刘 青, 李兰兰, 张德树, 刘东旭

(滁州职业技术学院 信息工程学院，安徽 滁州 239000)

我国是农业和人口大国，社会城镇化进程加快使得瓜果、蔬菜等农产品需求急剧增长。而简陋的农业大棚需要给农作物控温、通风、施肥、灌溉等日常管理，消耗大量人力物力，效率低下。因此，利用先进信息技术手段，设计智能、高效、安全、可靠的农业大棚尤为迫切。根据2020年中央一号文件，要依托现有农村资源，加快物联网、大数据、人工智能和区块链等现代信息技术在农业领域的应用，由此可见，发展智慧农业已成为国家战略。传统农业大棚的监测系统具有布线复杂、搭建维护成本高、扩展性能差等不利因素，已不能适应现代农业大棚发展需求。可用于智慧农业大棚解决方案的无线技术有NB-IoT、ZigBee、WIFI、4G等，每种技术方案各有特点，例如,WIFI技术具有组网便捷、通信稳定、速率较高等优势，但存在覆盖半径小、网络拓展性差等缺点。本研究使用ZigBee技术，它具有自组网、低功耗、可扩展等优势，结合光照、土壤湿度、温湿度等传感器，以CC2530为控制器，使用继电器控制通风、洒水、光照、感应门等器件，设计实现了智慧农业大棚监测系统。

1 系统架构设计

基于物联网技术的智慧农业大棚监测系统架构如图1所示。系统可简单分为3部分:一是感知控制系统，ZigBee节点与传感器相连组成感知节点，ZigBee节点与控制器件结合构成控制节点，ZigBee感知节点、控制节点与协调器自组织为WSN(一个ZigBee节点可既是感知节点又是控制节点)。二是云平台，用于数据的存储和访问，系统租用阿里云平台，创建Linux系统的云端服务器，安装配置Tomcat、VSFTP等服务，选择MYSQL版本数据库，采用HTTP协议与下位机网关进行通信，实现ZigBee感知数据的存储与控制指令的转发。三是用户远程管理系统，如PC端监测管理系统或移动端APP，连接云平台，对接云端MYSQL数据库，读取并显示各种传感器采集的环境信息，远程自动或手动控制相应控制设备。

图1 基于物联网技术的智慧农业大棚监测系统架构图

ZigBee网络有star(星型)、cluster-tree(树型)和Mesh(网状网)3种拓扑结构，其中，树型结构以“coordinator(协调器)”为根节点，结合“end device(终端)”和“router(路由器)”节点，快速组成多层网络，具有易扩展、高可靠和应用广泛等优点，因此本系统设计成树型网络。ZigBee节点以CC2530为核心，协调器不接感知或控制设备，与网关连接，借助互联网将采集到的数据的储存到云服务器，移动端远程监控农业大棚。本研究重点是感知控制系统软硬件设计、云端数据库设计、移动端监控APP系统设计等。感知控制系统自动关联，根据农作物生长需要，设置相应阈值，实现了农业大棚智慧管理，并在实验环节中验证了系统的安全性、稳定性，具有一定的推广应用价值。

2 感知控制系统设计

感知控制系统主要是实现农业大棚环境信息的采集、装置设备控制和传感网络的无线通信功能。感知控制节点主要有电源模块、ZigBee通信模块、数据采集模块和继电器控制模块组成，硬件结构如图2 所示。

图2 感知控制节点硬件结构框图

(1)电源模块。电源是系统各功能模块的供电保障，因农业大棚无人值守，环境复杂布线困难，考虑到数据采集和步进电机电路等都需要5 V供电，系统选择2节5号电池提供5 V输入电源，通过LM1117稳压芯片输出3.3 V为CC2530、继电器等模块供电。

