智能温室大棚监控系统的研究与设计
龚尚福+潘虹
摘 要： 针对目前各种智能监控系统成本高、使用不方便等特点，提出一种智能温室大棚监控系统。本系统采用CC2530嵌入式微处理器作为主控芯片，无线传感网络采用ZigBee技术构建，软件系统由电脑端的监控中心系统和Android移动客户端系统组成，并辅助专家库予以指导。本系统具有良好的人际交互界面，操作简便，成本低，用户可随时随地监控温室大棚的生产和管理情况，具有实用价值。
关键词： 智能温室大棚监控； ZigBee技术； CC2530； Android移动客户端系统
中图分类号： TN919?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0119?04
Research and design of intelligent greenhouse monitoring system
GONG Shangfu， PAN Hong
（College of Computer Science and Technology， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）
Abstract： According to the characteristics of high cost and inconvenient use of various intelligent monitoring systems， an intelligent greenhouse monitoring system is put forward， in which the CC2530 embedded microprocessor is taken as the main control chip. The ZigBee technology is used to construct the wireless sensor network of the system. The software of the system is composed of the monitoring center system at computer terminal and Android mobile client system， and assisted with expert database for guidance. The system has perfect human?machine interactive interface， easy operation， low cost and high practical value， with which users can monitor the production and management of greenhouse whenever and wherever possible.
Keywords： intelligent greenhouse monitoring； ZigBee technology； CC2530； Android mobile client system
0 引 言
我國是一个农业大国，但是人口众多，人均耕地面积少，所以如何提高农作物的产量和质量，最大化地利用耕地面积十分重要。传统的日照温室大棚主要采用手动来控制，生产效率低，生产成本高，且容易受到环境的干扰，造成植物的收成达不到理想状态[1?2]。所以将物联网技术和农业结合起来，将会提高农业的发展。
物联网是一种按照约定的协议，通过信息传感设备把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化跟踪、识别、定位、监测、控制和管理的一种网络[3?4]。在智能温室大棚里，可以利用物联网技术，采用各种传感器采集土壤湿度、温度以及空气湿度、温度、光照强度、CO2浓度等参数值，再通过与预设参数值相对比，自动调控设备调节温室环境中各参数值，得到植物生长的最佳条件，使农作物增收。
此外，在温室大棚生产的各个阶段还可以应用物联网技术。在温室大棚的准备阶段，用户可以通过在温室里布置各类传感器，实时地分析温室内部环境情况，从而选择出最适宜种植的品种。在温室大棚中植物培育阶段，用户可以通过各类传感器来采集温室内温湿度、光照强度以及土壤的温湿度等数据，实现精细化管理。在温室大棚内植物收获后，还可以通过传感器采集的信息对不同阶段植物的表现和环境因子进行分析，反馈到下一轮的生产中，从而获得更优质的产品，提高农民的收入[5?6]。
本文研究并设计出的智能温室大棚监控系统具有以下特点：
（1） 用户可以利用手机随时随地对温室大棚进行监测和控制，使用方便。
（2） 基于Android平台的移动终端价格便宜，且现在几乎人手一部智能手机，降低成本。
（3） 智能温室大棚的建设和使用能够节水节肥，为用户减少成本，并使得农作物增产，增加用户的收入。
（4） 增加具有丰富知识的专家库，为用户提供农作物播种前的品种选择诊断、生长条件诊断、病虫害问题诊断、专家知识查询以及和专家交流。
（5） 系统可自动控制，这样避免当用户手机不在身边时，影响温室环境的控制。
1 系统总体设计
1.1 研究方案
系统由数据采集模块、设备控制模块、网络模块、监控中心模块和用户模块五个模块组成。数据采集模块是在温室大棚内布置各类传感器来采集温室大棚中各种参数值；设备控制模块是通过控制设备来调节温室大棚内各参数值，达到有利于植物生长的最佳环境，调控设备有卷帘电机、喷灌设备、浇灌设备、通风设备和照明设备等；网络模块是将数据采集模块采集到的数据传输到服务器上，信息的传输通过无线传感网来实现，无线传感网主要采用ZigBee技术来构建；监控中心模块对温室环境进行监控，可以查看温室大棚内各参数值，也可以根据用户提前输入的植物生长所需环境的目标参数来自动调节各种设备；用户模块使用户可以随时随地通过Android平台来查看温室内的各种参数值，并能通过Android平台来控制各种设备。其智能温室大棚监控系统的原理示意图如图1所示。
