1、基 于 WIFI 的智能温室监控系统设计马增炜 ， 马锦儒 ， 李亚敏( 河北农业大学 机电工程学院 人工智能研究中心 ， 河北 保定 071001)摘 要 : 设计了一套以集成了 WIFI 功能和 ARM 内核的 SoC 芯片 GS1010 为核心的智能温室环境控制系统 ， 实现了通过无线网络对智能温室内温湿度 、光照和 CO2浓度的监测与调控 。监控系统将采集到的数据进行汇总 、显示和记录 ， 自动生成数据库 ， 实现了温室设备的自动控制和远程遥控 。整个系统操作简单 ， 经济适用 ， 控制精度完全达到要求 ， 并且接线灵活 ， 方便与现有的有线以太网络整合 。关键词 : 智能温室 ; 监
2、测 ; 控制 ; WIFI; GS1010中图分类号 : TP274+2; S126 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 188X( 2011) 02 0154 040 引言目前 ， 我国传统农业处于向优质 、高效和高产的现代化农业转化过程中 ， 温室栽培体现了现代农业发展的方向 。依靠先进的科学技术 ， 对温室内的环境因素进行监测和控制 ， 才能给温室内的作物提供最佳的生长环境 ， 而现在的温室控制系统大多是 PLC 温室控制和现场总线控制 ， 这些系统存在操作不方便 、接线不灵活和成本过高等缺点 。为此 ， 设计了基于 WIFI的智能温室控制系统 ， 传感器系统采集系统参量与需要的
3、参量值进行对照 ， 并采用相应的算法进行计算后输出 ， 对加热系统 、降温系统 、加湿系统 、通风系统 、光照系统和二氧化碳喷施系统等进行控制 。温室控制系统以上位机作为监控系统 ， 上位机与下位机采用无线连接 ， 从而实现更灵活的接线 。监控系统将采集到的数据进行汇总 、显示和记录 ， 自动生成数据库 ， 实现了温室设备的自动控制和远程遥控 。1 WIFI 介绍WIFI( Wireless Fidelity) 技术即 IEEE/802 11 协议 ， WIFI 无线网络是由 AP( Access Point) 和无线网卡组成的无线网络 ， 组网方式较为简单 ， 主要技术优点是无线接入 、高速
4、传输以及传输距离远 。其中 ， IEEE802 11a 与 IEEE 802 11g 的最高速度为 54Mbps， 在开放性区域通讯距离可达 305m， 在封闭性区域通讯距收稿日期 : 2010 04 13作者简介 : 马增炜 ( 1983 ) ， 男 ， 河北邯郸人 ， 在读硕士研究生 ，( E mail) zorrer12 126 com 。通讯作者 : 李亚敏 ( 1958 ) ， 男 ， 河北保定人 ， 教授 ， 博士 ，( E mail)liym545 hebau edu cn。离为 76 122m， 方便与现有的有线以太网整合 ， 组网的成本更低 1。WIFI 设备使用的频段为 2
5、4 2483 5GHz的免许可频段 ， 在频率资源上不存在限制 ， 因此使用成本低廉也成为了 WIFI 技术的又一大优势 。通常将AP 称为网络桥接器或接入点 ， 将能搜索到 WIFI 网络的地方称为热点区域 ， 任何一个装有无线网卡的终端进入 WIFI 覆盖区域均可以通过 AP 来无线高速接入英特网 。与目前国内已经比较普及的 802 15 4 标准和 ZigBee 网络比较 ， WIFI 是更成熟的技术 ， 在设备互操作上具备明显优势 。2 系统总体设计以 GS1010 模块为核心 ， 组成温度采集和控制操作的终端 ， 用于温度和湿度等数据的采集 、存储和传送 ， 并执行控制指令 。下位机
6、传感器系统采集系统控制的参量 ， 对数据进行处理后输出控制信号到执行器 。以 PC 机为上位机 ， 负责对各终端机采集到的温度数据进行汇总和分析 ， 发送控制指令 。用户可以直接通过上位机设定下位机的控制参数 ， 如图 1 所示 。图 1 系统结构4512011 年 2 月 农 机 化 研 究 第 2 期3 系统硬件设计及原理系统硬件以 GS1010 低功耗模块为核心 ， 包括基本供电电路 、人机接口部分 、传感器采集部分以及输出控制部分 ， 基本结构如图 2 所示 。图 2 温度控制器硬件框图31 系统核心模块系统以 GainSpain 公司设计的 SoC 芯片 GS1010为核心 ， 包含
