托普农业物联网基于Wi―Fi的温室大棚监测控制系统

1、托普农业物联网基于WiFi的温室大棚监测控制系统摘要：设计了一种基于WiFi无线局域网的温室大棚监测控制系统。终端监测设备采用增强型5l单片机为CPU，该CPU将传感器监测到的数据通过RS232传给WjFi模块，然后再通过无线局域网将数据传给服务器端软件，数据最终存储在SQLServer2008数据库中，监控客户终端通过计算机网络访问数据库相关采集数据，进行监测和控制。该系统设计简单，可靠性好。易于安装，经济实用。关键词：单片机；WiFi；温室大棚监测控制系统O 引言在植物的生长过程。环境中的温度和湿度对植物生长影响最大。由于昼夜的温度和湿度变化大，对植物生长极为不利。因此必须对环境的温度和湿

2、度进行监测和控制，使其适合植物的生长，提高其产量和质量。20世纪70年代末，我国陆续从以色列、美国、荷兰、日本等国引进现代化温室控制系统。随着科学技术的高速发展现代化农业温室大棚控制系统的模式也在不停的改进。温室大棚监测控制系统的发展可以分为四个阶段：单片机的控制系统模式、PLC的控制系统模式、现场总线的分布式智能控制系统模式、无线网络智能控制系统模式。随着农业科技的发展，以及国家对三农的的高度重视，特别是国家2012农业国家一号文件颁发后。国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构企业积极寻求在良种培育、节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、加工贮运、循环农业、海洋农业、农村民生等

3、方面的高新技术，力求突破现存的农业技术瓶颈，真正实现现代化农业。 浙江托普仪器有限公司和浙江大学合作积极响应科技兴农政策突出农业科技创新重点，研发出农业物联网智能控制系统通过通过射频识别（rfid）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备等新型技术将农业和互联网连接起来提大大提高了农业生产的工作效率和精细管理，避免了“瘦肉精”、 “毒辣椒粉”、“红心鸭蛋”等问题的再次发生，保证了食品的安全和产量。目前此物联系统已在全国多家科技园、示范园区、农场、科研所、院校等区域成功运行，技术稳定成熟，功能齐全。为在农业种植业、畜牧养殖业等领域的生产关键环节建立智能化控制、信息化管理的现代农业项目

4、提供了强有力的技术支持。物联网的实施将大大提高国家推进科技创新增强农产品的步伐。农业物联网将开启农业生产腾飞的新篇章。 托普农业物联网核心产品均属于自有品牌，自主研发生产。 托普农业物联网系统主要包括三个层次：感知层：采用各种传感器（如温湿度、光照、CO2、风向、风速、雨量、土壤温湿度等）获取植物的各类信息。传输层：信息通过无线网络传输系统和信息路由设备传到控制中心，各个节点可以自由配对、任意监控、互不干扰。应用层：根据WSN获取植物实时生长环境。图温湿度、光照参数等，收集各个节点的数据，进行存储和管理实现整个测试点的信息动态显示，并根据各类信息进行自动灌溉、施肥、喷药、降温补光等控制、对异常

5、信息进行自动报警。加装摄像头可以对每个大棚和整个园区进行实时监控。在温室大棚监测控制系统中应用无线传感网络，可以实现对温室环境参数的自动监测与控制，能够有效地避免有线系统的布线复杂、降低施工难度以及快速完成整个项目。有线网络由于温室环境温度高、光照强、酸性等原因，将引起测控网络的可靠性和抗干扰性能有所降低，这必将增加后期系统维护难度和相关费用等问题。在无线传感网络中，ZigBee技术最近几年在温室大棚应用中比较普遍。成为研究的热点。但是相比同是无线网络的WiFi，ZigBee网络通信距离短，通信速度低。对于一个狭长的农业大棚，ZigBee网络可能需要更多的中继处理模块完成无线通信，但该网络结构

6、复杂，可靠性相应降低。因此，本文提出了一种基于WiFi的温室大棚监测控制系统它能在一定程度上简化无线网络结构，提高通信效率和可靠度。1 系统设计思想控制终端安置在种植植物的大棚内，可根据实际情况安置多个控制终端。控制终端中的温湿度传感器将环境中的温度、湿度等非电量参数转化成电量信号，经过AD转换进入单片机，数据经过通信模块上传到控制服务器中。控制终端在本系统中是数据采集和执行机构，具体的控制算法由控制服务器端软件进行处理，该软件对各个终端采集的温度、湿度分别采用模糊控制，通过WiFi网络输出控制量，最后由各个终端执行，也即是通过继电器的控制对相应的设备如喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进行操作

7、，调节大棚内温湿度状态。用户也可以不采用自动方式，在监控终端通过软件改为手动操作设备。最后执行机构打开或者关闭相应设备，经过一定时间，各个终端的温湿度状态将处于设定的上下限值内。在控制终端设计中，如果网络不通，接收不到控制服务器端软件的指令，那么终端将自动切换到保护状态，关闭执行机构，同时声光报警；相应控制服务器端软件也会显示故障，提示用户处理相关情况。整个系统设计框图如图1所示，该图中控制终端可以根据需要添加多个，最多不超过WiFi网络容量为止；监控终端也可以根据需要配置多个。模糊控制包括温度模糊控制和湿度模糊控制，控制系统中分别独立进行处理。这里以温度模糊控制为例说明控制算法。模糊温度控制

