基于物联网技术的温室大棚种植园环境监测系统

潘小红 杨志勇

摘  要： 针对现有温室大棚种植园环境监测的缺陷和不足，采用物联网技术，设计对温室大棚远程监控的系统。文中提出了模糊功率控制算法，以接收信号强度和丢包率变化作为模糊控制器的输入，实现对传感器节点的发射功率自动调整。以低功耗CC2530为处理器，通过传感器节点模块采集数据后传输到汇聚节点模块，再由汇聚节点模块传输数据到网关节点模块，最后通过GPRS模块将数据上传到服务器。实验结果表明，所提系统运行稳定，采集的数据准确，可以实现对温室大棚种植园的环境监测。

关键词： 环境监测; 物联网技术; 数据采集; 数据上传; 温室大棚; 传感器技术

中图分类号： TN926?34; TP212                 文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2019）14?0127?04

Greenhouse plantation environment monitoring system based on

Internet of Things technology

PAN Xiaohong1， YANG Zhiyong2

（1. Yangtze University College of Arts and Science， Jingzhou 434000， China; 2. Nanchang Hangkong University， Nanchang 330000， China）

Abstract： In view of the defects and insufficiency of the existing greenhouse plantation environmental monitoring， a remote monitoring system for greenhouses is designed by means of the Internet of Things （IoT） technology. A fuzzy power control algorithm is proposed for this system， which takes the received signal strength and packet loss rate as the input of the fuzzy controller to realize the automatic adjustment of the transmit power of the sensor node. Besides， low power consumption CC2530 is used as processor. The sensor node module is adopted to collect data， and then send the data to the sink node module， by which the data is transmitted to the gateway node module. Finally， the data is uploaded to the server through the GPRS module， so as to realize the monitoring of the PC upper computer. The experimental results show that the system operates stably and the collected data is accurate. It can realize the environmental monitoring of the greenhouse plantation.

Keywords： environmental monitoring; IoT technology; data acquisition; data uploading; greenhouse; sensor technology

0  引  言

我國是农业大国，农业的发展与否直接关系着社会的稳定与发展。2018年中央一号文件《关于实施乡村振兴战略的意见》也提到了要提高农业质量效益和竞争力。土壤的湿度与光照强度、空气温湿度等因素有关[1?3]。健康的土壤是生产安全农产品的基本条件，如何提高农产品的生产经济效益也是农民需要考虑的问题。农民通过老式的温室大棚对农产品进行种植，往往借鉴于多年积累下来的经验，农民对于一些农产品甚至还需要24 h守护大棚，致使经济效益低，且管理上不方便。近些年，随着无线通信技术的发展，可以实现对农产品的远程监测[4?5]。将物联网技术应用于对温室大棚种植园环境参数的监测，能够实时采集到空气的温湿度、土壤湿度、光照强度和二氧化碳浓度。农民通过PC机和手机可以远程监测到大棚的状况，并能够对大棚环境进行控制，从而大大提高效率且带来产量的大幅度增加。

本文提出了基于物联网技术的温室大棚种植园环境监测系统。通过应用物联网技术在温室大棚草莓园部署传感器节点，各传感器模块负责采集数据，如空气的温湿度、土壤湿度、光照强度和二氧化碳浓度，射频模块将传感器采集到的数据传输到汇聚节点。然后汇聚节点将数据传输到监测主机，主机监控系统处理相关数据，将处理的结果通过GSM或GPRS方式向大棚管理人员发送。实现了对温室草莓种植园中各种环境状态的远程监测和控制。

1  节点功率控制算法

在温室大棚草莓种植园环境中，通过部署传感器节点可以实现对环境数据的采集。研究表明，无线传感器节点的功耗主要在射频模块[6]，节点发送的功率是否合适也直接影响无线传感器网络的通信质量和生存时间。由于温室大棚草莓种植园的株高和密度对无线信号传播有较大影响，从而引起通信质量和接收信号强度都下降[7]。为降低传感器节点功耗，设计了节点功率控制算法。根据文献[8]得，无线通信中通信距离、接收功率和发射功率的关系为：

[PR=PTrn]  （1）

式中：[PR]表示无线信号的接收功率，单位为[mW];[PT]表示无线信号的发射功率，单位为[mW];[r]表示发送节点和接收节点之间的距离，单位为[m];[n]表示环境传播因子。对式（1）两边取对数乘以10，单位换算为[dBm]，可得到：

[PT-PR=10nlg r]   （2）

考虑到温室大棚草莓园环境监测系统中传感器采集节点与汇聚节点之间的数据传输，设传感器采集节点发射功率为[PscnT]，单位为[mW]，汇聚节点接收信号强度为[RSSIsn]，单位为[mW]，汇聚节点发射功率为[PsnT]，单位为[mW]，传感器采集节点接收信号强度为[RSSIscn]，单位为[mW]。由式（2）可得到式（3）：

