基于物联网温室群温湿度监控系统的设计与实现_王蕾.pdf

2016 02 04设计与研发 6 基于物联网温室群温湿度监控系统的设计与实现 王 蕾 伦志新 唐山学院 河北 唐山 063009 摘要 随着物 联网技术的飞速发展 本文针对温室环境控制中的问题 设计了基于物联 网温室群温湿度的监控系统 系统采用 STM32为控制核心 温室环境参数通过ZigBee网络传输给上位机 上位机则通过GSM模块实现对系统的远程控制 本文设计 了树型网络 同时利用LabVIEW实现了用户界面 经现场测试 系统的稳定性较高 满足了设计要求 关键词 温室群 ZigBee LabVIEW GSM 监控系统 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 我国是一个农业大国 提高单位面积的作物的产量 生产优 质农产品是现阶段农业发展的迫切要求 温室大棚是一种可以改 变植物生长环境 根据作物的生长的最佳生长条件 调节温室气 候 能够避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所 是实现 高产 优质农业的一个重要的组成部分 随着物联网技术的发展 温室环境参数的监控方法已由手动控制到自动控制再逐渐变为 无线传感器或无线网络监控 在一定程度上促进了温室农业的发 展 但目前我市温室智能化研究还处于起步阶段 其设备自动化 水平不高 人工操作占主导地位 大棚管理分散 历史记录性差 没有建立温棚群的灌溉管理系统 设备缺少远程监控功能 物联网温室群监控系统 可以定量获取和分析农业环境的多 种参数 实现对环境的多点 多栋环境参数进行监控 其检测目标 可以是温度 湿度 光照 水和土壤空气成分等 通过ZigBee无线 网络通信把各棚的参数汇总到上位机监控端 上位机再通过执行 结构去调节大棚的温度 湿度等参数 从而能对棚内各个环境参 数达到良好的检测 协调控制环境参数 使其环境条件能够适宜 作物的成长 乐亭县万事达农业合作社位于唐山市乐亭县中堡镇 规划 占地面积35000亩 其中核心区占地1000亩 现有30余座育苗 种植温室 本设计选定4栋大棚 利用物联网网络技术设计温室 群温湿度监控系统 随着科技不断进步 我国农业发展正在朝着农业强国行列迈 进 温室大棚是精细农业发展的一个重要组成部分 其不受季节 影响 是实现农作物优质高产的 1 系统体设计方案 温湿度监控系统方案示意图如图1所示 该系统由无线传 感器网络 STM32控制端 上位机监控管理和远程手动管理系统 四部分组成 系统通过分析现场数据驱动执行机构以调节作物生 长 采集参数包括空气温湿 土壤温湿度以及光照等数据 执行机 构包括风机 灌溉阀门和遮阳帘等 ZigBee 无线网络采用树型 网络结构设计主要根据通信协议对终端节点 路由器节点和协 调器节点的软硬件设计 将各个能耗介质终端节点与路由节点 和协调器节点连接 通过STM32嵌入式核心板实各温室环境的 单独监控 协调器实现与上位机用户控制端之间的数据传输 使 用LabVIEW软件设计用户界面 用户可设定参数阈值 查询历史 记录 实现数据的动态管理 从而达到方便用户使用的效果 使用 GSM模块设计远程用户手动控制系统的功能 使该系统具备自动 和手动控制能力 图1 温湿度监控系统方案示意图 2 ZigBee 无线网络设计 项目 2014年唐山市科技支撑项目 项目编号 14120209a 2015年河北省科技支撑项目 项目编号 15227014 DOI 10 16520 ki 1000 8519 2016 04 003 网络出版时间 2016 04 06 15 31 24 网络出版地址 2016 02 04 设计与研发 7 无线网络采用ZigBee协议来负责温室环境参数采集与调 节 本系统由1个协调器 4个路由节点和N个终端节点节点组 成树型无线传感器网络 每个节点的主控芯片为CC2530 它是TI 公司生产的第二代嵌入式 SOC片上系统 具有2 4GHz ISM波段 应用 结合2 4GHz DSSS射频发射核心和8051内核 协调节点是 负责建立网络 协调各节点之间的数据传输和负责与上位机串口 通信 路由节点在数据远距离传输中起到中继作用 它本身也可 以是采集终端 系统无线网络的设计分为硬件设计和软件流程设 计 2 1 网络硬件设计 网络主控板主要由电源电路 USB转串口通信电路和接 口电路组成 接口电路连接核心板与传感器模块或控制模块 并为它们提供电源接口 传感器模块包括传感器和转接板两部 分 主要用于数据采集和传导信息进入主控板 温湿度检测节 点由SHT10采集环境指标 测湿精度为 4 5 测温精度为 0 5 满足设计需求 其采用SMD贴片封装 用两条串行线与 处理器进行数据通信 数据采集完成 经路由器送协调器 完成 一次采集周期 SHT10 设计中 CC2530 的 P0 