基于物聯(lián)網(wǎng)溫室群溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)_王蕾.pdf

2016 02 04設計與研發(fā) 6 基于物聯(lián)網(wǎng)溫室群溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 王 蕾 倫志新 唐山學院 河北 唐山 063009 摘要 隨著物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展 本文針對溫室環(huán)境控制中的問題 設計了基于物聯(lián) 網(wǎng)溫室群溫濕度的監(jiān)控系統(tǒng) 系統(tǒng)采用 STM32為控制核心 溫室環(huán)境參數(shù)通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸給上位機 上位機則通過GSM模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制 本文設計 了樹型網(wǎng)絡 同時利用LabVIEW實現(xiàn)了用戶界面 經(jīng)現(xiàn)場測試 系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高 滿足了設計要求 關(guān)鍵詞 溫室群 ZigBee LabVIEW GSM 監(jiān)控系統(tǒng) Design of Implementation System of Greenhouse group Temperature and Humidity Monitoring System Based on Internet of Things Wang Lei Lun Zhixin Tangshan College Tang Shan 063009 Abstract The internet things technology rapid development According to greenhouse environment control problem this paper designed a system based on Internet of things for monitoring greenhouse group temperature and humidity STM32 was used as the core processor The data finally was transferred to PC by ZigBee wireless transmission network and the PC through GSM module to realize the remote control of the system This paper designed a tree network and system realized user interface for LabVIEW It was proved that the stability and reliability of the system meet the requirements Keywords greenhouse group ZigBee LabVIEW GSM monitoring system 我國是一個農(nóng)業(yè)大國 提高單位面積的作物的產(chǎn)量 生產(chǎn)優(yōu) 質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切要求 溫室大棚是一種可以改 變植物生長環(huán)境 根據(jù)作物的生長的最佳生長條件 調(diào)節(jié)溫室氣 候 能夠避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊?是實現(xiàn) 高產(chǎn) 優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)的一個重要的組成部分 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展 溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控方法已由手動控制到自動控制再逐漸變?yōu)?無線傳感器或無線網(wǎng)絡監(jiān)控 在一定程度上促進了溫室農(nóng)業(yè)的發(fā) 展 但目前我市溫室智能化研究還處于起步階段 其設備自動化 水平不高 人工操作占主導地位 大棚管理分散 歷史記錄性差 沒有建立溫棚群的灌溉管理系統(tǒng) 設備缺少遠程監(jiān)控功能 物聯(lián)網(wǎng)溫室群監(jiān)控系統(tǒng) 可以定量獲取和分析農(nóng)業(yè)環(huán)境的多 種參數(shù) 實現(xiàn)對環(huán)境的多點 多棟環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控 其檢測目標 可以是溫度 濕度 光照 水和土壤空氣成分等 通過ZigBee無線 網(wǎng)絡通信把各棚的參數(shù)匯總到上位機監(jiān)控端 上位機再通過執(zhí)行 結(jié)構(gòu)去調(diào)節(jié)大棚的溫度 濕度等參數(shù) 從而能對棚內(nèi)各個環(huán)境參 數(shù)達到良好的檢測 協(xié)調(diào)控制環(huán)境參數(shù) 使其環(huán)境條件能夠適宜 作物的成長 樂亭縣萬事達農(nóng)業(yè)合作社位于唐山市樂亭縣中堡鎮(zhèn) 規(guī)劃 占地面積35000畝 其中核心區(qū)占地1000畝 現(xiàn)有30余座育苗 種植溫室 本設計選定4棟大棚 利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡技術(shù)設計溫室 群溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 隨著科技不斷進步 我國農(nóng)業(yè)發(fā)展正在朝著農(nóng)業(yè)強國行列邁 