(2)数据采集模块。系统空气温湿度采集使用DHT11(数字传感器), 具有体积小、处理速度快、性价比高等特点。它的湿度范围20%～90%RH，精度±5%RH；温度范围0～50 ℃，精度±2 ℃。其感温使用内部的NTC元件，测量湿度使用电阻式感湿元件，其信号引脚与CC2530的P1.5口连接。光照强度采集使用BH1750FVI传感器，其内部使用16位AD转换，使用IIC串行通信，SDA与SCL分别连接P1.6与P1.7接口。人体感应采用HC-SR501传感器，有人，保持高电平输出，无人，保持低电平输出，其信号引脚与P0.7连接。土壤湿度采集使用YL-69传感器，模拟量输出，利用湿敏电容，输出电压随着土壤湿度升高而增大，与P0.2接口连接，经AD转换，输出电压值。

(3)设备控制模块。遮阳卷帘、自动门等模块采用两项四线步进电机控制，基本步距角1.8°，200个脉冲转1圈，电机驱动电路图如图3所示。程序中修改“M_Spend”值调整脉冲数，控制电机转速和圈数，经调试，自动门设置400个脉冲/转，需要转5.36转大门闭合。控制相应引脚的高低电平控制电机正反转,当Q2和Q6断开，Q4和Q5接通时，电机正向导通；当Q4和Q5断开，Q2和Q6接通时，电机反向导通，系统中的遮阳卷帘是控制两个步进电机同步正反转实现卷帘功能。继电器控制水泵喷洒灌溉、风扇通风、光照补光等模块。

图3 电机驱动电路图

(4)ZigBee节点程序设计。ZigBee节点程序设计以IAR Embedded Workbench为开发环境，采用C编程语言，针对ZigBee组网、传感器信息采集、设备控制及预警功能，借助TI的Z-Stack，进行程序设计。因ZigBee协议存在节点脱离网络或网络广播阻塞等问题，取AODVjr(按需距离矢量路由)和Cluster-Tree(树型路由)算法的长处，父子节点使用Cluster-Tree算法，降低能量消耗，提高通信性能。非父子节点使用AODVjr算法，在RREQ分组中设置Flag标签，限制广播范围不大于网络最大深度，抑制广播风暴。协调器节点发起网络组建，负责节点数据的收集与转发，与网关中的WIFI模块通信。路由节点维护路由表，转发数据。终端节点利用系统中断，使用数模转换采集数据，不同通道对应不同环境信息的采集。终端节点空气温湿度采集的部分代码如下：

while(1)

{ THRH();//调用温湿度读取子程序

//串口显示程序

Str_l[0]=U8_RH_data_H;

Str_l[1]=U8_RH_data_L;

Str_l[2]=U8_T_data_H;

Str_l[3]=U8_T_data_L;

Str_l[4]=U8_check_data;

S_Data(str_l);//发送到串口

Delay(20000);//延迟 }

3 云端数据库设计

云端数据库提供智慧农业大棚监测数据的存储服务，提供用户远程访问数据接口，实现数据的增删改查、历史追踪和实时访问。选择关系型MYSQL数据库，它具有开源、操作简单、运行速度快、移植性强、支持java、Python等多种语言的特点。数据库主要设计了用户表、设备表、控制指令表和存储数据表等。

(1)t_user表，用于存储登录用户信息，有user_id(用户ID)、user_name(用户名称)、user_psd(用户密码)、user_level(用户等级)、user_tel(用户电话号码)和user_status(用户状态)等字段，user_id为主键，为用户设计两个权限等级，即普通用户user和管理员admin，普通用户可获取感知信息，管理员可发出控制指令。

(2)t_device表，用于存储监控系统设备信息，主要有device_id(设备ID)、device_name(设备名称)、device_mac(设备MAC地址)、device_c_time(设备创建时间)、和device_status(设备状态)等字段，device_id为唯一标识，可以准确标识系统中的设备。

(3)t_command表，用于存储感知与控制设备的控制指令，主要有command(控制指令)、device_name(设备名称)、device_mac(设备MAC地址)，主键是device_mac，当接收到新的command信息后，云数据库服务器会立即向相应device_mac的感知或控制单元发送指令。

