基于农业物联网的低功耗智能温室监控系统

2019-07-12姚引娣海小娟

西安邮电大学学报 2019年2期

姚引娣, 王磊, 海小娟, 刘利

(1．西安邮电大学通信与信息工程学院，陕西西安 710121; 2．西安文理学院信息工程学院，陕西西安 710065)

智能温室[1-2]利用传感器网络，将现代化技术运用到农业生产中，通过调节棚内温度和湿度等，达到高品质、高产量的目的。传统的智能温室大棚监测是将采集到的数据，通过无线或有线方式发送到上位机，并在上位机处理后显示温室状态信息，虽然便于监督管理，但没有考虑通过物联网将多个不同环境的温度和湿度值进行统一的管理和监督，增加了运营成本，不便于随时随地监测[3-4]。基于农业物联网的智能温室系统[5]，可远程监测温室环境，并根据作物的环境需求实施精准的温室控制，从而科学高效的管理温室[6]。因此，基于农业物联网的智能温室研究已成为农业现代化研究的热点。

无线传感器网络作为智能温室的主要应用技术，不仅可以实现数据的采集、处理和传输等功能，而且还具有功耗低、组网能力强、传输距离远等特点。目前传感器网络的数据传输主要采用WiFi、蓝牙和ZigBee等无线通信技术，其中应用最广泛的是ZigBee技术[7-8]，它具有复杂度低、功耗低、成本低和时延短等优点，但是，ZigBee技术、WiFi技术[9-10]和蓝牙等均属于2.4 GHz波段，而2.4G的波长较短、穿透能力差[11]。因此，选择合适的无线传输技术搭建无线传感器网络尤为重要。

为了实现对温室温度和湿度的智能采集和监测，本文将无线通信技术、计算机网络技术和单片机技术[12]相结合，组建远距离低功耗的无线传感网络，节点采用低功耗、长距离通信能力强的SI4463[13]无线通信模块进行传感器网络节点的组网和数据收发，网关通过ESP32[14]接入物联网云平台[15]，以期通过电脑远程监测温室内不同区域的环境信息。

1 智能温室监控系统总体设计

智能温室监控系统主要由无线传感器网络从机系统、无线传感器网络主机系统和物联网监控管理子系统等组成，总体设计结构如图1所示。

图1 系统总体设计

无线传感器网络从机系统负责温室大棚中温度和湿度等环境数据的采集，以及与无线传感器网络主机通信。

无线传感器网络主机系统负责监控和管理传感器网络子系统，完成收集各从机采集的温室内环境信息，并传输给上位机和物联网云平台下达监控指令，以及向上位机和服务器汇总数据等。

物联网监控管理子系统由上位机和物联网云平台组成，其中上位机通过串口与无线传感器网络主机系统进行通信，控制无线传感器网络主机系统接收各从机子系统采集的温室信息，并将接收的信息上报。无线传感器网络主机系统通过WiFi接入物联网云平台，实现显示多个从机子系统采集的当前温室中的环境信息，并且支持通过Web和手机终端等设备实时查询所监控的温室大棚信息。

在智能温室监控系统中，主机子系统采用MQTT协议与物联网云平台进行通信，系统组网采用星型网络架构，主机子系统作为网关，从机子系统作为节点。与网状网络架构相比，星型网络架构具有结构简单、延迟低、组网容易等特点，可以降低通信协议的复杂度以及整个网络的能耗。

2 系统硬件设计

智能温室监控系统包括无线传感器网络主机子系统和多个无线传感器网络从机子系统。无线传感器网络主机子系统主要由低功耗主控处理器、无线收发模块、WiFi模块和与上位机通信的接口模块构成。

无线传感器网络从机子系统主要由低功耗主控处理器、无线收发模块、显示模块和环境数据采集模块构成。

2.1 从机子系统硬件设计

传感器网络从机子系统硬件部分主要包括温湿度传感器AM2301模块、SI4463无线模块、USB串口模块和低功耗LCD1602显示模块，电源模块选用3.7 V可充电的锂电池进行供电，微控制模块选取MSP430F149作为主控芯片，其接口丰富、操作简单、且具有低功耗模式。温湿度传感器选用AM2301， AM2301与主控芯片之间采用单总线的协议进行通讯，对环境响应迅速，占用资源少。无线模块选取SI4463芯片，与主控芯片之间采用SPI协议进行通信，工作频率为433 MHz，绕障碍物能力和抗干扰能力都比ZigBee强，适用于远距离通信。此外SI4463还带有低功耗模式，在一定程度上可以降低整个系统的功耗。从机子系统硬件设计结构如图2所示。

