基于WIFI的智能温室监控系统设计

２０１　１年２月　农机化研究　第２期　基于ＷＩ　ＦＩ的智能温室监控系统设计　马增炜，马锦儒，李亚敏　（河北农业大学机电工程学院人工智能研究中心，河北保定０７１００１）　摘要：设计了一套以集成了ＷＩＦＩ功能和ＡＲＭ内核的ＳｏＣ芯片ＧＳ１０１０为核心的智能温室环境控制系统，实现　了通过无线网络对智能温室内温湿度、光照和ＣＯ　浓度的监测与调控。监控系统将采集到的数据进行汇总、显　示和记录，自动生成数据库，实现了温室设备的自动控制和远程遥控。整个系统操作简单，经济适用，控制精度　完全达到要求，并且接线灵活，方便与现有的有线以太网络整合。　关键词：智能温室；监测；控制；ＷＩＦＩ；ＧＳ１０１０　中图分类号：ＴＰ２７４　．２；￥１２６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—１８８Ｘ（２０１１）０２—０１５４—０４　０　引言　目前，我国传统农业处于向优质、高效和高产的　现代化农业转化过程中，温室栽培体现了现代农业发　展的方向。依靠先进的科学技术，对温室内的环境因　离为７６～１２２ｍ，方便与现有的有线以太网整合，组网　的成本更低　ｊ。ＷＩＦＩ设备使用的频段为２．４－２．４８３　５ＧＩ－ｌｚ　的免许可频段，在频率资源上不存在限制，因此使用　成本低廉也成为了ＷＩＦＩ技术的又一大优势。通常将　ＡＰ称为网络桥接器或接入点，将能搜索到＂ＷＩＦＩ网络　的地方称为热点区域，任何一个装有无线网卡的终端　进入ＷＩＦＩ覆盖区域均可以通过ＡＰ来无线高速接人　英特网。与目前国内已经比较普及的８０２．１５．４标准　素进行监测和控制，才能给温室内的作物提供最佳的　生长环境，而现在的温室控制系统大多是ＰＬＣ温室控　制和现场总线控制，这些系统存在操作不方便、接线　不灵活和成本过高等缺点。为此，设计了基于ＷＩＦＩ　的智能温室控制系统，传感器系统采集系统参量与需　和ＺｉｇＢｅｅ网络比较，ＷＩＦＩ是更成熟的技术，在设备互　操作上具备明显优势。　要的参量值进行对照，并采用相应的算法进行计算后　输出，对加热系统、降温系统、加湿系统、通风系统、光　照系统和二氧化碳喷施系统等进行控制。温室控制　系统以上位机作为监控系统，上位机与下位机采用无　线连接，从而实现更灵活的接线。监控系统将采集到　的数据进行汇总、显示和记录，自动生成数据库，实现　了温室设备的自动控制和远程遥控。　２系统总体设计　以ＧＳ１０１０模块为核心，组成温度采集和控制操　作的终端，用于温度和湿度等数据的采集、存储和传　送，并执行控制指令。下位机传感器系统采集系统控　制的参量，对数据进行处理后输出控制信号到执行　器。以ＰＣ机为上位机，负责对各终端机采集到的温　１　ＷＩＦｌ介绍　ＷＩＦＩ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）技术即ＩＥＥＥ／８０２．１　１协　度数据进行汇总和分析，发送控制指令。用户可以直　接通过上位机设定下位机的控制参数，如图１所示。　议，ＷＩＦＩ无线网络是由ＡＰ（Ａｃｃｅｓｓ　Ｐｏｉｎｔ）和无线网卡　组成的无线网络，组网方式较为简单，主要技术优点　是无线接入、高速传输以及传输距离远。其中，ＩＥＥＥ　８０２．１１ａ与ＩＥＥＥ　８０２．１１ｇ的最高速度为５４Ｍｂｐｓ，在开　放性区域通讯距离可达３０５ｍ，在封闭性区域通讯距　收稿日期：２０１０—０４—１３　作者简介：马增炜（１９８３一），男，河北邯郸人，在读硕士研究生，（Ｅ—　ｍａｉｌ）ｚｏｒｒｅｒ１２＠１２６．ｃｏｍ。　圜圜　圈　温室２　通讯作者：李亚敏（１９５８一），男，河北保定人，教授，博士，（Ｅ—ｍａｉｌ）　ｌｉｙｍ５４５＠ｈｅｂａｕ．ｅｄｕ．ｅｎ。　图１系统结构　２０１　１年２月　农机化研究　第２期　测试电流应控制在１ｐＡ以下，电压信号再经过滤波和　放大　，直接与ＧＳ１０１０模块的Ａ／Ｄ转换接口相连　接。　３．５人机接口模块　只需２根线就可与ＧＳ１０１０模块的实现接口，硬件连　接简便，软件编程容易。尤其用在ＣＰＵ担负繁忙数据　处理任务的系统中，可节省ＣＰＵ用于显示扫描的时　间，更显出其优越性。Ｉ。Ｃ串行接口提供键盘中断信　号，方便与处理器接口；可驱动８位共阴数码管或６４　只独立ＬＥＤ和６４个按键；无需外接元件即直接驱动　ＬＥＤ，可扩展驱动电流和驱动电压。系统需要ｌ６只按　人机接口选用ＺＬＧ７２９０芯片是周立功公司针对　仪器仪表行业的需要自行研制的一款芯片。在具体　应用过程中，它接收所要显示的数据，并将其显示在　ＬＥＤ显示器上。该芯片能自动完成８位ＬＥＤ数码管　键和８位ＬＥＤ显示，接线如图５所示。　的动态扫描和（最多）６４按键检测扫描。