基于物聯網技術的溫室大棚種植園環境監測系統

潘小紅 楊志勇

摘 ?要： 針對現有溫室大棚種植園環境監測的缺陷和不足，采用物聯網技術，設計對溫室大棚遠程監控的系統。文中提出了模糊功率控制算法，以接收信號強度和丟包率變化作為模糊控制器的輸入，實現對傳感器節點的發射功率自動調整。以低功耗CC2530為處理器，通過傳感器節點模塊采集數據后傳輸到匯聚節點模塊，再由匯聚節點模塊傳輸數據到網關節點模塊，最后通過GPRS模塊將數據上傳到服務器。實驗結果表明，所提系統運行穩定，采集的數據準確，可以實現對溫室大棚種植園的環境監測。

關鍵詞： 環境監測; 物聯網技術; 數據采集; 數據上傳; 溫室大棚; 傳感器技術

中圖分類號： TN926?34; TP212 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

我國是農業大國，農業的發展與否直接關系著社會的穩定與發展。2018年中央一號文件《關于實施鄉村振興戰略的意見》也提到了要提高農業質量效益和競爭力。土壤的濕度與光照強度、空氣溫濕度等因素有關[1?3]。健康的土壤是生產安全農產品的基本條件，如何提高農產品的生產經濟效益也是農民需要考慮的問題。農民通過老式的溫室大棚對農產品進行種植，往往借鑒于多年積累下來的經驗，農民對于一些農產品甚至還需要24 h守護大棚，致使經濟效益低，且管理上不方便。近些年，隨著無線通信技術的發展，可以實現對農產品的遠程監測[4?5]。將物聯網技術應用于對溫室大棚種植園環境參數的監測，能夠實時采集到空氣的溫濕度、土壤濕度、光照強度和二氧化碳濃度。農民通過PC機和手機可以遠程監測到大棚的狀況，并能夠對大棚環境進行控制，從而大大提高效率且帶來產量的大幅度增加。

本文提出了基于物聯網技術的溫室大棚種植園環境監測系統。通過應用物聯網技術在溫室大棚草莓園部署傳感器節點，各傳感器模塊負責采集數據，如空氣的溫濕度、土壤濕度、光照強度和二氧化碳濃度，射頻模塊將傳感器采集到的數據傳輸到匯聚節點。然后匯聚節點將數據傳輸到監測主機，主機監控系統處理相關數據，將處理的結果通過GSM或GPRS方式向大棚管理人員發送。實現了對溫室草莓種植園中各種環境狀態的遠程監測和控制。

1 ?節點功率控制算法

在溫室大棚草莓種植園環境中，通過部署傳感器節點可以實現對環境數據的采集。研究表明，無線傳感器節點的功耗主要在射頻模塊[6]，節點發送的功率是否合適也直接影響無線傳感器網絡的通信質量和生存時間。由于溫室大棚草莓種植園的株高和密度對無線信號傳播有較大影響，從而引起通信質量和接收信號強度都下降[7]。為降低傳感器節點功耗，設計了節點功率控制算法。根據文獻[8]得，無線通信中通信距離、接收功率和發射功率的關系為：

[PR=PTrn] ?（1）

式中：[PR]表示無線信號的接收功率，單位為[mW];[PT]表示無線信號的發射功率，單位為[mW];[r]表示發送節點和接收節點之間的距離，單位為[m];[n]表示環境傳播因子。對式（1）兩邊取對數乘以10，單位換算為[dBm]，可得到：

[PT-PR=10nlg r] ? （2）

考慮到溫室大棚草莓園環境監測系統中傳感器采集節點與匯聚節點之間的數據傳輸，設傳感器采集節點發射功率為[PscnT]，單位為[mW]，匯聚節點接收信號強度為[RSSIsn]，單位為[mW]，匯聚節點發射功率為[PsnT]，單位為[mW]，傳感器采集節點接收信號強度為[RSSIscn]，單位為[mW]。由式（2）可得到式（3）：