8、策略采用双输入单输出结果，根据温度、温度变化率，按照一定的模糊控制规则和推理方法，进行温度控制。温度的模糊量分别取“负大”(NL)、“负小”(Ns)、“零”(ZERO)、“正小”(Ps)、“正大”(PU共五个。温度变化率的模糊量分别取“负大”(NL)、“负小”(NS)、“零”(ZERO)、“正小”(PS)、“正大”(PL)共五个。当论域中的元素总数为模糊子集总数的23倍时。模糊子集对论域的覆盖程度较好。将温度、温度变化率进行量化，它们的论域都为【4，一3，一2，l，0，1，2，3，4】。根据人工的操作经验和相关实验数据，制定好相关的模糊换挡规则集。最后应用Mamdani直接推理法，并采用重心法

9、进行反模糊化，可以得到温度模糊控制策略。2 WiFi及通信模块简介WiFi联盟成立于1999年。当时的名称叫做Wireless Ethemet Compatibility Alliance(WECA)。在2002年10月。正式改名为WiFi Alliance。它是一种短程无线传输技术，能够在100m范围内支持互联网接入的无线电信号。随着技术的发展，以及IEEE 8021la及IEEE 802119等标准的出现，现在IEEE 8021l这个标准已被统称作WiFi。WiFi是由接入点(Access Point)和无线网卡组成的无线网络。AP一般称为网络桥接器或接入点，它是当作传统的有线局域网络与无

10、线局域网络之间的桥梁。而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的终端设备。WiFi最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，具有广阔市场前景。WiFi技术作为高速有线接入技术的补充，具有为可移动性、价格低廉的优点。目前市面上的串口接口的WiFi通信模块很多。经过比较，我们选用深圳海凌科电子有限公司的串口接口的WiFi通信模块产品21。该模块的联网模式设置为自动方式，在该模式下设置模块的IP地址、子网掩码、服务器IP地址、端口等相关信息后。无需用户干预，WiFi模块会在每次上电复位后自动扫描网络，如果检测到设置好的目的网络则自动进行连接。并在连接成功后向用

11、户发出联网成功消息。用户接收到该消息后即可正常传输数据。如果中间出现意外断网，模块会自动进行重连。在目的网络的AP已关闭或Wi-Fi模块已经脱离AP信号覆盖区域的情况下。WiFi模块会进人自动扫描状态。在联网状态下，WiFi模块自动将接收到的有效数据在串口和无线网络接口之间转发。根据用户设置WiFi模块数据链路层可以进行RAW、UDP和TCP三种数据格式的数据转发。由于我们注重通信质量。采用TCP数据格式具体的通信协议在本文测控通信协议中进行介绍。3测控系统硬件设计测控系统的硬件部分即是控制终端模块，该部分的原理图如图1右边部分所示，包括WiFi模块、单片机、传感器、继电器和执行机构组成。Wi

12、Fi模块的选取在上节中进行了说明。单片机选择宏晶科技的STCll系列，它是51系列的增强型，该系列单片机片内RAM可以到达1280字节，这在处理通信协议时候用处很大。检测温室大棚中空气的温湿度的温湿度传感器选用SHrllO数字式温湿度传感器。SHrllO数字式温湿度传感器是由瑞士Sensirion公司推出的一种可以同时测量湿度、温度的传感器，不需外围元件，可以直接输出经过标定了的相对湿度、温度的数字信号，可以有效地解决传统温湿度传感器的不足。其特点：温湿度传感器、信号放大、加转换、12C总线接口全部集成于一个芯片上；全校准相对湿度及温度值输出；超低功耗，自动休眠；相对湿度和温度的测量兼有露点输

13、出；免外围元件；超小体积(表面贴装)；卓越的长期稳定性；测量精度高。湿度的精度为45RH，温度的精度为050c(在25时)。执行机构是由单片机的IO口控制的有效控制电平为+5V，高电乎有效。执行机构的各种设备都是在市电下正常工作的。需要采用IO口控制继电器的导通和切断来控制市电的通断，也即控制执行设备的工作状态。由于单片机的IO不能提供足够的电流，不能直接驱动继电器导通，因此，我们采用两级电流放大电路提供了足够大的驱动电流，让继电器产生足够大的磁力，将开关吸合。由于我们采用模糊控制策略，每个控制终端可以分别配置多个喷水器、吹风机等设备，这里每个控制终端配置2台设备，通过控制服务器端的指令启动相

14、应的设备的台数。控制终端每隔1秒钟定时采集温度、湿度数据，温湿度数据通过单片机模拟12C总线进行操作。这些采集变量数据放在缓冲队列中，定时通过数据接口程序上传到控制服务器中相关的通信协议在测控通信协议中进行详细的描述【引。控制服务器收到采集数据后。通过模糊控制算法分别发出温度和湿度的控制指令该指令通过WiFi模块下发到各个控制终端中。由它们来对执行机构进行动作。比如需要加湿，而且是是快速加湿，那么控制终端就同时通过IO口启动两台喷水器。4测控通信协议测控通信协议包括两部分，第一部分是用户协议，第二部分是终端操作WiFi模块的协议，每个厂家不同，该协议也不一样。其中第一部分协议也就是我们自己定义

