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一种低成本的温室环境远程监控系统

时间:2015-10-28


一种低成本的温室环境远程监控系统
王官云 ,赵妍彦,邵峥嵘 (北京农业职业学院,北京 102442)
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【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

1 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。

2 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。

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【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) 【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

串口

网关
ADSL 和3G等

边界 路由器

无线 传感网

采集 节点

IO端口 空气温湿度、土壤 湿度、光照强度等 传感器

IO端口

服务器
INTERNET WEB 客户端

继电器 电线 风机、 喷灌等

图 1 系统总体方框图

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。

3 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 2 CC2530 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 IO 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 50Ω 阻抗匹配,差分线部分做了差分 100Ω 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。

4 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 Apache WEB 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。

图 3 WEB 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。

图 4 “device”表样例

图 5 节点采集参数表样例

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 OpenWrt Linux 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 否 序号加一 序号在 列表内? 是 查询节点 温湿度等参数信息



序号在 列表内? 是 是 是否有待 执行的命令? 是 命令发给节点 采集的参数 插入参数表 否

节点2S内 是否回应?



采集参数置NULL 并插入参数表

节点2S内 是否回应? 是



命令状态更 新为timeout

更新命令状态



是否到 10分钟? 是

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=土壤温度值 s_humi=土壤湿度值 a_temp=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。

5 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。

6 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 智能网关 采集节点 WEB 服务器 规格 802.11 协议和 802.15.4 协议 空气土壤温湿度、光照、三路继电器 10 用户租用一台虚拟服务器 价格 200 元/套 200 元/套 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】
[1] 贺婷婷,白皓然,尚书旗,等.基于WEB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. [2] Texas Instruments.CC2530 Data Sheet[DB/OL].(2011-03).http:// www.ti.com. [3] W3School. PHP 教程[DB/OL].(2008-12). http://www.w3school.com.cn /php/index.asp. [4] OpenWrt Wiki[DB/OL]. (2013-04). http://wiki.openwrt.org. [5] Adam Dunkels. Contiki 2.x Reference Manual[DB/OL].(2011-07). http:/ /www.contiki-os.org.


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