基于物联网的智能农业温室大棚监管系统

作者/吴蓬勃，石家庄邮电职业技术学院电信工程系；张金燕，河北电信设计咨询有限公司信息应用咨询院；杨斐，石家庄邮电职业技术学院电信工程系

基金项目：河北省高等学校科学技术研究青年基金项目QN2015326；工业和信息化职业教育教学指导委员会教学研究课题GXH2016-84；工业和信息化职业教育教学指导委员会通信专指委教育教学项目TXZZW2016044

基于物联网的智能农业温室大棚监管系统

作者/吴蓬勃，石家庄邮电职业技术学院电信工程系；张金燕，河北电信设计咨询有限公司信息应用咨询院；杨斐，石家庄邮电职业技术学院电信工程系

基金项目：河北省高等学校科学技术研究青年基金项目QN2015326；工业和信息化职业教育教学指导委员会教学研究课题GXH2016-84；工业和信息化职业教育教学指导委员会通信专指委教育教学项目TXZZW2016044

针对目前精细化农业大棚种植中对植物监控管理的需要，提出了一种基于物联网技术的智能农业温室大棚监管系统。基于WiFi与ZigBee无线传感器网络，通过多种传感器节点采集大棚的环境温湿度、土壤湿度、光照、图像等数据，实现了对农业生产环境的智能感知、智能预警；同时结合Android App实现了大棚内设备的远程可视化管理。试验证明，该智能农业温室大棚监管系统可实时感知大棚环境信息，可实现农业设备的有效控制，为植物生长提供了良好的环境、降低了人力成本，具有很好的实用价值。

物联网；农业大棚；Zigbee；WiFi；智能感知；可视化管理

引言

在农业生产过程中，农业温室大棚的出现使得植物的生长不再受限于自然环境，农民可以在任何季节种植所需要的农作物。传统的农业大棚多为人工控制农业温室大棚的采光、温度情况，对于温室大棚内植物的生长情况需要定时去观察，进而降低了农业生产效率、增加了劳动力成本。

随着物联网技术的快速发展，物联网与农业的有效结合，促使我国传统农业向现代化精细种植方向发展。物联网应用于农业温室大棚，也必将促进其向着智能化、自动化和信息化方向发展[1—2]。

本文基于物联网的三层架构：感知层、网络层、应用层构建农业温室大棚监控管理系统，通过多种传感器实时感知农业温室大棚内部环境参数；通过WiFi和Zigbee无线传感器网络采集将各个节点采集的数据上传到服务器；用户通过手机APP即可实时了解到大棚内部情况，并可进行远程设备控制。

1. 系统总体规划

系统架构图[3]如图1所示，在温室大棚内部，通过多种传感器：环境温湿度、光照强度、土壤湿度、雨滴、烟雾等实现农业温室大棚内部环境感知；通过对灯光、草帘、换气扇等设备的控制，动态调整温室大棚环境。智能环境感知和控制设备通过Zigbee转WiFi网关连接3G无线路由器，IP摄像头也通过WiFi网络连接到3G无线路由器。用户通过手机APP可实时观察温室大棚内部情况，了解环境信息，并可进行远程设备的控制。

2. 硬件设计

2.1 CC2530无线感知与控制节点设计

温室大棚内部环境感知和设备的控制均基于CC2530构建的Zigbee无线传感器网络来实现，CC2530单元原理图[4]如图2所示。CC2530为TI公司的一款基于增强型8051CPU的遵循IEEE802.15.4协议的无线射频收发芯片。CC2530内部的电源管理器可动态调整供电模式，实现了长电池寿命的低功耗应用，确保了各个无线节点的长期低功耗运行[5]。下面将对各个无线感知和控制节点进行具体介绍。

图1 系统架构图

（1）温湿度感知节点

该节点基于CC2530和DHT11温湿度传感器实现。DHT11采用单总线方式与CC2530通信，一次可传送40位数据，包括：8位湿度数据整数部分、8位湿度数据小数部分、8位温度数据整数部分、8位温度数据小数部分和8位校验位。

（2）光照感知节点

光照节点基于CC2530和数字光照传感器ISL29003实现。ISL29003为Intersil公司的基于I2C接口的16bit数字光照传感器。其光照度检测范围可在1000lux、4000lux、16000lux、64000lux之间调整。与光敏电阻相比，ISL2903体积更小，光照感知更加快速、精确。

