物联网技术在温室大棚中的应用研究

物联网技术在温室大棚中的应用研究

摘要：针对目前我国大部分温室大棚采用纯人工管理出现的耗时耗力、出错率高等情况，设计了一种基于物联网的智能温室大棚控制系统。系统采用Zigbee协议组建了无线传感网络，对温室大棚内农作物生长的环境进行检测及控制，采用Linux操作系统管理嵌入式网关，用来存储采集数据、管理系统设备、实现无线传感网与传统信息网络之间的互联，农户可以使用浏览器和智能手机对温室大棚实时监测和远程管理，系统应用于温室大棚生产管理过程中，提高了农业生产精细化管理水平，实现了农作物高效、优质、低耗的工业化生产方式。关键词：无线传感网络；Zigbee；嵌入式网关；Web服务器；物联网技术；农业管理

0引言

我国作为传统的农业大国，目前温室面积居世界之首。但在管理模式上，我国大部分温室大棚仍采用的是纯人工粗放式管理方式，不仅浪费人力、物力，而且农作物的产量低、质量差。因此，改变温室大棚低效率的管理经营状况，研制开发用于管理温室大棚的新技术，实现温室大棚大型化、集约化、智能化、产业化、网络化管理刻不容缓。

物联网技术是一门新兴技术，因其功能强大，逐渐被应用到各行各业中。将物联网技术应用到温室大棚中，通过物联网中传感器节点实现对温室大棚内土壤湿度、温度、光照强度、二氧化碳浓度等进行

测量，然后经过模型分析，自动调控温室环境，控制灌溉和施肥作业，使农作物获得最佳的生长条件。基于物联网技术的温室大棚管理是一种新的农业管理模式，对我国农业现化建设具有十分重要的意义。

1系统整体方案设计及工作流程

系统在设计上主要由Zigbee无线传感网络、嵌入式网关、远程控制端三部分组成。其中无线传感网络负责采集温室大棚内农作物生长的各类条件参数及实现对温室大棚的控制。嵌入式网关是整个系统的核心，一方面它对采集到的参数进行分析，根据设定好的专家决策方案发出控制命令，将温室大棚内的环境参数调节至农作物最佳生长条件；另一方面它实现了无线传感网络与传统通信网络的互联，用户可对温室大棚内农作物生长环境实现远程监控。系统整体结构如图1所示。

整个系统工作流程：系统上电后，由协调器组建网络，然后路由器和终端节自由加入网络，网络构建完成后，各节点通过Zigbee技术相互通信。路由节点或终端节点通过多跳路由的形式将监测的数据传给协调器，协调器通过串口将数据传给嵌入式网关，在嵌入式网关进行存储和专家决策，并将决策结果通过命令的方式回传给协调器。由协调器转发给具有执行功能的终端节点，实现自动控制，嵌入式网关通过内嵌的Web服务器CGI接口将接收到的数据转换成Web浏览器能识别的HTML格式发送给远端浏览器。远端用户通过手机或电脑登陆系统，可实现多点、在线、便捷的监控。

2系统硬件设计

2.1无线传感网络硬件平台设计

无线传感网络平台主要由协调器节点、路由器节点、终端节点三种类型节点构成。节点的主控芯片选择了TI公司的Zigbee无线通信芯片CC2530，它是一款基于2.4GHz ISM频带的集成芯片，内部集成了高性能收发器、工业标准增强型8051内核、256KB Flash ROM 和8KB RAM。节点电路在设计上采用了模块化设计，分别设计了核心板、主板、传感器及控制模组部件，核心板主要负责驱动传感器及数据的接收和发送；主板用来为节点提供电源；传感器及控制模组完成数据的采集及自动控制功能；通过组合可以组合成不同类型的节点，主板与核心板组合可构成路由节点和协调器节点，主板、核心板与传感器/控制模组构成终端节点。节点硬件结构如图2所示。

2.2网关硬件平台设计

嵌入式网关是无线传感网络与电信网络、互联网络之间的桥梁，是整个系统的控制中心。在硬件设计上选择了三星公司的CortexA8芯片S5PV210作为处理器，它是一款基于ARM9架构的应用处理器，主频可达1GHz，拥有丰富的外设接口和强大的处理能力。外围配置了512MB DDR内存及4GB Nand Flash、10/100M以太网接口、USB 接口、串行口、液晶显示触摸模块等。嵌入式网关硬件设计框如图3所示。

3系统软件设计

3.1无线传感网络软件平台搭建

无线传感器网络软件平台包括ZigBee协议栈和应用程序两大部

分。应用程序包括传感器采集程序、执行终端驱动程序。无线传感器网络软件平台的搭建是将两者通过操作系统结合到一起，协调有序地工作。本系统ZigBee协议选择了TI公司开发的ZStack协议栈，它在一个OSAL操作系统上运行，操作系统基于任务调度机制，通过对任务的事件触发来完成对事件的处理。通过下列步骤可以在Z_Stack 协议上搭建无线传感器网络软件平台。

（1）参数配置。将参数ZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置为介于0～0X3FFF之间的一个十六进制数，这个参数将作为协调器的PAN ID，路由器和终端设备也使用这个标识符加入个域网。将参数DEFAULT_CHANLIST值设置为11～26，以选择无线工作频段为2.4GHz，其它参数采用默认值。

（2）硬件相关文件修改。①在ZMain/OnBoard.h中去掉不用的硬件定义，添加自己新的硬件定义；②在HAL/Target/CC2430EB/hal_ board_cfg.h中修改硬件具体的管脚、参数定义；③在HAL/Include中修改相应的驱动定义。

（3）添加新任务。使用osalAddTasks（）函数完成新任务的添加函数osalAddTasks（）的定为：osalTaskAdd （pTaskInitFn pfnInit，//任务初始化函数名

pTaskEventHandlerFn pfnEventProcessor，//任务事件处理函数名byte taskPriority ）//任务优先级

每个任务都有一个有OSAL分配的task id，对任务操作伴随着对task id操作。

（4）应用程序编写。编写传感器驱动程序、执行器件控制程序并将它们分别添加到协议的应用层中。

3.2嵌入式网关软件平台搭建

嵌入式网关软件平台采用开放源码的Linux操作系统，在其基础上完成网关界面开发，网关接入Internet和GPRS网程序编写，网关数据库建立等。嵌入式网关软件框如图4所示。