1.2 主要参数
系统主要涉及对温室大棚内的温度、湿度、光照强度与CO2浓度的数据采集、显示和调控。
（1） 温度。温室大棚内的温度是影响作物生长的主要因素，大棚温度过高时，打开卷帘电机放下黑纱遮挡强太阳光，开启风扇；温度过低时收起黑纱，打开加温装置。
（2） 湿度。温室大棚内的湿度决定了大棚内植物生长的水分，大棚内的湿度可以分为两部分：一部分是土壤湿度；一部分是空气湿度。当土壤的湿度过低时，打开浇灌设备进行浇水；当空气中的湿度过低时，打开喷灌设备进行喷洒。大棚内湿度过高可以打开通风设备进行通风，用以降低湿度。
（3） 光照。温室大棚内植物的生长状况与光照有着紧密的关系，需要增加光照强度时，打开照明设备并打开卷帘。如果光照强度过强可以通过卷帘电机放下卷帘来降低光照。
（4） CO2浓度。温室大棚内的CO2浓度一般要保持与大气中的CO2浓度值一致，无论温室大棚内的CO2浓度过低还是过高，都需要打开通风设备使温室大棚内CO2的浓度达到一个稳定值。
2 系统硬件设计
2.1 ZigBee技术
由于有线通信方式存在成本高、布线复杂度高等缺点，所以系统采用无线通信技术。目前比较常见的无线通信技术包括 WiFi，Bluetooth，ZigBee，NFC等通信技术[7]。对这几种通信技术的比较，如表1所示。
通过表1可知，ZigBee具有成本较低、传输速率低、组网能力强、网络容量大等特点，满足无线传感网络的要求[8?9]。由此可见，ZigBee技术最适合用来组建智能温室大棚监控系统的无线传感网络。
ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4的近距离、低复杂度、低功率消耗、低速率和低成本的双向无线通信技术[10?11]。在一个基本的ZigBee网络中，根据网络中各个节点的功能不同分为终端节点、路由器节点和协调器节点[12]。ZigBee节点硬件框图如图2所示。
该节点电路的工作流程为：传感器模块采集温室大棚各个采集点的数据，然后通过ZigBee协议无线传输到CC2530单片机上，再把数据传到协调器。
2.2 CC2530
本文选用TI公司的CC2530作为ZigBee节点的MCU，CC2530是一款完全兼容的8051内核，同时支持IEEE 802.15.4协议的无线射频单片机，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能[13]。它既可以处理数据，又可以把收到的数据通过无线发送出去，在大型网络中可以大大节约成本，另外减少了设计环节，相对比较稳定[14?15]。CC2530开发板原理如图3所示。
2.3 温湿度传感器DHT11
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[16]。该传感器包括电阻式感湿元件和NTC测温元件，并与一個性能很高的单片机相连接，因此该产品具有响应速度超快、测量精度高、抗干扰能力强、性价比极高等优点[17?18]。产品为 4 针单排引脚封装，连接方便[19?20]。DHT11模块原理如图4所示。
3 系统软件设计
Android是一款基于Linux内核的开源操作系统，由Google主导的开放手机联盟（Open Handset Alliance）开发，于2007年11月5日发布第一个版本，它是一款先进的、流行的嵌入式操作系统[21?23]。选择Android是因为它具有开发周期短、技术先进成熟、实用性强等特点，而且随着智能手机的普及，几乎人手一台智能手机，这降低了开发智能温室大棚监控系统的成本，也使用户可以随时随地查看温室大棚内的状况，使用方便。
移动APP采用Java语言编写，UI设计采用Fragement解决多个页面展示的问题。该软件设计分为监控模块、控制模块和专家库三个模块。
（1） 监控模块主要用来显示温室大棚内的温度数据、湿度数据、光照强度数据、CO2浓度数据。用户可以通过手机客户端随时随地查看温室大棚内的情况。
（2） 控制模块主要用来控制卷帘设备、喷灌设备、浇灌设备、通风设备、照明设备、加温设备等。用户可以通过手机客户端来控制设备，使温室内的各种参数达到植物生长最适宜的值。
（3） 专家库为用户提供农作物播种前的品种选择诊断、生长条件诊断、病虫害诊断、专家知识查询以及和专家交流。便于用户能实时查询有关农作物的种植技术，实时诊断农作物在各个阶段的各种状况及对应的防治方案，实时解决农作物出现的问题。软件系统结构如图5所示。
4 总 结
本文设计的智能温室大棚监控系统具备如下特点：
（1） 在传统的电脑端的监控系统上增加了可移动的智能监控系统，实现了Android手机监控功能，操作方便、用户界面友好，还可随时随地监测温室大棚的数据和控制设备；
（2） 设计了专家库，为用户提供植物的品种选择诊断、生长条件诊断、病虫害诊断以及专家知识查询。便于用户能实时查询有关农作物的种植技术，实时诊断农作物在各个阶段的各种状况及对应的防治方案，实时解决农作物出现的问题，提高农作物的产量，增加农民的收入。
设计的温室大棚智能监控系统操作简单、成本低、通用性强，不但适用于各类温室大棚监控与管理，而且可以应用到智能停车场、智能家居、医院病人的病况监测、家禽养殖等，对智能监控系统应用起到了有利的推动作用。
参考文献
[1] 张小伟.基于物联网技术的农业大棚监控系统研究[D].西安：陕西科技大学，2014.