该器件本身　图５　ＺＬＧ７２９０接线图　４系统软件设计　感器（其中ＤＨＴ２１的时序是必须要注意的）、光敏传　感器以及ＣＯ　浓度传感器数据的读取。根据传感器　系统的软件部分主要包括上位机软件系统和下位　的响应时间，设定ＣＰＵ芯片内的定时器在不同时间中　机软件系统。其中，下位机程序主要是在实时操作系　断，采集数据，并将数据存储在指定存储器中。　统上建立的数据采集部分、算法处理部分、数据通信　４．１．２算法处理部分　部分及人机接口部分；上位机软件系统主要包括通信　为排除干扰因素的影响，采用了平均滤波法，对　模块和数据库模块。　采集到的数据进行筛选，忽略异常数据，并对采集的　４．１下位机软件　数据和前４次采集到的数据取平均值。研究表明，温　所设计的下位机软件系统是在实时操作系统ｕＣ／　室作物的生长并不是取决于某一时刻的温度，而主要　０ｓ一Ⅱ的支持下构建的。ｕＣ／ＯＳ—Ｉ１只是一个实时操　取决于在一个时间段中的平均温度水平。系统并不　作系统内核，它仅仅包含了任务调度、任务管理、时间　设置一个固定的温度值，温室中的温度在最高和最低　管理、内存管理、任务间的通信和同步等基本功能。　温度范围内可进行变动，以求在一个较长的时间段内　没有提供输入输出管理、文件系统和网络等额外的服　达到理想的平均温度。　务　４］。ｕＣ／ＯＳ一１Ｉ良好的可扩展性和源码开放，根据　根据作物种类和习性的不同，温室内各个时间段　需要对相关ＡＲＭ源代码进行修改，包括改变传送间　需要调节稳定在不同的温度，一般都要求晚上的温度　隔、增加传感器和增加外设等。　比白天低些。白天温度高些有利于养分的制造，夜间　４．１．１数据采集部分　温度低些可以减少养分的消耗，有利于养分积累。为　不同传感器使用各自的驱动程序，包括温湿度传　此，用实时时钟定时在不同的时间段选择，不同的控　・１５６・　２０１　１年２月　农机化研究　４．２上位机软件设　第２期　制策略。计算机可以根据室外的气候，在使用最低能　耗、充分利用温室中的现有设备的情况下进行调节，　照系统以及二氧化碳喷施系统等进行控制。程序结　构如图６所示。　上位机是整个系统的管理核心，主要由数据库管　Ｂａｓｉｃ　６．０编译上位机程序，采用数据库管理系统ＳＱＬ　ＳＥＶＥＲ　２０００数据管理。　４．２．１　数据库　ｃｒｏｓｏｆｔ　Ｖｉｓｕａｌ　合理对加热系统、降温系统、加湿系统、通风系统、光　理和通信管理等功能模块组成。采用Ｍｉ建立温室作物生长数据库，包括设计温室环境历　史记录数据表，存储每天温室的各种环境参数；设计　温室控制信息状态表，存储每天温室设备的开启及停　止时间和运行状态；设计温室作物生长状态表，存储　作物的生长状态，以便根据不同状态采取不同的控制　参数；设计专家数据表，存储专家数据为作物的控制　决策提供依据。　４．２．２通信功能　设计基于网络的远程通信子程序和基于串口的通　信子程序，应用控件Ｗｉｎｓｏｃｋ（在ＴＣＰ、ＵＤＰ的协议基　础上）实现基于ＩＥＥＥ／８０２．１１ｂ的无线通信子程序设　计，使用ＳｏｃｋｅｔＷｒｅｎｃｈ控件发送和接收ＴＣＰ／ＩＰ协议　包，应用ＭＳＣｏｍｍ控件通过串行端口传输和接收数　据，用户选择应用网络或者串口通信。　图６数据处理程序框图　５　结论　目前，温室监测和控制系统正向网络化、分布式　４．１．３数据通信部分　系统有两套并行的通信接口，即串行接口和无线　网络接口。串口在调试程序的时候可以作为控制端　智能控制以及生物信息的获取与处理等方向发展，无　线网络以其独特的优势成为自动控制领域的研究热　点。本文讨论了一个基于ＧＳ１０１０模块的智能温室测　输人命令，在现场应用时也可以作为通信接口传送命　令和数据，以便用户根据实际情况灵活接线。上位机　发送命令到测控终端，测控终端接收后，判断是发送　存储的温度数据还是改变控制参数，实现数据采样收　集和现场控制的目标。上位机完成对各点温度的记　控系统的设计与实现。该系统是一种低成本的远程　温度监控系统，充分发挥了ＡＲＭ芯片相对８／１６位单　片机的优势，更好地实现了基于无线网络的温度远程　监测和控制。系统设计功能齐全、操作简单、便于扩　展，有一定的应用推广价值。　录，便于统一管理；下位机将各个时间段的温湿度数　据和操作器的状态等数据存储在ＧＳＩＯＩＯ模块的内存　中，每隔一定时间向上位机传送一次，这样可以减少　网络负担。　网络接口程序的编写可以调用ＧＳ１０１０模块附赠　的ＡＰＩ，完成对网络协议栈和ＷＩＦＩ网络传输的全部控　制功能。网络通信程序使用ＴＣＰ／ＩＰ协议下的流式套　参考文献：　［１］　唐雄燕．宽带无线接入技术及应用［Ｍ］．北京：电子工　业出版社，２００６：４０．　［２］Ｄａｌｅ　Ｈｉｔｔ．