[PscnT-RSSIsn=PsnT-RSSIscn]  （3）

由式（3）可知，当汇聚节点发射功率为[PsnT]不变时，传感器采集节点的发射功率[PscnT]跟汇聚节点接收信号强度为[RSSIsn]有关。在温室大棚草莓园存在遮挡情况下，为了保证无线通信质量，实际丢包率[PLR]应不能低于丢包率参考值[PLR0]，提出了自适应模糊控制法对传感器采集节点发射功率进行控制，并将节点的发射功率调整到最佳值。设汇聚节点实际接收信号强度为[RSSI]，理想低功耗接收信号强度参考值为[RSSI0]。模糊控制器的输入为丢包率的[ePLR]、接收信号强度的变化率[eRSSI]，输出为发射功率调整值[ΔP]。其中，[ePLR]为丢包率实测值与最低丢包率参考值之差;[eRSSI]为接收信号强度实测值相对理想低功耗接收信号强度参考值的变化率。模糊控制器如图1所示。

2  监测系统硬件设计

本系统由传感器节点模块、汇聚节点模块、网关节点模块、GPRS模块和上位机监控模块五部分组成。其中，传感器节点模块和汇聚节点模块在硬件上都采用低功耗且性价比高的CC2530芯片，但是在软件编程上有差异。由于全向天线相对比定向天线具有较强的辐射能力[9?10]，通过在传感器节点模块和网关节点模块上配备全向天线，汇聚节点模块上配备定向天线，该系统实现了混合天线方式组网。传感器节点模块上可以安装空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器和二氧化碳浓度传感器，并将采集到的数据沿其他传感器节点进行传输，经过单跳或多跳后，路由到汇聚节点。汇聚节点通过ZigBee协议将数据传输到网关节点，网关节点再通过GPRS模块将数据传输到服务器，实现了PC上位机监控，通过Android编程后还可以实现手机监控。硬件系统总体结构图如图2所示。

2.1  传感器节点模块

传感器节点模块是用来采集温室大棚草莓种植园的环境参数，其由传感器模块、信号调理电路模块、处理器模块、射频模块、电源模块和RSSI检测模块组成。传感器模块选用数字式温湿度传感器DHT11、数字式土壤温湿度传感器FS200?SHT11、数字式光照强度传感器BH1750FVI和模拟式二氧化碳浓度传感器MG811。为了解决无线传感器网络能量受限问题，电源模块通过太阳能充电可提供永久的5 V和3.3 V电压，电路包括充电芯片、太阳能电池板、电压转化模块和锂电池。

2.2  汇聚节点模块

汇聚节点模块是用来对传感器节点采集的数据进行融合后再传输到网关节点。它由传感处理器模块、射频模块、电源模块、定向天线模块和RSSI检测模块组成。电源模块通过太阳能充电提供，可以延长汇聚节点模块的生存时间。

2.3  网关节点模块

网关节点模块是用来收集汇聚节点模块转发过来的数据，并将这些数据进行融合后再传输到上位机监测中心。网关节点模块由传感器模块、处理器模块、射频模块、电源模块、存储模块、GPRS模块和RSSI检测模块组成。电源模块也通过太阳能充电提供，可以延长网关节点模块的生存时间。

3  上位机监控模块

系统的上位机软件采用Visual Studio 2008为开发环境，通过ASP.Net技术和C#进行开发。上位机监控模块设计包括数据接收服务端设计和智能监控服务端设计。数据接收服务端负责接收无线传感器网络发送过来的各种大棚环境参数数据，并保存于数据库中，如图3所示。

智能监控服务端可实现的功能包括环境参数设置、草莓生长阶段管理、传感器类型参数设置、控制阀参数设置、大棚设备管理、系统报表、用户管理、数据维护和环境参数实时监控9个模块，如图4所示。其中，环境参数设置负责对系统进行监控的各种环境参数进行管理。草莓生长阶段管理可根据草莓不同的生长阶段，设置合适的各项环境参数。传感器类型参数设置可用来对系统中使用的各种传感器类型参数进行设置。控制阀参数设置可用来对系统中使用的控制器进行设置。大棚设备管理可以对系统中要进行监控的大棚，以及大棚中的各種传感器、控制阀设置参数。系统报表用来生成大棚环境参数报表。

4  系统测试

应用本系统在草莓园进行实验。在每个大棚中部署传感器节点模块用于采集数据，这些数据可以通过登录草莓大棚智能监控系统界面远程监测。系统登录界面如图5所示。

用户成功登录监控系统界面后，进入首页可以看到大棚当前环境参数监测界面，如图6所示。大棚管理人员还可以通过监控系统查询温室大棚在指定时间段的各个环境参数的数据。图7为大棚1号在4月1日的空气温度数据。

5  结  语

本文结合物联网技术设计了温室大棚草莓种植园监控系统，该系统可以方便农户对草莓园环境参数的信息进行远程监控，并对模糊功率控制算法进行研究，同时对监测系统的软硬件设计和上位机监测模块做介绍。实验结果表明，系统运行稳定，采集的数据准确，可以实现对温室大棚种植园的环境监测。

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