[PscnT-RSSIsn=PsnT-RSSIscn] ?（3）

由式（3）可知，當匯聚節點發射功率為[PsnT]不變時，傳感器采集節點的發射功率[PscnT]跟匯聚節點接收信號強度為[RSSIsn]有關。在溫室大棚草莓園存在遮擋情況下，為了保證無線通信質量，實際丟包率[PLR]應不能低于丟包率參考值[PLR0]，提出了自適應模糊控制法對傳感器采集節點發射功率進行控制，并將節點的發射功率調整到最佳值。設匯聚節點實際接收信號強度為[RSSI]，理想低功耗接收信號強度參考值為[RSSI0]。模糊控制器的輸入為丟包率的[ePLR]、接收信號強度的變化率[eRSSI]，輸出為發射功率調整值[ΔP]。其中，[ePLR]為丟包率實測值與最低丟包率參考值之差;[eRSSI]為接收信號強度實測值相對理想低功耗接收信號強度參考值的變化率。模糊控制器如圖1所示。

2 ?監測系統硬件設計

本系統由傳感器節點模塊、匯聚節點模塊、網關節點模塊、GPRS模塊和上位機監控模塊五部分組成。其中，傳感器節點模塊和匯聚節點模塊在硬件上都采用低功耗且性價比高的CC2530芯片，但是在軟件編程上有差異。由于全向天線相對比定向天線具有較強的輻射能力[9?10]，通過在傳感器節點模塊和網關節點模塊上配備全向天線，匯聚節點模塊上配備定向天線，該系統實現了混合天線方式組網。傳感器節點模塊上可以安裝空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強度傳感器和二氧化碳濃度傳感器，并將采集到的數據沿其他傳感器節點進行傳輸，經過單跳或多跳后，路由到匯聚節點。匯聚節點通過ZigBee協議將數據傳輸到網關節點，網關節點再通過GPRS模塊將數據傳輸到服務器，實現了PC上位機監控，通過Android編程后還可以實現手機監控。硬件系統總體結構圖如圖2所示。

2.1 ?傳感器節點模塊

傳感器節點模塊是用來采集溫室大棚草莓種植園的環境參數，其由傳感器模塊、信號調理電路模塊、處理器模塊、射頻模塊、電源模塊和RSSI檢測模塊組成。傳感器模塊選用數字式溫濕度傳感器DHT11、數字式土壤溫濕度傳感器FS200?SHT11、數字式光照強度傳感器BH1750FVI和模擬式二氧化碳濃度傳感器MG811。為了解決無線傳感器網絡能量受限問題，電源模塊通過太陽能充電可提供永久的5 V和3.3 V電壓，電路包括充電芯片、太陽能電池板、電壓轉化模塊和鋰電池。

2.2 ?匯聚節點模塊

匯聚節點模塊是用來對傳感器節點采集的數據進行融合后再傳輸到網關節點。它由傳感處理器模塊、射頻模塊、電源模塊、定向天線模塊和RSSI檢測模塊組成。電源模塊通過太陽能充電提供，可以延長匯聚節點模塊的生存時間。

2.3 ?網關節點模塊

網關節點模塊是用來收集匯聚節點模塊轉發過來的數據，并將這些數據進行融合后再傳輸到上位機監測中心。網關節點模塊由傳感器模塊、處理器模塊、射頻模塊、電源模塊、存儲模塊、GPRS模塊和RSSI檢測模塊組成。電源模塊也通過太陽能充電提供，可以延長網關節點模塊的生存時間。

3 ?上位機監控模塊

系統的上位機軟件采用Visual Studio 2008為開發環境，通過ASP.Net技術和C#進行開發。上位機監控模塊設計包括數據接收服務端設計和智能監控服務端設計。數據接收服務端負責接收無線傳感器網絡發送過來的各種大棚環境參數數據，并保存于數據庫中，如圖3所示。

智能監控服務端可實現的功能包括環境參數設置、草莓生長階段管理、傳感器類型參數設置、控制閥參數設置、大棚設備管理、系統報表、用戶管理、數據維護和環境參數實時監控9個模塊，如圖4所示。其中，環境參數設置負責對系統進行監控的各種環境參數進行管理。草莓生長階段管理可根據草莓不同的生長階段，設置合適的各項環境參數。傳感器類型參數設置可用來對系統中使用的各種傳感器類型參數進行設置?？刂崎y參數設置可用來對系統中使用的控制器進行設置。大棚設備管理可以對系統中要進行監控的大棚，以及大棚中的各種傳感器、控制閥設置參數。系統報表用來生成大棚環境參數報表。