0 用于 SCK 数据通 信 P0 6用于DATA三态门数据读取连接 光照度检测节点采用 光敏电阻实现 当光照增强电阻减小 然后使用内部集成的A D 转换器把电压变化转化为数字量进行处理 最后经路由器送入协 调器 完成一次数据采集周期 将P0 6设置成特殊功能IO口即 ADC的入口 控制节点负责完成上级指令 主要由4个 5V继电 器 2个双层USB输出接口组成 CC2530通过控制继电器通断 来控制执行器的工作状态 每个温室主要设计通风口 加热器 补 光灯和遮阳帘4类执行器 2 2 节点软件流程设计 本设计软件由三部分组成 其中包括下位机C语言编程 无 线传输模块Zigbee编程 上位机图形语言编程 树型网络结构 包括1个协调器和一系列的路由器与终端节点 设置通信规则 为每个子节点只能和它的父节点或子节点通信 协调器的ZAPP CONFIG PAN ID 设置为 0 xFFFF 同时协调器产生随机 PANID 值 并以此值建网 传感器终端节点负责采集棚内空气 土壤的温湿度 CO2浓 度和光照强度 温湿度节点软件设计流程如图2所示 首先上电 初始化SHT10 其次当终上电成功申请加入无线网络后 寻找协 调器节点并接收指令 开启数据采集指令 并封装数据传输至协 调器 协调器节点软件设计流程图如图3所示 协调器上电后 按 照编译时所定的参数 从而选择合适的信道 合适的网络号 建立 ZigBee无线网络 然后接收终端发送过来的环境参数 通过串口 传输给PC机 图3 协调器节点流程图 3 基于 LabVIEW 用户界面设计 本系统采用LabVIEW软件编写上位机界面 其图形化G语言 代码 便于理解 本设计前界面主要实现实时显示棚内温湿度等 环境参数并且对参数进行数值比较 判断是否在安全阈值之内 如果超过阈值则可通过上位机控制下位机进行温湿度控制 对于 环境可通过数据库进行跟踪 并使用GSM模块对系统进行远程控 制 LabVIEW图像化显示控件按显示方式可分为两大类 趋势图 和波形图 本系统使用的是趋势图中的波形图表 本系统使用了 6个波形图表分别显示空气温湿度 土壤温湿度 空气CO2浓度 图2温湿度传感器节点流程图 2016 02 04设计与研发 8 和光照强度6个传感器终端节点当前数据 LabVIEW用户界面 前面板如图4所示 下位机进行数据采集后通过Zigbee协调器进行无线数据传 输 Zigbee终端将数据通过串口传给上位机 上位机通过串口 配置后即可与终端进行数据传输 通过Instr属性进行判断数据 缓冲区内是否有数据 如果有数据就进行数据读取 本设计规定 的数据传输协议是每次发送和接收10个字节即为一帧 通过设 定 VISA READ 字节为 10 即可每次读取 10 个字节 10 个字节中 前3个为帧头用于判断接收数据是否正确 通过第4个字节判断 后面的字节是温湿度数据还是用户密码数据 串口通信设计如图 5所示 图4 LabVIEW用户界面前面板 本次设计使用的温室记录方法为创建表格方法和数据库方 法 创建表格法将数据信号合并 写入表格 并显示出来 数据库 记录方法使用Access数据库 创建数据源 并将数据写入到数 据记录文件中 并显示出来 数据读取时 在获取数据库文件路 径后 使用 DB Tools Open Connection 打开数据库连接 再使 用 DB Tools Select Data 提取一列数据 然后利用 Database Variant To Data将数据库变量转换为字符串数据类型 然后创 建成数组 以表格形式显示出来 4 结论 本设计是采用物联网无线传感网络技术实现了温室群的温 湿度环境参数的监控系统 系统进行现场测试 运行稳定 操作简 洁 界面友好整洁 便于用户查询温棚环境参数历史数据 今后可 开发手机APP应用软件 即可实现对系统进行实时监测与控制 参考文献 1 何成平 基于无线传感网络的设施农业智能控制系统 J 常 州轻工职业技术学院学报 2009 13 3 9 2 李立杨 王华斌 白凤山 基于 ZigBee 和 GPRS 网路的 温室大棚无线监测系统设计 J 计算机测量与控制 2012 20 12 3148 3150 3 王小强等 ZigBee无线传感器网络设计与实现 M 北京 化 学工业出版社 2012 5 15 4 陈锡辉 LabVIEW 8 20 从入门到精通 M 北京 清华大学 出版社 2007 年 221 226 5 孙月强 基于LabVIEW的蔬菜大棚环境监测系统的研究 D 中国海洋大学 2010 24 30 6 沈建明 基于ZigBee的温室大棚的温湿度检测系统 D 西 安工业大学 2013 24 27 7 伦志新 基于 LabVIEW 和 ZigBee 的温室大棚环境监控系统 的设计 J 电子测试 2014 12 1 2 作者简介 王蕾 1960 女 讲师 硕士学位 研究方向为电子信息工程 图5串口通信设计