基于农业物联网技术的智能温室系统实现*

任 玲 ， 夏 俊 ， 翟旭军 ， 刘政委 ， 戚玉强

（江苏农牧科技职业学院农业工程学院，江苏 泰州 225300）

0 引言

中国是一个人口大国和农业大国，随着生活水平的提高，人们对农产品质量和数量需求也越来越大，此时，传统农业生产模式难以满足不断增长的需求，温室大棚系统应运而生。传统温室大棚内环境调控系统多采用人工实地检测环境参数和启动控制设备调控环境，这存在局限性，消耗人力和物力。此外，受主观因素限制，测量结果难免存在误差。新兴的物联网技术为温室大棚内环境调控提供了一个崭新的思路[1]，将物联网技术应用到温室大棚内，能够进行彼此间信息交互、共享，会使农业生产生活发生革命性转变，对于提高农作物质量和产量[2-3]、增加农业经济效益具有非常重要的意义。

1 农业物联网智能温室系统总体架构设计

基于农业物联网技术的智能温室系统整体结构分为感知控制层、网络传输层和终端应用层[4]，如图1所示。感知控制层是农业物联网体系的基础，主要功能是收集各个节点信息，然后将信息通过网络汇集到数据中心，这里采用Zigbee无线网络进行统一分析处理。为了提升数据传输的高效性，在数据传输过程中往往需要用到数据融合技术，对温室现场执行器进行控制。网络传输层利用一个良好稳定的网络传输系统实现数据传输和同步，以及控制命令的下达，本层可以采用多种方式接入互联网，当前无线传输技术发展突飞猛进，可使用Bluetooth、RFID、WIFI、Zigbee等，本系统采用WIFI进行信号传输。通过终端应用层用户可对温室环境进行监测和对温室设备进行远程控制。

图1 智能温室农业物联网架构方案

2 感知控制层硬件设计

感知控制层帮助用户在传感网络覆盖区协作地感知、采集、处理和传输植物养护环境和可控设备状态信息，由数据采集节点模块、终端执行器模块、Zigbee网关和电源模块组成。

2.1 Zigbee网关设计

Zigbee的功能框图如图2所示，包括微控制器（MCU）、电源管理模块、设备状态控制模块和通信接口模块。微控制器选用资源丰富的AVR单片机ATMEGA328P芯片构成的Arduino UNO R3控制板，使用它的UART连接ESP8266 WIFI模块，完成与数据采集节点模块、上层系统的通信，执行器控制采用继电器组实现。为保证执行器控制准确，控制板将当前设备状态与预设控制状态进行比对来控制现场设备，若有故障发生会及时报警。

2.2 数据采集节点设计

数据采集模块连接数据信息和Zigbee网关，把设施大棚内的环境监控信息实时传输给Zigbee网关，Zigbee技术是一种功耗低、数据速率低、成本低、可靠性高、组网方式灵活、高安全性的双向无线通信技术[5-7]，其基础是IEEE 802.15.4国际标准协议。无线传感器采集大棚内的温湿度、光照度和土壤水分参数，每个传感器节点都使用了CC2530F256作为控制核心，所用传感器类型和性能参数如表1所示。数据采集节点由无线通信模块、传感器接口模块和电源模块组成，电源模块可以用蓄电池、市电、太阳能供电，大大提升了运作效率，数据采集节点结构如图3所示。

表1 传感器类型和性能参数

图3 数据采集节点结构

2.3 终端执行器节点设计

本系统农业设备指的是通风风机、补光灯、滴灌设备和喷灌设备，通过四路220 V的继电器控制设备启停，实现设施大棚智能管理。系统采用终端控制节点方式全天对大棚内的机电设备进行远程智能检测，确保大棚内土壤水分、环境温湿度、环境光照度等指标合理化。ULN2003多用于驱动继电器、步进电机等大功率、大电流器件，作为驱动器驱动四路继电器。终端执行器节点电路如图4所示。

图4 终端执行器硬件电路

3 网络传输和终端应用设计

系统传输信息的网络层由Zigbee网关和5G移动网络组成，Zigbee移动网络通信模块负责接收感知层发送的数据，并将其通过5G网络转发到终端应用平台；终端应用平台选用的是TLINK物联网云服务平台，负责监测数据状态并发送指令到控制中心Arduino UNO R3。应用终端和ESP8266网络通信模块连接到同一个WIFI下，应用终端通过网络的调试助手发送和接收数据。ESP8266 WIFI模块的TX和RX引脚与Arduino的PD2和PD3引脚相连。终端应用层采用TLINK物联网平台实现远程监控，农业管理者和研究人员可以在任何时间、任何地点查看所采集的农情信息。

4 系统数据融合处理

4.1 数据融合的定义

监测系统的数据融合技术是指多传感器按时序检测到海量信息，按照一定的规则或协议采用计算机算法技术进行分析、综合，消除多信息之间可能存在的冗余和矛盾[8-9]，以完成所需的决策和评估任务而进行的信息处理技术。农业环境监测系统的数据融合是指各类传感设备采集的环境数据在一定时间内变化不大、非常稳定，若采用均匀间隔周期进行数据采集传输，就会造成采集到的数据存在冗余现象[10-11]，并且数据传输过程存在能量消耗大的问题。为了降低传感器网络传输能量消耗，使传感器节点获得更加准确的数据，提出无迹卡尔曼滤波（UKF）融合算法，节点感知数据仍是等间隔采集存储，但是经过算法分析剔除后发送的数据包是非等间隔发送。

