一种低成本的温室环境远程监控系统

一种低成本的温室环境远程监控系统1王官云2，赵妍彦，邵峥嵘（北京农业职业学院，北京102442）【摘要】本文设计并实现了一套低成本的温室环境远程监控系统，这套系统包括采集节点、网关和WEB界面应用，已经在北京农业职业学院绿色科技园温室大棚中实地部署，以较低的成本实现了空气温湿度、土壤温湿度、光照强度等环境参数的采集和三路电气设备的控制，有效提升了温室的信息化水平。【关键词】CC2530;温室环境远程监控；OpenWrt;WEB应用引言目前，我国精准农业正处在示范应用和小规模推广阶段。精准农业中涉及的农作物生长环境参数主要有空气温湿度、土壤温湿度、光照强度等，全面精准监测、实时智能处理环境参数是设施农业生产的重要保障。现在已有一些企事业单位开发了不少温室环境远程监测控制的系统，但这些系统普遍存在造价过高、需要后期运营费用等问题，并没有得到大面积应用。本文设计并实现一套低成本的温室环境远程监测和控制系统，能够采集空气温湿度、土壤温湿度和光照强度等参数并能控制三路电气设备。系统总体设计本系统主要分成数据采集、数据传输和服务器展示三个部分，系统总体方框图如图1所示。1【基金项目】北京农业职业学院2013年度院级科研项目（XY-YF-13-34）2【作者简介】王官云（1959-）,男，北京人，北京农业职业学院信息技术系讲师，学士。研究方向：物联网技术应用采集节点部分通过IO端口与各种数字传感器相连，通过IO端口控制继电器模块，继电器再去控制实际的强电设备。网关部分负责向采集节点发送控制命令和接收采集的数据、向服务器查询待执行的控制命令和发送节点采集的数据、接入互联网。网关与采集节点之间通过无线传感网传输数据，网关接入互联网方式可以是ADSL拨号、LAN等多种方式。网关通过串口与传感网的边界路由器相连。服务器展示部分提供WEB服务，用户输入用户名和密码后，可以访问本用户名下的所有采集节点，同时还提供添加和删除采集节点设备等管理功能。硬件设计3.1采集节点部分采集节点硬件主芯片选用TI公司的CC2530,课题组独立设计并生产了采集节点主控电路板以降低成本，实物图如图2所示。图2CC2530采集节点主控电路板实物图主控板设计了USB供电、电池供电和JTAG供电三种供电方式。引出一组5V电源作为继电器的吸合电压，引出四组3.3V电源用于给各种传感器供电。电源部分接入一个0.75A的自恢复保险丝防止意外短路损坏电路板。CC2530的P0和P1共16个10口全部引出，用于连接传感器和继电器模块。设计了一个USB转串口用于供电、调试和与上位机通信。射频天线部分采用巴伦电路实现平衡不平衡转换，单端线部分做了50Q阻抗匹配，差分线部分做了差分100Q阻抗匹配，最大可能的保证射频信号的接收灵敏度。空气温湿度传感器采用DHT11模块，光照传感器采用BH1750FVI模块，土壤湿度传感器采用SHT10模块，继电器采用触发电压3.3V且吸合电压5V的模块。3.2网关部分网关部分直接采用市面上销售的普通无线WIFI路由器，无线路由器价格不足100元，相比较于ARM-Linux开发板可以有效降低成本。边界路由器的硬件与采集节点相同，只是烧录不同的程序。3.3服务器部分服务器部分可以租用VPS（虚拟服务器），选用1核CPU、1Mbps带宽、512MB内存、20GB硬盘、独立IP地址的虚拟服务器完全能满足本系统的需要，服务器的租用费用约500元/台年。一台服务器可以给多个用户提供服务以平摊成本。软件设计4.1整体思路WEB页面只是读写数据库，完成采集数据的对外展示和提供控制面板。每个用户对应服务器上MySQL数据库里的一个库，库里有本用户名下所有采集节点信息的表，每一个采集节点对应一个采集参数的表和一个执行控制命令的表。网关每隔2秒向服务器查询本用户名下的采集节点列表，然后循环读出每个设备的控制命令表判断是否有待执行的命令，如果有待执行的命令就发给采集节点去执行，并用执行的结果更新本节点命令表中本条命令的状态。网关每隔10分钟循环向每个采集节点请求温湿度和光照强度等信息，并把请求结果插入到MySQL数据本节点的参数表中。采集节点运行一个服务程序，接收网关发过来的采集命令和控制命令，并返回命令的执行结果，每一条控制命令有“waitting"、“success"、“error”和“timeout”四种状态。4.2服务器部分服务器端采用CentOS操作系统、PHP服务器端脚本、MySQL数据库和ApacheWEB服务器软件组合；浏览器端采用HTML和JavaScript脚本及AJAX技术。WEB页面提供节点设备选择，选择完节点后可以查询本节点采集的参数和控制本节点的控制通道，同时提供添加和删除设备。WEB客户端通过AJAX接口向服务器提交读写数据库的请求，服务器端脚本完成读写数据库并返回XML格式的结果，WEB客户端再局部更新页面。WEB客户端查询控制界面如图3所示。采集时间土温（E）土涅C%）气温（E）气涅00光照（Lux）2014-10-0310:50:4322752250662请选择一个通道：骞▼开关off2#success图3WEB客户端查询控制界面MySQL数据库中创建“user”库和“user”表，“user”表字段为用户名和密码，用于存储每一个用户的用户名和密码。