7、一个 802 11 射频前端 、媒体控制器( MAC) 和基带处理器 、片上 FLASH、片上 SRAM 以及1 个 ARM 核处理器 。为了加快进度 ， 设计采用成都无线龙通讯科技有限公司设计的 GS1010 低功耗模块 ，其主要特性如下 : 无线协议 : IEEE 802 11 b/g 兼容 ;射频工作频率 : 2 4 2 497 GHZ; 实时时钟控制器 /看门狗 定 时 器 ， 可编程事件报警定时器 ; I/O 口 :GPIO， UART， I2C， SPI， PWM， ADC; 安全机制 ( 80211i) : 共享密钥身份验证 ( WPA2 PSK) ， AES 硬件加密 ; 标准
8、 : 802 11i/k/e/d ， IEEE1588 2。模块供电电源是 1 8V， 看门狗工作电池电压是 1 2 3 6V， 应用处理器 32 位 ARM 单片机 ， 工作时钟频率 44MHz; 实时时钟震荡周期 32kHz。32 温度和湿度采集模块温湿度传感器采用国产数字化的 DHT21。它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器 ，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 ， 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性 。传感器包括一个电容式感湿元件和一个 NTC 测温元件 ，该产品具有品质卓越 、超快响应 、抗干扰能力强 、性价比极高等优点 。校准系数以程序的形式储存在 OT
9、P内存中 ， 传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数 。单线制串行接口使系统集成变得简易 、快捷 。超小的体积 ， 极低的功耗 ， 信号传输距离可达 20m 以上 。DHT21 为 4 针单排引脚封装 ， 连接方便 ，供电电压 5V， 温度分辨率 01， 16bit， 精度 05， 测量范围 20 60。湿度分辨率 0 1% RH， 精度 3%RH( 温度在 25) ， 5% RH( 温度在 0 50) ，可以替代 SHT10 和 SHT11。接线如图 3 所示 。图 3 DHT21 接线图33 光照采集模块光照传感器选用 on9658， 它是一个光电集成传感器 ， 暗电流小 ，
10、低照度响应 ， 灵敏度高 ， 电流随光照度增强呈线性变化 ; 内置双敏感元接收器 ， 自动衰减近红外 ， 光谱响应接近人眼函数曲线 ; 内置微信号 CMOS放大器 、高精度电压源和修正电路 ， 输出电流大 ， 工作电压范围宽 ， 温度稳定性好 ; 可选光学纳米材料封装 ，可见光透过 ， 紫外线截止 ， 近红外相对衰减 ， 增强了光学滤波效果 。典型入射波长为 p= 520nm， 可见光范围内高度敏感 。研究表明 ， 波长为 400 520nm( 蓝 )的光照对叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大 ， 对光合作用影响最大 ， 所以 on9658 相对于典型波长为 800nm左右光敏二极管测量更准确 。
11、On9658 工作电压 Vdd为2 4 12V， 响应时间为 2s; 温度范围 20 75。接线如图 4 所示 。图 4 On9659 接线图34 CO2浓度采集模块CO2浓度的采集选择国产的 MG811 型 CO2气体传感器 。半导体气体传感器采用金属氧化物半导体烧结工艺 ， 对被检测的检测气体具有灵敏度高 、响应时间短 、成本低 、长期稳定性好等优点 。小尺寸 ， 低成本 ; 长寿命 ， 低功耗 ; 对 CO2气体具有高选择性 ; 测量范围 : 0 10 000 106; 响应时间小于 60s; 恢复时间小于 90s。由于需要外接加热电路 ， 需要较高的功率 。元件测量时 ， 放大器阻抗必