[2] 徐玉珍.基于物联网技术的设施农业生产管理系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2013.
[3] 张凯，张雯婷.物联网导论[M].北京：清华大学出版社，2012.
[4] 徐凯.基于物联网的农业环境监控系统研究开发[D].无锡：江南大学，2013.
[5] 李道亮.农业物联网导论[M].北京：科学出版社，2012.
[6] 王怀宇，赵建军，李景丽，等.基于物联网的温室大棚远程控制系统研究[J].农业化研究，2015（1）：123?127.
[7] 曾衍仁.基于ZigBee的远程测控网络[D].广州：广东工业大学，2011.
[8] 张晓娜.基于ZigBee技术的无线温度传感器网络节点的设计[D].西安：西安电子科技大学，2011.
[9] SHEN Jianming， WEI Hongli. Circuit design of panel points based on ZigBee [C]// Proceedings of International Conference on Informatics and Management Science. Kunming， China： Springer， 2013： 3?9.
[10] 钟钢.国内外温室发展历程现状及趋势[J].农业科技与装备，2013（9）：68?70.
[11] 吉孟勤.国内设施农业的发展现状与对策分析[J].现代园艺，2013（5）：15.
[12] 许文博，黄韬.设施农业发展的发展现状与思路建议[C]//中国园艺学会设施园艺与园艺作物标准化生产技术交流会论文集.张家界：中国园艺学会，2012：20?24.
[13] 王小强，欧阳骏，黄宁琳.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012.
[14] 沈建明.基于ZigBee的温室大棚的温湿度检测系统[D].西安：西安工业大学，2013.
[15] 许东，操文元，孙茜.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J].计算机应用，2013，33（z2）：17?20.
[16] 倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（6）：60?62.
[17] 李長有，王文华.基于DHT11温湿度测控系统设计[J].机床与液压，2013，41（13）：107?108.
[18] 韩丹翱，王菲.DHT11数字式温湿度传感器的应用性研究[J].电子设计工程，2013，21（13）：83?85.
[19] 颜丽娜，王顺忠，张铁民.基于DHT11温湿度测控系统的设计[J].海南师范大学学报（自然科学版），2013，26（4）：397?399.
[20] 马惠铖.实验室温湿度控制系统的设计[J].电子测试，2013（9）：5?6.
[21] 吴昊，何鹏，杨宴.基于Android的温室大棚监控管理信息系统研究[J].农机化研究，2013（11）：79?83.
[22] 易翔，吴蒙.基于Android和ZigBee的监控系统的实现[J].计算机技术与发展，2015，25（6）：234?237.
[23] 游海云.基于Android客户端温室大棚监控系统的研制[J].湖北科技学院学报，2014，34（7）：5?6.
摘 要： 针对目前各种智能监控系统成本高、使用不方便等特点，提出一种智能温室大棚监控系统。本系统采用CC2530嵌入式微处理器作为主控芯片，无线传感网络采用ZigBee技术构建，软件系统由电脑端的监控中心系统和Android移动客户端系统组成，并辅助专家库予以指导。本系统具有良好的人际交互界面，操作简便，成本低，用户可随时随地监控温室大棚的生产和管理情况，具有实用价值。
关键词： 智能温室大棚监控； ZigBee技术； CC2530； Android移动客户端系统
中图分类号： TN919?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0119?04
Research and design of intelligent greenhouse monitoring system
GONG Shangfu， PAN Hong
（College of Computer Science and Technology， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）
Abstract： According to the characteristics of high cost and inconvenient use of various intelligent monitoring systems， an intelligent greenhouse monitoring system is put forward， in which the CC2530 embedded microprocessor is taken as the main control chip. The ZigBee technology is used to construct the wireless sensor network of the system. The software of the system is composed of the monitoring center system at computer terminal and Android mobile client system， and assisted with expert database for guidance. The system has perfect human?machine interactive interface， easy operation， low cost and high practical value， with which users can monitor the production and management of greenhouse whenever and wherever possible.