進 溫室大棚是精細農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要組成部分 其不受季節(jié) 影響 是實現(xiàn)農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的 1 系統(tǒng)體設計方案 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)方案示意圖如圖1所示 該系統(tǒng)由無線傳 感器網(wǎng)絡 STM32控制端 上位機監(jiān)控管理和遠程手動管理系統(tǒng) 四部分組成 系統(tǒng)通過分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)以調(diào)節(jié)作物生 長 采集參數(shù)包括空氣溫濕 土壤溫濕度以及光照等數(shù)據(jù) 執(zhí)行機 構(gòu)包括風機 灌溉閥門和遮陽簾等 ZigBee 無線網(wǎng)絡采用樹型 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計主要根據(jù)通信協(xié)議對終端節(jié)點 路由器節(jié)點和協(xié) 調(diào)器節(jié)點的軟硬件設計 將各個能耗介質(zhì)終端節(jié)點與路由節(jié)點 和協(xié)調(diào)器節(jié)點連接 通過STM32嵌入式核心板實各溫室環(huán)境的 單獨監(jiān)控 協(xié)調(diào)器實現(xiàn)與上位機用戶控制端之間的數(shù)據(jù)傳輸 使 用LabVIEW軟件設計用戶界面 用戶可設定參數(shù)閾值 查詢歷史 記錄 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)管理 從而達到方便用戶使用的效果 使用 GSM模塊設計遠程用戶手動控制系統(tǒng)的功能 使該系統(tǒng)具備自動 和手動控制能力 圖1 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)方案示意圖 2 ZigBee 無線網(wǎng)絡設計 項目 2014年唐山市科技支撐項目 項目編號 14120209a 2015年河北省科技支撐項目 項目編號 15227014 DOI 10 16520 ki 1000 8519 2016 04 003 網(wǎng)絡出版時間 2016 04 06 15 31 24 網(wǎng)絡出版地址 2016 02 04 設計與研發(fā) 7 無線網(wǎng)絡采用ZigBee協(xié)議來負責溫室環(huán)境參數(shù)采集與調(diào) 節(jié) 本系統(tǒng)由1個協(xié)調(diào)器 4個路由節(jié)點和N個終端節(jié)點節(jié)點組 成樹型無線傳感器網(wǎng)絡 每個節(jié)點的主控芯片為CC2530 它是TI 公司生產(chǎn)的第二代嵌入式 SOC片上系統(tǒng) 具有2 4GHz ISM波段 應用 結(jié)合2 4GHz DSSS射頻發(fā)射核心和8051內(nèi)核 協(xié)調(diào)節(jié)點是 負責建立網(wǎng)絡 協(xié)調(diào)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸和負責與上位機串口 通信 路由節(jié)點在數(shù)據(jù)遠距離傳輸中起到中繼作用 它本身也可 以是采集終端 系統(tǒng)無線網(wǎng)絡的設計分為硬件設計和軟件流程設 計 2 1 網(wǎng)絡硬件設計 網(wǎng)絡主控板主要由電源電路 USB轉(zhuǎn)串口通信電路和接 口電路組成 接口電路連接核心板與傳感器模塊或控制模塊 并為它們提供電源接口 傳感器模塊包括傳感器和轉(zhuǎn)接板兩部 分 主要用于數(shù)據(jù)采集和傳導信息進入主控板 溫濕度檢測節(jié) 點由SHT10采集環(huán)境指標 測濕精度為 4 5 測溫精度為 0 5 滿足設計需求 其采用SMD貼片封裝 用兩條串行線與 處理器進行數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)采集完成 經(jīng)路由器送協(xié)調(diào)器 完成 一次采集周期 SHT10 設計中 CC2530 的 P0 0 用于 SCK 數(shù)據(jù)通 信 P0 6用于DATA三態(tài)門數(shù)據(jù)讀取連接 光照度檢測節(jié)點采用 光敏電阻實現(xiàn) 當光照增強電阻減小 然后使用內(nèi)部集成的A D 轉(zhuǎn)換器把電壓變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字量進行處理 最后經(jīng)路由器送入?yún)f(xié) 調(diào)器 完成一次數(shù)據(jù)采集周期 將P0 6設置成特殊功能IO口即 ADC的入口 控制節(jié)點負責完成上級指令 主要由4個 5V繼電 器 2個雙層USB輸出接口組成 CC2530通過控制繼電器通斷 來控制執(zhí)行器的工作狀態(tài) 每個溫室主要設計通風口 加熱器 補 光燈和遮陽簾4類執(zhí)行器 2 2 節(jié)點軟件流程設計 本設計軟件由三部分組成 其中包括下位機C語言編程 無 線傳輸模塊Zigbee編程 上位機圖形語言編程 樹型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 包括1個協(xié)調(diào)器和一系列的路由器與終端節(jié)點 設置通信規(guī)則 為每個子節(jié)點只能和它的父節(jié)點或子節(jié)點通信 協(xié)調(diào)器的ZAPP CONFIG PAN ID 設置為 0 xFFFF 同時協(xié)調(diào)器產(chǎn)生隨機 PANID 值 并以此值建網(wǎng) 傳感器終端節(jié)點負責采集棚內(nèi)空氣 土壤的溫濕度 CO2濃 度和光照強度 溫濕度節(jié)點軟件設計流程如圖2所示 首先上電 初始化SHT10 