4 ?系統測試

應用本系統在草莓園進行實驗。在每個大棚中部署傳感器節點模塊用于采集數據，這些數據可以通過登錄草莓大棚智能監控系統界面遠程監測。系統登錄界面如圖5所示。

用戶成功登錄監控系統界面后，進入首頁可以看到大棚當前環境參數監測界面，如圖6所示。大棚管理人員還可以通過監控系統查詢溫室大棚在指定時間段的各個環境參數的數據。圖7為大棚1號在4月1日的空氣溫度數據。

5 ?結 ?語

本文結合物聯網技術設計了溫室大棚草莓種植園監控系統，該系統可以方便農戶對草莓園環境參數的信息進行遠程監控，并對模糊功率控制算法進行研究，同時對監測系統的軟硬件設計和上位機監測模塊做介紹。實驗結果表明，系統運行穩定，采集的數據準確，可以實現對溫室大棚種植園的環境監測。

參考文獻

[1] 嚴芳芳，張曙光，索雪松，等.農業大棚太陽能供電數據采集系統設計[J].農機化研究，2013（5）：103?106.

YAN Fangfang， ZHANG Shuguang， SUO Xueong， et al. The design of solar?powered agricultural greenhouse nodes'data acquisition system [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2013（5）： 103?106.

[2] 牛濤，王一涯，陳曙光，等.基于ZigBee的多環境參數監測系統設計[J].現代農業科技，2017（1）：169?170.

NIU Tao， WANG Yiya， CHEN Shuguang， et al. Design of multiple environment parameters monitoring system based on ZigBee [J]. Modern agricultural science and technology， 2017（1）： 169?170.

[3] 丁筱玲，楊翠翠，吳玉紅，等.基于無線網絡的環境監測與智控灌溉系統設計研究[J].節水灌溉，2015，40（7）：86?89.

DIND Xiaoling， Yang Cuicui， WU Yuhong， et al. Environmental monitoring and intelligent irrigation system based on wireless network [J]. ?Water saving irrigation， 2015， 40（7）： 86?89.

[4] 劉燕德，吳滔，蔡麗君，等.無線傳輸技術在農產品長勢及質量監測中的應用[J].中國農機化，2012（1）：180?184.

LIU Yande， WU Tao， CAI Lijun， et al. Management and research of digital agriculture based on wireless transmission technology [J]. Chinese agricultural mechanization， 2012（1）： 180?184.

[5] 黃鴻鋒.基于ZigBee技術的農作物溫室大棚監控系統的設計和實現[D].成都：電子科技大學，2014.

HUANG Hongfeng. The design and implementation of crops greenhouse monitoring and control system based on ZigBee technology [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2014.

[6] 文韜，洪添勝，李震，等.橘園無線傳感器網絡不同節點部署方式下的射頻信號傳播試驗[J].農業工程學報，2010，26（6）： 211?215.

WEN Tao， HONG Tiansheng， LI Zhen， et al. Test of wireless sensor network radio frequency signal propagation based on different node deployments in citrus orchards [J]. Transactions of the Chinese society of agricultural engineering， 2010， 26（6）： 211?215.

[7] 王衛星，陳華強，姜晟，等.基于低功耗的發射功率自適應水稻田WSN 監測系統[J].農業機械學報，2018，49（3）：150?157.

WANG Weixing， CHEN Huaqiang， JIANG Sheng， et al. WSN monitoring system with adaptive transmitting power based on low?power?consumption in rice fields [J]. Transactions of the Chinese society for agricultural machinery， 2018， 49（3）： 150?157.

[8] 方震，趙湛，郭鵬，等.基于RSSI測距分析[J].傳感技術學報，2007（11）：2526?2530.

FANG Zhen， ZHAO Zhan， GUO Peng， et al. Analysis of distance measurement based on RSSI [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2007（11）： 2526?2530.

[9] 孫寶霞，王衛星，雷剛，等.基于定向天線WSN射頻信號傳播試驗[J].廣東農業科學，2013，40（14）：185?188.

SUN Baoxia， WANG Weixing， LEI Gang， et al. Test of wireless sensor network radio frequency signal propagation based on the directional antenna in paddy field [J]. Guangdong agricultural sciences， 2013， 40（14）： 185?188.

[10] 鄭少雄，王衛星，孫寶霞，等.基于定向天線WSNs的水稻田溫濕度監測系統設計[J].傳感器與微系統，2014，33（1）：92?96.

ZHENG Shaoxiong， WANG Weixing， SUN Baoxia， et al. Humiture monitoring system in paddy field based on directional antenna WSNs [J]. Transducer and microsystem technologies， 2014， 33（1）： 92?96.