Keywords： intelligent greenhouse monitoring； ZigBee technology； CC2530； Android mobile client system
0 引 言
我國是一个农业大国，但是人口众多，人均耕地面积少，所以如何提高农作物的产量和质量，最大化地利用耕地面积十分重要。传统的日照温室大棚主要采用手动来控制，生产效率低，生产成本高，且容易受到环境的干扰，造成植物的收成达不到理想状态[1?2]。所以将物联网技术和农业结合起来，将会提高农业的发展。
物联网是一种按照约定的协议，通过信息传感设备把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化跟踪、识别、定位、监测、控制和管理的一种网络[3?4]。在智能温室大棚里，可以利用物联网技术，采用各种传感器采集土壤湿度、温度以及空气湿度、温度、光照强度、CO2浓度等参数值，再通过与预设参数值相对比，自动调控设备调节温室环境中各参数值，得到植物生长的最佳条件，使农作物增收。
此外，在温室大棚生产的各个阶段还可以应用物联网技术。在温室大棚的准备阶段，用户可以通过在温室里布置各类传感器，实时地分析温室内部环境情况，从而选择出最适宜种植的品种。在温室大棚中植物培育阶段，用户可以通过各类传感器来采集温室内温湿度、光照强度以及土壤的温湿度等数据，实现精细化管理。在温室大棚内植物收获后，还可以通过传感器采集的信息对不同阶段植物的表现和环境因子进行分析，反馈到下一轮的生产中，从而获得更优质的产品，提高农民的收入[5?6]。
本文研究并设计出的智能温室大棚监控系统具有以下特点：
（1） 用户可以利用手机随时随地对温室大棚进行监测和控制，使用方便。
（2） 基于Android平台的移动终端价格便宜，且现在几乎人手一部智能手机，降低成本。
（3） 智能温室大棚的建设和使用能够节水节肥，为用户减少成本，并使得农作物增产，增加用户的收入。
（4） 增加具有丰富知识的专家库，为用户提供农作物播种前的品种选择诊断、生长条件诊断、病虫害问题诊断、专家知识查询以及和专家交流。
（5） 系统可自动控制，这样避免当用户手机不在身边时，影响温室环境的控制。
1 系统总体设计
1.1 研究方案
系统由数据采集模块、设备控制模块、网络模块、监控中心模块和用户模块五个模块组成。数据采集模块是在温室大棚内布置各类传感器来采集温室大棚中各种参数值；设备控制模块是通过控制设备来调节温室大棚内各参数值，达到有利于植物生长的最佳环境，调控设备有卷帘电机、喷灌设备、浇灌设备、通风设备和照明设备等；网络模块是将数据采集模块采集到的数据传输到服务器上，信息的传输通过无线传感网来实现，无线传感网主要采用ZigBee技术来构建；监控中心模块对温室环境进行监控，可以查看温室大棚内各参数值，也可以根据用户提前输入的植物生长所需环境的目标参数来自动调节各种设备；用户模块使用户可以随时随地通过Android平台来查看温室内的各种参数值，并能通过Android平台来控制各种设备。其智能温室大棚监控系统的原理示意图如图1所示。
1.2 主要参数
系统主要涉及对温室大棚内的温度、湿度、光照强度与CO2浓度的数据采集、显示和调控。
（1） 温度。温室大棚内的温度是影响作物生长的主要因素，大棚温度过高时，打开卷帘电机放下黑纱遮挡强太阳光，开启风扇；温度过低时收起黑纱，打开加温装置。
（2） 湿度。温室大棚内的湿度决定了大棚内植物生长的水分，大棚内的湿度可以分为两部分：一部分是土壤湿度；一部分是空气湿度。当土壤的湿度过低时，打开浇灌设备进行浇水；当空气中的湿度过低时，打开喷灌设备进行喷洒。大棚内湿度过高可以打开通风设备进行通风，用以降低湿度。
（3） 光照。温室大棚内植物的生长状况与光照有着紧密的关系，需要增加光照强度时，打开照明设备并打开卷帘。如果光照强度过强可以通过卷帘电机放下卷帘来降低光照。
（4） CO2浓度。温室大棚内的CO2浓度一般要保持与大气中的CO2浓度值一致，无论温室大棚内的CO2浓度过低还是过高，都需要打开通风设备使温室大棚内CO2的浓度达到一个稳定值。
2 系统硬件设计
2.1 ZigBee技术