图2 从机子系统硬件设计

2.2 主机子系统硬件设计

传感器网络主机子系统负责从机子系统数据的收集与上传、配置指令的下发、节点的管理等功能，其硬件设计结构如图3所示。电源模块采用5 V适配器供电，微处理器采用 MSP430F149作为主控芯片，无线模块同样采用SI4463芯片与各从机子系统进行通信。主机子系统使用WiFi模块将数据上传至云服务器，WiFi选用ESP32-WROVER，该模块集成了传统蓝牙、低功耗蓝牙和 WiFi，支持较大范围的通信连接，也支持通过路由器直接连接互联网，可以用于低功耗传感器网络。

图3 主机子系统硬件设计

3 软件设计

设计无线传感器网络主、从机子系统软件和物联网监控管理子系统软件。

3.1 从机子系统软件设计

无线传感器网络从机子系统的工作流程如图4所示。主处理器平时设置为睡眠模式以降低功耗，通过定时器中断和外部中断唤醒主处理器，定时器中断用于控制采集数据的上报，外部中断用于接收主机下发的指令。环境的温度和湿度值在较短时间内检测到的数据变化不明显，为了减少传输数据量降低功耗，当设备被唤醒时只有检测到温度和湿度的变化超过设定的误差时，才启动SI4463将温度和湿度的值发送给主机，其余时间进入休眠模式，通过程序上的设计，在一定程度上可以降低整个系统的功耗。

图4 从机子系统流程

3.2 主机子系统软件设计

无线传感器网络主机程序主要起承上启下的作用，负责与上位机、云平台及传感器网络从机子系统之间的通信，其工作流程如图5所示。在初始化完成之后进入监测模式，当接收到数据时，先对接收的消息进行分析，判断是上位机发来的指令还是需要上报的数据，然后将数据上报至云平台和上位机，将指令下发到对应的从机子系统。

图5 主机子系统流程

3.3 物联网监控管理子系统软件设计

物联网监控管理子系统包括上位机和物联网服务器，本地上位机上采用C#语言进行设计，通过串口将接收到的温室环境信息存入本地数据库，调用系统函数对数据库的信息进行处理，让用户可以查看温室环境参数变化的曲线和监测实时的温室信息，同时还设计了历史数据查询功能，支持对温室内历史信息的查询。

物联网云平台的功能主要是实现对温室大棚内信息的远程监测，主机通过ESP32将采集的温室环境信息上报到物联网云平台进行数据处理，处理完成后，用户可以通过手机APP、微信、或者Web对温室大棚的环境信息进行远程在线监测。

4 系统测试

为了验证设计方案的可行性，在智慧农业温湿实验室对该温室的温度和湿度进行监测实验。将4个无线传感器网络从机均匀部署在温室大棚内，1个无线传感器网络主机放置在温室外，分别测试系统的传输性能、功耗、上位机和物联网平台对温室环境参数的实时监测功能。

4.1 传输距离测试

在传输性能方面，通过移动温室外部署的无线传感器网络主机改变测试距离，在不同传输距离条件下测试无线传感器网络主机子系统与从机子系统间无线传输的丢包率。其中每包数据的大小为9个字节，采用CRC16方式进行校验，数据包格式如图6所示。

图6 数据包格式

测试距离选为0～1 km，射频模块的发射功率为13 dBm，天线增益为3 dB，传输速率为1.3 kb/s，每个测试点连续收发500个数据包，对每个点的数包据进行对比分析，系统传输距离和丢包率的关系如图7所示。

图7 测量距离与丢包率对比结果

由图7可以看出，当传输距离大于800 m时，系统的丢包率明显升高，在700 m范围内的丢包率都在10%以下。因此，将采集节点部署在700 m以内，在不增加功耗的基础上如果要增加子系统的通信距离，可以使用定向天线或高增益天线，优化传输距离。该系统在无线传输时的抗干扰性强，传输距离远，符合智能温室监控系统的设计需求。

4.2 功耗测试

在实际应用中，系统对从机子系统的功耗要求比较高，根据上述部署的实验环境，测试从机子系统在一个上报周期内不同工作状态下的最大工作电流，结果如表1所示。

表1 不同工作状态下系统最大电流/mA

由表1可知，传感器网络从机子系统在工作时的最大电流约为92 mA。根据2 500 mAh的电池容量、0.5 h的上报周期和600 ms的上报时间，可计算出传感器网络从机子系统的工作时间约为287天，在系统设计的休眠参数下，可以工作半年以上，满足传感器网络从机子系统的低功耗要求。

4.3 监测平台功能测试

监测平台测试分为本地上位机测试和物联网云平台测试。将温室外部署的无线传感器网络主机通过串口接入本地上位机，通过上位机监测无线传感器网络从机所采集的温室大棚的数据信息，如图8所示。选择监控客户端下的智能传感器子系统节点A和B，单独监控对应节点的温度和湿度信息，同时通过历史信息查询可以观测一段时间的温度和湿度信息变化，还可以导出相应的历史数据。