以用户名为库名创建库，库里创建“device”节点信息表、每个节点采集参数表和节点执行控制命令表。节点参数表的名称是“parameter"文本加上节点的MAC地址，节点控制命令表的名称是“command”文本加上节点的MAC地址。“device”表样例如图4所示，节点采集参数表样例如图5所示，节点控制命令表样例如图6所示。namemac号大棚100L24B00053CEAGA二号棚100124B00053CEA81办公室100124B00053CEA9B---+--图4“device”表样例|time--1--steirifi—I1|shuinl--1--atem野—I1|ahuml—I1|light--r+ -+--+ -+--+ -+ -+|2014-10-0310:42:161NULL1|NULL1NULL1|HULL1|NULL1|2014-10-0310:45:0312211751221|481|1301|2014-10-0310:46:2912211751221|501|1391|2014-10-0310:47:5912211751221|501|6741|2014-10-0310:49:2312211751221|501|6711图5节点采集参数表样例|time--r-cmd_■r-param-十-state--1-卜 -+-—-+--+--+|2014100316:26:421on111success1|2014100316:26:461off111success1|2014100316:27:381on121success1|2014100316:27:411off121success1|2014100316:27:461on131success1图6节点控制命令表样例4.3网关部分市面上很多款无线WIFI路由器支持开源的OpenWrtLinux无线路由器操作系统，OpenWrt操作系统驱动和应用软件丰富，而且方便进行二次开发。OpenWrt自带了PL2303串口驱动、IPv6协议栈、Tun虚拟网络设备和TunSlip6应用，只要在配置OpenWrt时候添加到系统就可以编译进OpenWrt固件。用编译好的OpenWrt固件替换路由器自带的操作系统，无线路由器就变成了一款低成本的Linux开发板，不仅比开发板的稳定性好，而且还能提供WIFI网络信号。网关与服务器通信的程序和网关与采集节点通信的程序需要自己开发，开发完成后上传到网关并设置成开机自动启动，网关应用程序流程图如图7所示。此外，网关应用程序要把节点MAC地址转化成节点IPv6地址。开始序号置零睡眠2S序号加一获取节点列表序号加一否序号在列表内？是r查询节点温湿度等参数信息r否兀序号在列表内？是否回应？是否有待执行的命令？命令发给节点、\节点2S开始序号置零睡眠2S序号加一获取节点列表序号加一否序号在列表内？是r查询节点温湿度等参数信息r否兀序号在列表内？是否回应？是否有待执行的命令？命令发给节点、\节点2S内 -否是否回应？4命令状态更新为timeout更新命令状态亠-爲、、10分钟？，*采集的参数插入参数表采集参数置NULL

并插入参数表图7网关应用程序流程图4.4节点部分节点部分采用Contiki操作系统，Contiki系统内置6LoWPAN、IPV6和UDP等协议。节点应用程序主要是实现一个UDP服务程序，支持“on”、“off”和“query”等命令。“on”、“off”命令加上继电器通道号，节点收到后触发继电器并返回“success”或者“error”命令执行结果；节点收到网关发出的“query”命令后，向空气温湿度传感器、土壤湿度传感器和光照强度传感器查询参数，并返回“s_temp二土壤温度值s_humi=土壤湿度值a_temp二空气温度值a_humi=空气湿度值light=光照值”文本格式的数据。DHT11空气温湿度传感器、SHT10土壤温湿度传感器和BH1750FVI光照传感器的采集程序通过开源版本修改即可，这里不再赘述。系统试验本系统在北京农业职业学院绿色科技园温室内进行了实地部署，用户通过用户名和密码登录系统后，能够查询每个温室内的空气温湿度、土壤温湿度和光照强度数据，并且能够通过网页控制风机和喷灌等电气设备，也能方便的进行采集节点的管理和导出历史数据，功能实用，操作简单。结束语本项目设计并实现了一套低成本的温室环境远程监控系统，主要材料成本如表1所示。表1主要材料成本名称规格价格智能网关802.11协议和802.15.4协议200元/套米集节点空气土壤温湿度、光照、三路继电器200元/套WEB服务器10用户租用一台虚拟服务器50元/年例如一个用户有10个大棚要部署本系统，则只需要200+200*10+50=2250元的材料成本，后续每年只需50元的服务器租用费用，再加上合理的工程施工费用后，价格也在用户能够承受的范围内。从部署的实际情况看，本系统采集节点间的视距通信距离约100米(不加PA功率放大情况下)，当距离超过120米时，数据丢包严重，所以本系统适用通信距离有限。另外本系统也无法与其他公司的系统兼容，兼容性是物联网技术大规模应用的一大障碍。【参考文献】贺婷婷，白皓然，尚书旗，等.基于VEB农业温室远程监控系统设计与实现[J].农机化研究，2013，(10)：158—161．TexasInstruments.CC2530DataShee