由于有线通信方式存在成本高、布线复杂度高等缺点，所以系统采用无线通信技术。目前比较常见的无线通信技术包括 WiFi，Bluetooth，ZigBee，NFC等通信技术[7]。对这几种通信技术的比较，如表1所示。
通过表1可知，ZigBee具有成本较低、传输速率低、组网能力强、网络容量大等特点，满足无线传感网络的要求[8?9]。由此可见，ZigBee技术最适合用来组建智能温室大棚监控系统的无线传感网络。
ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4的近距离、低复杂度、低功率消耗、低速率和低成本的双向无线通信技术[10?11]。在一个基本的ZigBee网络中，根据网络中各个节点的功能不同分为终端节点、路由器节点和协调器节点[12]。ZigBee节点硬件框图如图2所示。
该节点电路的工作流程为：传感器模块采集温室大棚各个采集点的数据，然后通过ZigBee协议无线传输到CC2530单片机上，再把数据传到协调器。
2.2 CC2530
本文选用TI公司的CC2530作为ZigBee节点的MCU，CC2530是一款完全兼容的8051内核，同时支持IEEE 802.15.4协议的无线射频单片机，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能[13]。它既可以处理数据，又可以把收到的数据通过无线发送出去，在大型网络中可以大大节约成本，另外减少了设计环节，相对比较稳定[14?15]。CC2530开发板原理如图3所示。
2.3 温湿度传感器DHT11
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[16]。该传感器包括电阻式感湿元件和NTC测温元件，并与一個性能很高的单片机相连接，因此该产品具有响应速度超快、测量精度高、抗干扰能力强、性价比极高等优点[17?18]。产品为 4 针单排引脚封装，连接方便[19?20]。DHT11模块原理如图4所示。
3 系统软件设计
Android是一款基于Linux内核的开源操作系统，由Google主导的开放手机联盟（Open Handset Alliance）开发，于2007年11月5日发布第一个版本，它是一款先进的、流行的嵌入式操作系统[21?23]。选择Android是因为它具有开发周期短、技术先进成熟、实用性强等特点，而且随着智能手机的普及，几乎人手一台智能手机，这降低了开发智能温室大棚监控系统的成本，也使用户可以随时随地查看温室大棚内的状况，使用方便。
移动APP采用Java语言编写，UI设计采用Fragement解决多个页面展示的问题。该软件设计分为监控模块、控制模块和专家库三个模块。
（1） 监控模块主要用来显示温室大棚内的温度数据、湿度数据、光照强度数据、CO2浓度数据。用户可以通过手机客户端随时随地查看温室大棚内的情况。
（2） 控制模块主要用来控制卷帘设备、喷灌设备、浇灌设备、通风设备、照明设备、加温设备等。用户可以通过手机客户端来控制设备，使温室内的各种参数达到植物生长最适宜的值。
（3） 专家库为用户提供农作物播种前的品种选择诊断、生长条件诊断、病虫害诊断、专家知识查询以及和专家交流。便于用户能实时查询有关农作物的种植技术，实时诊断农作物在各个阶段的各种状况及对应的防治方案，实时解决农作物出现的问题。软件系统结构如图5所示。
4 总 结
本文设计的智能温室大棚监控系统具备如下特点：
（1） 在传统的电脑端的监控系统上增加了可移动的智能监控系统，实现了Android手机监控功能，操作方便、用户界面友好，还可随时随地监测温室大棚的数据和控制设备；
（2） 设计了专家库，为用户提供植物的品种选择诊断、生长条件诊断、病虫害诊断以及专家知识查询。便于用户能实时查询有关农作物的种植技术，实时诊断农作物在各个阶段的各种状况及对应的防治方案，实时解决农作物出现的问题，提高农作物的产量，增加农民的收入。
设计的温室大棚智能监控系统操作简单、成本低、通用性强，不但适用于各类温室大棚监控与管理，而且可以应用到智能停车场、智能家居、医院病人的病况监测、家禽养殖等，对智能监控系统应用起到了有利的推动作用。
参考文献
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