ＧａｉｎＳｐａｎ—ＷＸＬ　Ｗｉ—Ｆｉ　２００８．ｐｄｆ［ＥＢ／ＯＬ］．　［２０１０—０４—０２］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ５ｌ　ｒｆ．ｅｏｍ．　接字（Ｓｔｒｅａｍ　Ｓｏｃｋｅｔ）编写。Ｓｏｃｋｅｔ是网络通信的基本　单元，它提供了不同主机间进程双向通信的端点。常　［３］　苏全义，李庆东，何培祥，等．基于ＰＩＣ单片机的智能温　室环境控制系统［Ｊ］．农机化研究，２００９，３１（１２）：１８７．　［４］　任哲．嵌入式实时操作系统ＵＣ／ＯＳ—ＩＩ原理及应用（２　版）［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００９：４２—４４．　［５］　李岩．基于ＡＲＭ嵌入式ｕＣＬｉｎｕｘ系统原理及应用［Ｍ］．　用的套接字有两种，即流式套接字和数据报套接　字　。任务通过对Ｓｏｃｋｅｔ的读／写操作实现网络通信　功能，系统为了可靠地面向连接的通信数据流和无错　误的传输，选用流式套接字。　北京：清华大学出版社，２００９：２３２．　（下转第１６２页）　２０１　１年２月　农机化研究　参考文献：　第２期　无线遥感监测、水文气象监控、机器人控制以及无线　ＲＳ４８５／ＲＳ２３２数据通信等诸多领域。　［１］徐显荣，高清维．一种用于农业环境监测的无线传感器　网络设计［Ｊ］．传感器与微系统，２００９（７）：９８—１００．　［２］　郑锴，童利标．一种无线传感器网络节点硬件结构设计　［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００９（９）：７８—８０．　［３］　杜晓明，陈岩．无线传感器网络在温室农业监测中的应　用［Ｊ］．农机化研究，２００９，３１（６）：１４１—１４４．　［４］何科百，马正华．无线传感器网络在环境监测中的应用　５　结论　我国西南地区地势不平，应用普适农业系统时会　遇到传感器网络覆盖范围较小的问题。Ｓｉ４４３２模块　可以达到２　Ｏ００ｍ的传输距离，且不需要外部放大电　路，具有功耗较低、穿透力强、使用简单（软件配置寄　［Ｊ］．环境监测管理与技术，２００９（４）：６０—６２．　［５］　李迎春，张佑生．基于ＧＳＭ短消息在无线数据采集与监　控中的应用［Ｊ］．计算机工程与应用，２００４（３）：２１３—　２１５．　存器值）和通信误码率低（传输速率小于１００　ｋｂｐｓ）等　特点。该系统将Ｓｉ４４３２模块应用于普适农业系统，经　过实验证明工作可靠、稳定，具有很好的通用性，稍做　改动就可以应用到工业数据采集、生物信号采集和无　线遥控等其他一些的无线通信领域，具有较高的市场　应用价值，为覆盖范围较大的无线数据传输提供了一　个很好的解决方案。　［６］　樊建明，陈渊睿．基于ＳＨＴ１１的温室多点测量系统设计　［Ｊ］．国外电子测量技术，２００６，２５（１１）：３—８．　［７］　施长浩．铁电存储器ＦＭ３１２５６的特性及应用［Ｊ］．国外电　子元器件，２００５（６）：７５．　Ｆａｃｉｌｉｔｙ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｅｒｖａｓｉｖｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ｚｈａｏ　Ｈｕ　，Ｗａｎｇ　Ｓａｎｇｅｎ　，Ｗａｎｇ　Ｊｉｙｕａｎ。　（Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ａ．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｂ．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｇｒｏｎｏｍｙ　ａｎｄ　Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４００７　１　６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｐｅｒｖａｓｉｖｅ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｉ４４３２　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ａｉｍｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ＷＳＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）．ｗｈｅｒｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｉＳ　ｃｌｏｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｗｅｅｋ．Ｔｈｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｅｎｔｅｒ　ａｎｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅｓ，ｅｖｅｒｙ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅ　ｉｓ　ｍａｋｅ　ｕｐ　ｏｆ　ＰＩＣ１６Ｆ８７７Ａ，　Ｓｉ４４３２　ａｎｄ　ＳＨＴ１０．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｅｎｔｅｒ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｒｅｃｅｉｖｅ，ｓｈｏｗ，ｓｔｏｒｅ　ａｎｄ　ｓｅｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｅｓｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｄａｔａ　ｄｉｓｔａｎｔｌｙ　ａｎｄ　ｓｔｒｏｎｇｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｉｔ　ｅｒｒｏｒ　ｒａｔｅ　ａｒｅ　ｌｏｗ，ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｗｉｄｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ＷＳＮ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｉ４４３２；Ｐｅｒｖａｓｉｖｅ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ＳＨＴ１０；ＰＩＣ１６Ｆ８７７Ａ；ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅｓ　（上接第１５７页）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＩＤ：１００３—１８８Ｘ（２０１１）０２—０１５４一ＥＡ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｆｉｄｅｌｉｔｙ　Ｍａ　Ｚｅｎｇｗｅｉ，Ｍａ　Ｊｉｎｒｕ，Ｌｉ　Ｙａｍｉｎ　（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｈｅｂｅｉ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７　１　００　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＧＳ１０１０　ｍｏｄｕｌｅ，　ｗｈｉｃｈ　ＳｏＣ　ｃｈｉｐ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＷＩＦＩ　ａｎｄ　ＡＲＭ　ｉｓ．Ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｎ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｌｉｇｈｔ　ａｎｄ　Ｃ０２　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｇａｔｈｅｒｅｄ　ｄａｔａ　ｔｏ　ｃｏｌｌｅｃｔ，ｄｉｓｐｌａｙ，ｒｅ－　ｃｏｒｄ，ａｕｔｏ　ｍａｋｅ　ｄａｔａｂａｓｅ，ａｃｈｉｅｖｅｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｓｙｓｔｅｍ　ｅａｓｙ，ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｗｉｉｎｇ，ｅａｓｙ　ｅｘｐａｎｄ　ｉｎｔｏ　ｉｎｔｅｇｒｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅｄ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ＷＩｎ；ＧＳ　１　０　１　０　・１６２・