4.2 UKF融合算法

UKF算法是基于无迹卡尔曼滤波的数据融合算法，该算法将感知节点按均匀时序采集到的原始数据缓存，然后对采集的n个数据进行整体分析，用这些样本数据点表示高斯密度近似状态的概率密度，用一系列确定的数据逼近状态的后验概率密度，分析判断过程中是否有冗余数据，保留满足要求的有效数据。算法实现过程如下。

对于不同时刻k，由具有高斯白噪声wk的随机变量x和具有高斯白噪声vk的观测变量y构成的非线性状态方程和测量方程如下：

式中，f是非线性状态方程函数，g是非线性测量方程函数，设wk、vk具有协方差阵。

随机变量x在不同时刻k的UKF算法基本步骤如下。

步骤1：初始化，计算均值 和方差P。

步骤2：1）计算2n+1个sigma点，这里的n指的是状态的维数。

2）计算这些采样点相应的权值。

式中，下标m为均值，c为协方差，上标为第几个采样点；α为比例因子，一般取0~1；β是用来融入随机变量x的验前信息，是一个非负的权系数；参数γ=α2(n+ρ)－n是一个缩放比例参数；ρ一般为3－n或0。

步骤3：将sigma点集向后传递，进行加权处理得到状态变量和协方差的先验估计值。

根据先验估计值，使用无迹变换得到新的sigma点集。

对新的sigma点集向后传递，通过加权求和得到系统预测的均值及协方差。

步骤4：计算系统的状态和协方差更新。

基于无迹UKF的算法流程如图5所示。

图5 UKF算法流程图

5 软件设计

智能温室系统的软件设计由感知控制节点、服务器和客户端软件设计三部分组成。客户端程序负责显示植物养护环境参数、历史数据记录及养护设施管理；网络通信端程序负责对感知层采集的数据进行传输并控制设备状态信息的传输；感知控制节点负责采集传输植物养护环境参数和田间设备状态信息，控制养护设备的启停。

5.1 感知控制层软件设计

感知控制节点上电后[12]首先进行系统初始化，然后周期性地采集植物养护环境信息并存储，同时周期性地轮询是否有控制执行器的指令信息。若有则发送控制指令给继电器，否则继续侦听信道。设计流程如图6所示。

图6 感知节点程序功能流程图

5.1.1 数据采集模块程序设计

Arduino编程语言是由C语言改进的，在Arduino IDE中导入各传感器模块所需的库文件后即可对整个传感器系统进行编程。环境温湿度、光照度和土壤水分传感器采集到的信息通过Zigbee模块传输至Arduino控制模块。感知模块硬件部分由多个传感器构成，因此在编写感知节点Arduino代码时需要充分考虑各传感器之间的关系，包括传感器采集数据的顺序与传感器之间的协同性，具体流程如图7所示。

图7 数据采集模块程序流程图

5.1.2 控制模块程序设计

控制程序在本系统主要指继电器控制滴灌、喷灌、补光和通风，用户通过点击客户端对应按钮发送控制指令，指令经过层层下发，下达到终端节点控制继电器启停，控制继电器打开流程图如图8所示。

图8 控制模块流程图

5.2 网络通信程序设计

网络通信选用WIFI ESP8266 模块进行无线通信，WIFI模块和手机端使用的是TCP通信协议，Socket通信方式。将传感器节点收集的感知数据通过ESP8266发送给服务器，实现无线传感网络与Internet网络的连接；同时，应用程序通过使用Socket方式向网络发出指令，AT指令使用流程图如图9所示。

图9 AT指令使用流程图

5.3 APP程序设计

使用TLINK物联网平台自动生成服务，创建一个Android应用，包括创建产品、定义数据点，完成操作后可生成代码包。APP开发整个工作流程如图10所示。

图10 APP工作流程图

6 系统性能测试

本测试采用手机作为终端，首先要进行设备联网设置，保证手机和硬件设备在同一个WIFI服务器，设置完成后设备自动重启，1 min便可发送数据和远程控制。进入手机TLINK物联网平台，输入设备名和密码绑定认证，然后进入监控界面如图11所示。

图11 手机端监控界面

该系统在现场进行多次运行测试，期间运行稳定，Zigbee无线网络传感器稳定可靠，环境温湿度、光照度和土壤水分数据采集响应迅速，数据准确，数据上传同步延迟在1 s以内，控制指令下达后，能精准控制滴灌、喷灌、补光和通风设备，控制设备响应迅速正常。云端Web服务器运行稳定，数据中心工作正常，查看土壤水分、环境温湿度和光照度历史曲线，未发生数据查询缓慢或异常现象。

手机端监控的环境光照度历史数据如图12所示，网络控制定时开关功能界面如图13所示。

图12 环境光照度历史曲线

7 总结

基于农业物联网技术的智能温室采用了TLINK物联网平台，借助云服务器进行智能手机和硬件设备的通信，实现了土壤水分、环境温湿度和光照度数据的查看，手动或自动控制滴灌、喷灌、补光和通风风机等农业设备调节种植环境参数；系统还具有网络定时、告警推送功能，根据实际种植需要，可以增加硬件、修改程序数据并在TLINK物联网平台新增设备。对系统进行了实验测试，结果表明：设计成本低，便于大规模生产和推广，养护装置智能化程度高，这将为植物智能养护提供性价比较高的养护装置，具有广阔的推广前景。

图13 网络控制定时功能界面