15、的协议，它是固定不变的，不依赖具体的硬件厂商。在控制服务器端上，该协议的实现是直接基于TCP之上的。在控制终端上，它基于WiFi模块上的用户协议，WiFi模块采用TCP数据格式。因此它也以TCPIP作为底层通信承载。具体结构由图2所示。通信双方以客户一服务器方式建立TCP连接。控制终端为客户方，控制服务器端为服务器方，用于双方信息的相互提交。当信道上没有数据传输时，通信双方应每隔时间C发送链路检测包以维持此连接，当链路检测包发出超过时间T后未收到响应应立即再发送链路检测包在连续发送N一1次后仍未得到响应则断开此连接。参数C、r、原则上应可配置，现阶段建议取值为：C=3min，T=30s，N=3

16、。消息采用并发方式发送,an以滑动窗口流量控制，窗口大小参数形可配置，本系统中现阶段建议为8，即接收方在应答前一次收到的消息不超过8条。消息结构分为消息头(所有消息公共包头)和消息体。消息头包含消息总长度(含消息头及消息体)，命令或响应类型。消息流水号三项内容，分别用16位无符号整数表示。消息按照命令的种类可以分为：“终端请求连接到服务器”、“终端请求连接到服务器响应”；“终端请求拆除连接”、“终端请求拆除连接响应”：“终端请求发送业务数据”、“终端请求发送业务数据响应”；“中心向终端下方发送业务数据”、“中心向终端下方发送业务数据响应”；“链路激活测试”、“链路激活测试响应”五对消息。第二部

17、分协议是终端操作WiFi模块的协议。它通过串口在用户终端设备与WLAN模块之间传输的接口数据，其数据格式及传输机制由相应的接口协议规定。接口数据可以包含控制数据和用户数据两种不同类型。控制数据保证用户终端设备与WLAN模块之间的控制信息传输。其控制命令定义及机制由控制协议规定，这里不详细说明。用户数据是用户私有数据协议由用户自定义，即是本节中的第一部分协议数据。接口数据协议包括同步字段、控制字段、长度字段、帧头校验字段、数据字段和帧结束填充字段。同步字段，一个字节，表示一个数据帧的开始，值固定为“0姓A”。控制字段，一个字节，高7位设为“1”表示此帧中的数据字段包含CRC，且接收方需返回Aek

18、确认；高6位到高4位为数据类型标示，“0”表示DATA是控制数据，“l”表示DATA是普通数据，“2”表示对接收到的前一帧的Aek确认，长度字段必须为0；最后低四位表示帧序号，取值范围015。在数据帧中，如果是重传前一帧，则帧序号保持不变，否则帧序号每次递加l；在Aek确认帧中，帧序号等于其接收到的前一帧的序号。长度字段，两个字节，表示后面的数据字段长度，单位字节数，最大长度1400。 帧头校验字段，一个字节，其计算的方式为控制字段和长度两个字段的8位循环冗余校验和。实际传输的数据，长度不超过1400，如果控制字段中的CRC设为“1”。则数据字段最后一个字节为前面(长度一1)个数据的8位循环冗

19、余校验和。帧结束填充字段。6个字节，其值为6个连续的“0x00”。5测控系统软件设计51控制服务器端软件设计该软件采用Delphi 6编写。通过Socket与控制终端进行基于点到点协议的可靠通信，将控制终端的发送的数据作为输入。通过模糊控制算法输出温度、湿度控制量，再通过无线网络，给各个终端发送相关的温度、湿度控制命令。该软件每隔一定时间(可设置为30s)将温度、湿度和执行机构状态保存到SQL Server 2008数据库中。管理端软件可以通过访问相关数据库查询控制终端的状态。对于管理端软件发出的控制命令。该软件通过数据库缓冲命令队列表定期去执行各种手动控制指令。控制服务器端端口设置为3000

20、。软件运行后启动服务器端Socket，为控制终端提供服务并执行模糊控制算法。能通过Socket给控制终端发送“打开喷水器”、“全开喷水器”、“关闭喷水器”、“全关喷水器”等命令。这些命令通过点到点协议“中心向终端下方发送业务数据”命令下发到各个终端。为了提高自动化控制程度减少手工操作的繁琐但同时不失人工控制的灵活性。因此控制服务器端软件可以工作在两种模式，即自动控制模式和手动控制模式。在自动控制模式下。控制服务器自动按照参数设置执行操作管理各个控制终端，无需人工干预。在手动控制模式下，用户可以直接对各个控制终端进行操作，比如“打开喷水器”和“关闭喷水器”命令等。在此模式下，模糊控制算法停止运行整个系统完全由人工操作。这两种模式的切换可以通个软件操作快速完成。该软件的主界面如图3所示。52监控端软件设计管理端