基于物联网的温室环境监控系统设计与实现

基于物联网的温室环境监控系统设计与实现作者：梁曦曦

来源：《中国科技博览》2017年第13期

[摘要]针对传统有线监控系统布线复杂、建设和维护成本高等缺点，设计并且实现了一种基于物联网的温室环境监控系统，该系统主要由上位机软件和无线传感网络共同构成，主要介绍了系统整体设计、基于cc2530的无线传感网络设计，以及基于labview上位机的软件设计，并对系统进行测试。结果表明，系统能够对农作物生长环境进行准确的实时监控，具有良好的应用前景。

[关键词]物联网；温室；cc2530；labview

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）13-0136-01

0 引言

随着近年来计算机技术、电子技术的发展，基于无线传感网络的农业物联网技术也获得了快速的发展。当前，物联网技术在温室大棚监控系统研究中取得了一定的成效，但是仍然存在很大的不足，第一，农业物联网的网络组网方式和稳定的数据传输技术还不够晚上；第二，由于农业物联网涉及的面比较广泛，当前系统涉及的多种协议并没有获得统一的标准。导致农业物联网的发展存在一定的局限性。

本文主要针对当前温室大棚物联网监控系统存在的特点，设计并且实现一种基于Zigbee 技术的无线传感网络，实现实时对温室大棚环境的监控，通过labview构成上位机软件，实现远程对多个点的实时监控、数据处理，为温室大棚种植提供了一个良好的数据处理方案和数据分析基础。

1 系统设计

1.1 总体设计

系统通过分布在各个采集点的终端节点实时获取温室大棚的环境数据，如空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度和二氧化碳浓度等，

并且根据实际需求进行实时控制，调整环境参数信息。

1）农业环境信息采集。该数据采集部分主要包括土壤温度传感器、土壤水分传感器、二氧化碳传感器、空气温湿度传感器、光照传感器，用于实时对农作物的生长环境进行监控。

2）农作物信息监控。采用摄像头实现对农作物生长情况的监控。

3）农作物环境监控。通过监控数据，通过远程PC或手机终端控制实现控制，也可以通过设定超越界限控制。控制系统可以根据农作物的生长环境变化控制温度控制系统、光照度控制系统和灌溉控制系统，实现农业生长环境调控。

3）农作物环境远程监控。各协调器节点将终端节点采集的环境监控数据处理后发送给上位机，通过labview构成的软件界面实现对农作物生长环境的实时监控，并根据实际需求实现远程控制。

1.2 系统物联网架构设计

温室大棚系统依据物联网架构来进行设计，采用Zigbee无线传输技术构建无线传感网络，网络划分为感知层，网络层，信息处理，综合应用，在感知层由CC2530设计的节点终端和协调器实现无线网络，功能构成由5部分组成。

1）节点终端由2类传感器构成，一是数据采集类传感器，如温湿度传感器、光敏传感器，二氧化碳传感器等；二是设备执行类传感器，如水泵传感器，继电器传感器，排气扇传感器等；

2）协调器负责Zigbee网络构建和无线采集数据收发，并通过串口实现数据和STM32核心处理器之间的通信；

3）STM32核心处理器利用Socket通信将数据通过IP网络和手机用户的客户端进行通信；

4）云终端服务器利用IP网络完成数据的收发、处理和存储；

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee无线通信电路设计

采集模块将采集到的温湿度、光照度和CO2浓度等参数通过cc2530构成的ZigBee无线网络实现数据传输。以美国TI公司生产的CC2530射频芯片作为控制核心。CC2530内部具有增强型8051微控制器内核，兼容2.4GHz、IEEE802.15.4协议和ZigBee技术的芯片，不用外接微处理器且只需少量的外围元器件配合就能实现数据的收发及处理。传感器单元直接与CC2530相接实现无线传感节点，当采集到信息后通过路由节点向协调器节点发送。协调器节点和路由节点的硬件电路在组成上是一致的，只是协调器节点没有传感器采集单元。

2.2 主控电路设计

系统核心处理器选取增强型高性能、低成本、低功耗的嵌入式芯片STM32F103ZET6构成嵌入式网关系统，该芯片拥有ARM Cortex-M3内核，2个12位us级的A/D转换器（16通道），12通道DMA控制器，2通道12位D/A转换器， 2个IIC接口，5个USART接口，3个SPI接口，2个与IIS复用。CAN接口（2.0B）。CC2530与STM32单片机相连也非常简单，仅将CC2530的TX和RX与USART的RXD和TXD两个引脚相接即可实现数据的收发。

2.3 其他电路设计

本系统中，通信方式采用RS-232方式，因此在设计电路时需要进行电平转换，通常采用的MAX3232芯片完成。在无线传感器节点供电方式上，可以采用USB和直流电源供电的方式，但是考虑系统的实际性，本系统采用2节1.5V干电池供电，由于干电池输出的电流比纽扣电池输出的电流大，提高了射频模块的射频功率，使通信传输更加稳定。

3 系统软件设计

系统软件设计包括上位机软件和下位机软件程序设计。监控中心的系统软件采用图形化语言Labview8.5进行编写，主要完成信息的查询、存储及数据的实时显示等。下位机程序采用模块化编程思想进行，包括主程序、协调器程序、终端节点程序等，本系统采用C语言来编写程序。

3.1 上位机软件程序

系统上位机软件采用美国NI公司的图形化语言Labview8.5开发的，由于该语言具有结构简单、可移植性好等优点，编写界面简洁，友好的人机界面便于工作人员操作，因此被广泛应用于上位机程序的开发。本系统上位机功能如图1所示。

3.2 主程序设计

系统通电后，首先进行初始化，包括传感器初始化、ZigBee模块初始化、单片机初始化、查询通讯设备和建立网络链路。

3.3 协调器节点程序设计

系统中协调器的作用是组建网络。当设备通电后，初始化并建立网络，为整个系统建立合法的传感器采集节点并接收和发送采集到的数据，在组网成功后，协调器起到数据转移的作用。为了减少功耗，ZigBee无线通信程序在空闲时处于睡眠状态，工作时通过中断的方式唤醒。

4 结语