线传感节点，通过ZigBee无线网络将各个传感器节点所采集到的数据发送至无线汇聚节点，进而实现对整个农业生产环境的实时有效监测，并且还可以根据采集到的各类数据，经过一些简单的云计算处理和分析之后，就能够反映在种植过程中出现的一些问题[1-4]。

1 系统功能及框架设计

智能温室大棚技术的应用，在满足用户需求的同时满足用户去自行选择所需的设备，将大棚各类设备连接到用户设备，在接入互联网中后，大棚内的各类传感器数据就会变得智能化。设计框架如图1所示。

图1 系统框图设计

由图1可知，农业物联网分为三层，最底层为数据采集终端，中间是传输模块，上层是云平台管理。即可理解为感知层、传输层、应用层[4-8]。

由采集端去采集一系列的数据，这些传感器信息通过ZigBee以无线的方式传输到物联网网关中，就像人类的眼睛、耳朵、鼻子、手和脚一样感知着周围的环境，网关收到ZigBee节点发来的数据，通过无线的方式，比如WIFI，传输到服务器中，网关就像家中的路由器，连接外网与内网。上层是云平台管理，首先需要一个服务器，与网关中间建立一个通讯连接，收集传感器的数据，下发一些执行命令。同时会有传感器数据库，通过这些数据做一些软件，用户可以通过手机、浏览器实时查看数据，并通过软件下发一些运行参数，使植物在一个良好的生长环境中生长[9-11]。

2 系统硬件设计

2.1 STM32网关设计

处理器选用STM32F103RCT6它具备256K的Flash及48K的SRAM，具备1路USB转UART接口，可以接收4路无线传输模块(WIFI，IPV6，蓝牙4.0，ZigBee)，使用ZigBee和WIFI模块。STM32系列相对于其他单片机来说，性价比高，功能强大，完全满足设计需求，芯片的技术成熟广泛，具有很多开发套件，对于后续升级开发有着很大作用[12-14]。

2.2 传感器模块设计

温湿度模块采用DHT11空气温湿度传感器，在进行操作时将CC2530芯片的P0_6引脚和温湿度传感器的D2引脚相连，通过无线通信方式，把采集的数据传输给上位机，并对协议分析显示相应的数值。

风扇传感器本质上是一个直流电机所以只需要把风扇的控制引脚D1与CC2530的P1_2引脚相连，只要给P1_2引脚低电平风扇就会转起来。

2.3 WIFI模块设计

WIFI芯片采用的是ESP高性能无线SOC芯片，支持了M0系列的单片机，这是一款国产芯片，成本低，由于满足很多智能硬件应用，所以被普遍采用。TI有一款芯片CC3200，成本较高，可以用来作路由器。WIFI的工作模式由拨码开关控制。有以下几种模式：1) WIFI模块烧写固件。2) 跳过M0，通过串口直接与外部链接。3) WIFI模块的串口与M0相连。在本设计中需要跳过M0进行开发，使用时注意拨码开关的位置。

3 系统软件设计

3.1 传感器节点设计

ZigBee温湿度节点定时5s采集温湿度数据，定时5s发送数据到ZigBee协调器。

ZigBee风扇节点定时5s采集风扇运行状态，定时5s发送数据到ZigBee协调器，实时接收ZigBee协调器发送的指令，风扇响应命令执行动作。

3.2 STM32网关数据传输

温湿度数据和风扇的运行状态通过ZigBee网络发送到协调器，通过串口发送数据，数据内容是类Modbus协议，STM32进行接收，接收到数据后进行解析，得到所要的温湿度数据，通过组包发送到机智云平台，实现数据上行，即手机APP查看温湿度数据。数据流程如图2所示。

图2 数据上行流程图

接收机智云发送的命令数据，APP发送开启风扇，传到机智云平台，平台通过WIFI发送到STM32，进行事件处理，之后进行组包，形成Modbus协议，发送到ZigBee串口，串口通过网络发送到风扇节点，这样实现数据下行，即手机APP控制风扇传感器。数据流程如图3所示。

图3 数据下行流程图

3.3 通讯协议解析

采用消息队列的方式进行串口通讯数据的接收，在消息队列中，消息为先入先出，判断包头0×21出现，循环地读取消息队列中的数据，直到出现CRC8校验码，如果是一帧正确的数据，就要去判断传感器的类型，再根据传感器的类型，读取对应数据域的数据，将数据放到数据节点上，机智云的数据上报任务会去检测数据是否变化，如果变化，就会去触发数据上报，这样就完成了数据解析和数据上报任务。数据解析流程如图4所示。

图4 通讯协议的解析

3.4 系统实现

在手机APP界面上可以看到温度和湿度的数据，风扇的控制按钮和状态按钮。打开风扇的控制按钮，在大约5s左右，风扇的状态发生改变。如图5所示。

图5 手机APP上实现风扇状态的采集

4 结束语

本设计所研究的对象是独立的温室大棚，现在上层的STM32和机智云的数据传输上已经完成，在底层的数据采集中逐步完成。在现代农业中，农产品的种植面积是很广泛的，基本上占地面积很大。因此，在传感器的选取、传感网络的组建、路由器的选择、现场与中心机房的通信、设备的选择等都会更加的复杂。在温室大棚中，有些无线通信电子设备本身的性能与温度有着必要的联系，会导致在夏季处于一个高温的状态，对性能产生一定的影响，以及会损坏设备。这就要进一步加强对设备的改进，做一些散热装置。现如今5G、VR开始普及，本设计还可在今后建立于5G与VR上实施升级改进。