温室环境智能监控系统

王 超， 张广宇

（1.长春光华学院，吉林 长春 130031；2.中国联通长春分公司，吉林 长春 130012）

0 引 言

随着人民生活水平的提高，对农产品的硬性需求越来越大，如何实现“跨时”、“跨区”农产品的栽种成为重要议题，随之产生的温室产业迅速发展。

但多数温室只是简单地利用屏障技术和高产栽培技术搭建而来，不仅无法满足特殊植物生存条件，更无法提高农产品的品质。为改变这种情况，将嵌入式设备及无线传感网络引入温室环境的搭建，既弥补人力因素缺陷，又提高温室栽培的条件，实现温室环境的智能化监控。

1 系统总体设计

为满足温室特殊的环境条件要求，须实时获取温室的CO2、温度、湿度等因素并进行有效调节。因此，系统设计的主要组成部分包括：高速、低能耗、实时采集环境因素的终端采集设备，汇聚各类信息的协调器，便于直观监控的主控系统，以及可随时查看并远程控制的手持终端设备。

系统总体设计主要包括：zigbee终端节点、zigbee协调器、PC机、A8嵌入式设备4个部分。终端节点数量众多，主要用于采集温室的各类环境因素；协调器汇聚各节点采集信息并分时传送给上位机；上位机显示获取的温室环境因素，也可人为直接控制终端节点；A8嵌入式设备便于携带，可通过无线网络访问上位机实现远程监测及控制。环境系统监控原理框图如图1所示。

图1 环境系统监控原理框图

2 系统硬件设计

2.1 主控系统

系统主控设备主要包括上位机和嵌入式系统，上位机便于实时人为监控温室环境，嵌入式系统便于携带，并采用无线方式进行通信。嵌入式测控设备采用cortex－a8体系下的S5PV210，又名“蜂鸟”，主频达到1GHz，32／32KB的数据／指令一级缓存，512KB的二级缓存，运行速度可达每秒2亿条指令，适用于手持式便携设备，如平板、手机等设备。内存512M，flash为256M的nand flash，完美运行Linux操作系统。具体设计流程如图2所示。

图2 系统设计原理框图

2.2 终端节点及协调器

目前用于设计无线传感网络的主流网络协议有蓝牙，Zigbee［1］等为满足无线稳定传输、降低功耗、多元化控制等需求，本设计在终端节点和协调器硬件设计中采用zigbee cc2530作为核心主控芯片。Zigbee无线传感器网络具有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点［2］，工作在工业科学医疗（ISM）频段，有915／868MHz及2.4GHz，其中915MHz频段用于美国，868MHz频段用于欧洲，2.4GHz频段则是全球通用［3］。

无线网络的搭建方式多样化，符合不同场所应用，主要网络拓扑结构包括以下3种：星型网络、树簇型网络、网型网络［4］。本系统设计采用星形网络结构，该结构组网简单，既降低成本，又满足基本无线网络传输性能需求，可根据需要多点投放终端节点监测温室内不同区域的温湿度、CO2浓度、光照强度等环境因素［5］。

2.3 传感器的选择

硬件设计中传感器主要包括：DHT11（温湿度传感器），MG811（电压型CO2浓度传感器），BH1750FVI（数字式光照强度传感器）。各传感器连接在终端节点分散在温室内，实时获取温室环境条件，该系统采用电池供电，便于移动节点动态测量。

3 系统软件设计

3.1 上位机界面设计

温室环境监测系统的软件设计主要包括：上位机测控界面、嵌入式设备的图形控制界面2个部分。上位机界面采用VC＋＋6.0软件完成，该软件兼容性好、操作简单，各类型的软件接口齐全。上位机界面通过MSComm串口通信控件实时获取协调器的信息，协调器汇聚各终端节点传感器采集的环境参数。

软件设计流程包括：

1）初始化设备，主要包括上位机界面初始化、协调器与界面间的有线通信，以及zigbee组建无线网络；

2）上位机建立服务器并通过串口向协调器发送链接命令等待应答；

3）上位机向协调器发送字符串命令询问终端节点采集的环境参数；

4）上位机接收并实现来自协调器汇总的环境参数［6］。具体流程如图3所示。

3.2 嵌入式系统界面软件设计

在嵌入式S5PV210系统中运行ubuntu版本的linux操作系统，该系统具备开源、功能齐全、可裁剪等优势。设计控制界面时采用GTK＋ 图形界面工具，GTK＋ 是一种图形用户界面（GUI）工具包，该工具包涵盖了若干个基于GUI的应用库，支持多种不同类型的操作系统，如 WINDOWS，LINUX等，该图像工具提供大量C语言编程接口，提高了系统可移植性［7］。GTK界面通过建立的分栏列表显示信息，信息的获取通过方式上采用无线局域网（WiFi），该方式无需成本、稳定性高、断线自动连接［8］。

软件设计流程包括：

1）初始化GTK界面，主要包括建立windows主窗口和副窗口；

2）在主副窗口下创建如标签、按键等各类控件，控件用于实时刷新显示环境参数；

3）登陆上位机服务器，将汇聚的环境参数通过无线网络传送到嵌入式设备界面；

4）实时更新并监控温室环境中的温湿度、光照强度及CO2浓度。

具体软件设计流程如图4所示。

图3 上位机界面开发流程 图4 嵌入式GTK界面开发流程

4 系统测试

该系统的无线网络终端节点和协调器体积小、功耗低、可移动，只需一次性搭建并可长期监测。温室环境置于无线局域网范围内，上位机和嵌入式系统都可移动监测温室环境因素，上位机界面拥有测控环境的最高优先级，各终端节点也具备一定的处理能力，本身在网络故障情况下将启动预设控制方案，观测者也可手持嵌入式系统随时测控温室环境参数。因此，该系统在温室环境测控领域具备一定的价值和意义。

［1］何文德，杨凤年，刘光灿.无线传感器网络在文物保护中的应用［J］.计算技术与自动化，2007，26（2）：99－101，106.

［2］蔡志华，向宇坷，陈超，等.温室大棚自动控制系统设计［J］.仪器仪表用户，2010（4）：25－28.

［3］张玲，李磊民，黄玉清.蓝牙无线传感器网络在谷仓监控中的应用［J］.传感器与微系统，2008，27（5）：111－113.

［4］罗武胜，鲁琴，张勇.超宽带无线传感器网络 MAC协议［J］.计算机工程，2008，38（11）：108－11.

［5］高峰，俞立，卢尚琼，等.国外设施农业的现状及发展趋势［J］.浙江林学院学报，2009，26（2）：279－285.

［6］徐小涛，黄秋实，吴延林，等.基于ZigBee的 WPAN网络配置应用［J］.今日电子，2009（7）：78－79.

［7］张同光，潘红.Linux中GTK＋编程技术研究及其应用［J］.软件导刊，2007，15：121－125.

［8］罗贤全，尚朝轩，高勤.用GTK开发Linux嵌入式GUI应用程序［J］.微计算机信息，2004（6）：89－92.