(4)t_data表，用于存储各种传感器采集的环境信息，数据列表见表1。

表1 data的数据列表

4 移动端软件设计

针对Android操作系统，采用Android Studio开发环境，使用JAVA语言和MVC编程架构，设计了智慧农业大棚管理系统。APP使用HttpClien和HttpURLConnection接口与云平台(MySQL数据库)对接，实现大棚农作物生长环境信息的远程查询和设备控制功能，系统感知数据的接收、存储、分类、分析等功能由云平台实现。系统主界面包含“信息显示”“设备控制”和 “设备状态”3个模块，程序设计流程如图4所示。系统采用用GridLayout、SeekBar、Text View等类进行布局，用setContentView、etOnClickListener等方法显示和监听控件，重写handleMessage方法向UI线程发送消息，使用UTF-8编码，以JSON格式与云数据库交换数据，用Shared Preferences方式保存数据。

图4 智慧农业大棚APP系统流程图

智慧农业大棚监控系统软件界面友好、易操作，通过4G或WIFI网络接入云平台，认证登录后，大棚用户可直观实时了解大棚内农作物生长信息。移动端软件截图如图5所示，主要实现以下4项功能，(1)信息查询：移动端监控系统从云平台读取不同传感器实时采集信息并显示，同种类型多个传感器随机读取。(2)节点管理：大棚用户根据预警或者需要，可自动或手动远程控制大棚中的门窗、照明、通风、遮阳、灌溉等设备。(3)阀值管理：针对不同季节，不同农作物生长需求，依据相应感知信息，用户可移动“拖动条”，设置阈值，当监测结果超过最佳阀值范围，系统会推送相应预警提示信息，农户根据情况做出处理。系统也可设置阈值与相应控制设备的自动关联，实现自动响应。(4)视频监控：系统实现视频远程监控功能，可拖动摄像头按钮，远程遥控摄像头，多角度查看农业大棚内情况。

图5 智慧农业大棚APP截图

5 系统测试

本系统软硬件功能模块测试在模拟大棚实验环境中进行，使用3Dmax设计了效果图如图6所示，采用PVC塑料和亚克力板制作了大棚实物。模拟大棚内布置了3个土壤温湿度、4个温湿度传感器、2个光照度、1个人体感应等传感器，安装了洒水泵、遮阳卷帘、补光灯、风扇以及自动门。系统经过30多次上电监测，各ZigBee通信和传感器模块指示灯正常，不间断运行120 h，Sensor Monitor测试网络拓扑稳定，Packet Sniffer抓取实时通信数据包丢包率极低，系统运行稳定，实物如图7所示。

图6 模拟大棚效果图

图7 基于Zigbee技术的智慧农业大棚模拟实物图

移动端APP能正常连接云平台，各传感器数据能实时正常显示，如图5所示。对传感器采集的数据与实际仪器监测数据进行对比，以温度为例，多次测量，误差均在±0.5 ℃以内，如表2所示。对传感器采集的数据进行12 h记录观测，以土壤湿度为例，结果如图8所示，在10:00-11:00期间开启大棚窗户通风，实验室开启加湿器，数据有明显上升，关闭窗户后，数据相对稳定，土壤湿度采集正常。移动端以20、30 s频次反复发送控制指令，遮阳、灯光、灌溉、风扇、大门等设备均能正常响应。温度、湿度、光照度等阈值移动设置，相应控制设备自动响应灵敏，预警功能正常。可拖动摄像头，移动实时查看大棚内影像。感应有人，照明灯和大门自动开启，无人，延迟30 s自动关闭，人进入大棚内可使用大门控制按钮关门。经过反复测试，移动端系统运行稳定，性能良好，可靠性高，使用方便。

表2 仪器监测与显示数据对比表

图8 土壤湿度值

6 结语

本研究利用物联网技术，提供了一种智慧农业大棚监测系统的解决方案。针对感知控制系统、云端数据库和移动端APP等进行设计并验证。系统实现用户远程实时监测农业大棚环境信息，根据农作物生长环境的需求，设置相应阈值，实现温度、湿度、光照等信息的自动控制，可更好的管理农作物，实现增产增收的目的。该系统具有扩展性好、组网方便、性价比高等优势，弥补了传统农业大棚监测系统的布线困难、使用不便等不足，具有很高的实用价值。系统后期可增加大数据分析模型，建设智慧农业综合平台，添加更多种类的传感器和控制装置，应用推广到更广领域的智慧农业领域。