其次當終上電成功申請加入無線網(wǎng)絡后 尋找協(xié) 調(diào)器節(jié)點并接收指令 開啟數(shù)據(jù)采集指令 并封裝數(shù)據(jù)傳輸至協(xié) 調(diào)器 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計流程圖如圖3所示 協(xié)調(diào)器上電后 按 照編譯時所定的參數(shù) 從而選擇合適的信道 合適的網(wǎng)絡號 建立 ZigBee無線網(wǎng)絡 然后接收終端發(fā)送過來的環(huán)境參數(shù) 通過串口 傳輸給PC機 圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖 3 基于 LabVIEW 用戶界面設計 本系統(tǒng)采用LabVIEW軟件編寫上位機界面 其圖形化G語言 代碼 便于理解 本設計前界面主要實現(xiàn)實時顯示棚內(nèi)溫濕度等 環(huán)境參數(shù)并且對參數(shù)進行數(shù)值比較 判斷是否在安全閾值之內(nèi) 如果超過閾值則可通過上位機控制下位機進行溫濕度控制 對于 環(huán)境可通過數(shù)據(jù)庫進行跟蹤 并使用GSM模塊對系統(tǒng)進行遠程控 制 LabVIEW圖像化顯示控件按顯示方式可分為兩大類 趨勢圖 和波形圖 本系統(tǒng)使用的是趨勢圖中的波形圖表 本系統(tǒng)使用了 6個波形圖表分別顯示空氣溫濕度 土壤溫濕度 空氣CO2濃度 圖2溫濕度傳感器節(jié)點流程圖 2016 02 04設計與研發(fā) 8 和光照強度6個傳感器終端節(jié)點當前數(shù)據(jù) LabVIEW用戶界面 前面板如圖4所示 下位機進行數(shù)據(jù)采集后通過Zigbee協(xié)調(diào)器進行無線數(shù)據(jù)傳 輸 Zigbee終端將數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機 上位機通過串口 配置后即可與終端進行數(shù)據(jù)傳輸 通過Instr屬性進行判斷數(shù)據(jù) 緩沖區(qū)內(nèi)是否有數(shù)據(jù) 如果有數(shù)據(jù)就進行數(shù)據(jù)讀取 本設計規(guī)定 的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是每次發(fā)送和接收10個字節(jié)即為一幀 通過設 定 VISA READ 字節(jié)為 10 即可每次讀取 10 個字節(jié) 10 個字節(jié)中 前3個為幀頭用于判斷接收數(shù)據(jù)是否正確 通過第4個字節(jié)判斷 后面的字節(jié)是溫濕度數(shù)據(jù)還是用戶密碼數(shù)據(jù) 串口通信設計如圖 5所示 圖4 LabVIEW用戶界面前面板 本次設計使用的溫室記錄方法為創(chuàng)建表格方法和數(shù)據(jù)庫方 法 創(chuàng)建表格法將數(shù)據(jù)信號合并 寫入表格 并顯示出來 數(shù)據(jù)庫 記錄方法使用Access數(shù)據(jù)庫 創(chuàng)建數(shù)據(jù)源 并將數(shù)據(jù)寫入到數(shù) 據(jù)記錄文件中 并顯示出來 數(shù)據(jù)讀取時 在獲取數(shù)據(jù)庫文件路 徑后 使用 DB Tools Open Connection 打開數(shù)據(jù)庫連接 再使 用 DB Tools Select Data 提取一列數(shù)據(jù) 然后利用 Database Variant To Data將數(shù)據(jù)庫變量轉(zhuǎn)換為字符串數(shù)據(jù)類型 然后創(chuàng) 建成數(shù)組 以表格形式顯示出來 4 結(jié)論 本設計是采用物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)了溫室群的溫 濕度環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng) 系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試 運行穩(wěn)定 操作簡 潔 界面友好整潔 便于用戶查詢溫棚環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù) 今后可 開發(fā)手機APP應用軟件 即可實現(xiàn)對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測與控制 參考文獻 1 何成平 基于無線傳感網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)智能控制系統(tǒng) J 常 州輕工職業(yè)技術(shù)學院學報 2009 13 3 9 2 李立楊 王華斌 白鳳山 基于 ZigBee 和 GPRS 網(wǎng)路的 溫室大棚無線監(jiān)測系統(tǒng)設計 J 計算機測量與控制 2012 20 12 3148 3150 3 王小強等 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計與實現(xiàn) M 北京 化 學工業(yè)出版社 2012 5 15 4 陳錫輝 LabVIEW 8 20 從入門到精通 M 北京 清華大學 出版社 2007 年 221 226 5 孫月強 基于LabVIEW的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究 D 中國海洋大學 2010 24 30 6 沈建明 基于ZigBee的溫室大棚的溫濕度檢測系統(tǒng) D 西 安工業(yè)大學 2013 24 27 7 倫志新 基于 LabVIEW 和 ZigBee 的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) 的設計 J 電子測試 2014 12 1 2 作者簡介 王蕾 1960 女 講師 碩士學位 研究方向為電子信息工程 圖5串口通信設計