此外，土壤湿度感知节点，基于CC2530的内部ADC实现。雨滴、烟雾和人体红外感知节点为开关量节点，基于CC2530的IO口检测实现。灯的控制、草帘电机控制和换气扇控制也通过CC2530的IO口控制继电器实现。

图2 CC2530原理图

2.2 Zigbee转WiFi网关设计

本网关中的Zigbee设备为Zigbee网络协调器，其通过串口与WiFi模块通信，传输的仅仅是少量的间歇数据，并不传输图像；考虑到系统的成本和功耗要求，本系统的WiFi模块选用了上海乐鑫的ESP8266。

ESP8266内部集成了的2.4G无线射频收发电路、电源管理电路、CPU内核、10bit高精度ADC、TCP/IP协议栈等，支持WiFi 的WPA/WPA2安全模式[6]。可单独使用，也可做为串口透传模块配合其它MCU使用。

ESP8266原理图如图3所示，26MHz的外部晶振为ESP8266提供时钟信号；ESP8266的程序存储到外部的SPI Flash中；CC2530可通过芯片使能引脚CHIP_EN控制ESP8266是否进入工作状态，通过串口与ESP8266进行数据通信，实现Zigbee网络数据到WiFi网络数据的转换。

3. 软件设计与功能验证

软件部分主要包括：Zigbee无线感知节点的环境数据采集与控制、ESP8266的WiFi配置和用户端手机App的设计，本文将对后两者进行重点介绍。

图3 ESP8266原理图

3.1 ESP8266的配置

ESP8266配置流程如图4所示。首先配置CC2530的串口、开启串口接收中断；配置连接ESP8266的芯片使能和复位引脚并使能芯片；CC2530通过串口向ESP8266发送复位AT指令，进行复位测试。然后，设置ESP8266进入STA模式，配置ESP8266要连接的目标AP的SSID和密码，如果连接成功，则配置ESP8266进入单连接模式。最后，基于TCP协议连接服务器的指定端口，如果连接成功，则配置ESP8266进入串口透传模式。以上的步骤配置完成后，ESP8266即进入串口透传模式，CC2530即可与服务器进行数据的透明收发。

图4 ESP8266配置流程图

3.2 AnroidApp客户端设计

手机App部分主要包括：环境监测、报警数据查询、远程设备控制、远程视频监控几个部分。用户可以通过App实时了解温室大棚内部环境，并可远程控制设备动作。图5是智能农业温室大棚系统试验平台，图6～9显示了An—droid App端所采集的环境数据、报警信息、视频信息以及远程设备的控制界面。

4. 总结

本文根据现代农业温室大棚智能感知、智能控制的实际需要，设计了基于物联网的温室大棚监控管理系统。基于Zigbee无线传感器网络实现了大棚内部温湿度、光照、土壤湿度等数据的采集，通过WiFi网络和3G无线路由器实现了数据远传。 结合手机App实现了对农业生产环境的智能感知、智能预警和远程设备控制。试验证明，该智能农业温室大棚监管系统方便了农民对大棚地监管，有利于为植物生长提供良好的环境，提高了农业的生产效率，降低了人力成本，具有很好的实用和推广价值。

图5 智能农业温室大棚监管系统试验平台

图6 环境监测

图7 报警信息查询

图8 远程视频监控

图9 远程设备控制

＊ [1] 韩毅. 基于物联网的设施农业温室大棚智能控制系统研究[D].

太原：太原理工大学，2016.

＊ [2]吴朋林. 温室大棚智能控制系统研究[D]. 济南：山东大学，2015.

＊ [3]曾令培. 智能温室大棚系统的设计[D]. 成都：西南交通大学，2015.

＊ [4] 吴蓬勃、杨斐、李莉等. 基于Zigbee的新型激光模拟对抗训练系统设计[J]. 激光与红外，2015,45(6):616—620.

＊ [5] Texas, Instruments. CC253x System—on—Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee® Applications User’s Guide[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/product/cn/CC2530/ technicaldocuments, 2017—07—06.

＊ [6] 乐鑫信息科技（上海）有限公司. ESP8266EX Datasheet[ EB/OL]. http://www.espressif.com/en/products/hardware/ esp8266ex/resources, 2017—07—06.