12、须在 100 1 000G 之间 ，5512011 年 2 月 农 机 化 研 究 第 2 期测试电流应控制在 1pA 以下 ， 电压信号再经过滤波和放大 3， 直接与 GS1010 模块的 A/D 转换接口相连接 。35 人机接口模块人机接口选用 ZLG7290 芯片是周立功公司针对仪器仪表行业的需要自行研制的一款芯片 。在具体应用过程中 ， 它接收所要显示的数据 ， 并将其显示在LED 显示器上 。该芯片能自动完成 8 位 LED 数码管的动态扫描和 ( 最多 ) 64 按键检测扫描 。该器件本身只需 2 根线就可与 GS1010 模块的实现接口 ， 硬件连接简便 ， 软件编程容易 。尤其
13、用在 CPU 担负繁忙数据处理任务的系统中 ， 可节省 CPU 用于显示扫描的时间 ， 更显出其优越性 。I2C 串行接口提供键盘中断信号 ， 方便与处理器接口 ; 可驱动 8 位共阴数码管或 64只独立 LED 和 64 个按键 ; 无需外接元件即直接驱动LED， 可扩展驱动电流和驱动电压 。系统需要 16 只按键和 8 位 LED 显示 ， 接线如图 5 所示 。图 5 ZLG7290 接线图4 系统软件设计系统的软件部分主要包括上位机软件系统和下位机软件系统 。其中 ， 下位机程序主要是在实时操作系统上建立的数据采集部分 、算法处理部分 、数据通信部分及人机接口部分 ; 上位机软件系统主
14、要包括通信模块和数据库模块 。41 下位机软件所设计的下位机软件系统是在实时操作系统 uC/OS 的支持下构建的 。uC/OS II 只是一个实时操作系统内核 ， 它仅仅包含了任务调度 、任务管理 、时间管理 、内存管理 、任务间的通信和同步等基本功能 。没有提供输入输出管理 、文件系统和网络等额外的服务 4。uC/OS 良好的可扩展性和源码开放 ， 根据需要对相关 ARM 源代码进行修改 ， 包括改变传送间隔 、增加传感器和增加外设等 。411 数据采集部分不同传感器使用各自的驱动程序 ， 包括温湿度传感器 ( 其中 DHT21 的时序是必须要注意的 ) 、光敏传感器以及 CO2浓度传感器数
15、据的读取 。根据传感器的响应时间 ， 设定 CPU 芯片内的定时器在不同时间中断 ， 采集数据 ， 并将数据存储在指定存储器中 。412 算法处理部分为排除干扰因素的影响 ， 采用了平均滤波法 ， 对采集到的数据进行筛选 ， 忽略异常数据 ， 并对采集的数据和前 4 次采集到的数据取平均值 。研究表明 ， 温室作物的生长并不是取决于某一时刻的温度 ， 而主要取决于在一个时间段中的平均温度水平 。系统并不设置一个固定的温度值 ， 温室中的温度在最高和最低温度范围内可进行变动 ， 以求在一个较长的时间段内达到理想的平均温度 。根据作物种类和习性的不同 ， 温室内各个时间段需要调节稳定在不同的温度
16、， 一般都要求晚上的温度比白天低些 。白天温度高些有利于养分的制造 ， 夜间温度低些可以减少养分的消耗 ， 有利于养分积累 。为此 ， 用实时时钟定时在不同的时间段选择 ， 不同的控6512011 年 2 月 农 机 化 研 究 第 2 期制策略 。计算机可以根据室外的气候 ， 在使用最低能耗 、充分利用温室中的现有设备的情况下进行调节 ，合理对加热系统 、降温系统 、加湿系统 、通风系统 、光照系统以及二氧化碳喷施系统等进行控制 。程序结构如图 6 所示 。图 6 数据处理程序框图413 数据通信部分系统有两套并行的通信接口 ， 即串行接口和无线网络接口 。串口在调试程序的时候可以作为控制端
17、输入命令 ， 在现场应用时也可以作为通信接口传送命令和数据 ， 以便用户根据实际情况灵活接线 。上位机发送命令到测控终端 ， 测控终端接收后 ， 判断是发送存储的温度数据还是改变控制参数 ， 实现数据采样收集和现场控制的目标 。上位机完成对各点温度的记录 ， 便于统一管理 ; 下位机将各个时间段的温湿度数据和操作器的状态等数据存储在 GS1010 模块的内存中 ， 每隔一定时间向上位机传送一次 ， 这样可以减少网络负担 。网络接口程序的编写可以调用 GS1010 模块附赠的 API， 完成对网络协议栈和 WIFI 网络传输的全部控制功能 。网络通信程序使用 TCP/IP 协议下的流式套接字 (
18、 Stream Socket) 编写 。Socket 是网络通信的基本单元 ， 它提供了不同主机间进程双向通信的端点 。常用的套接字有两种 ， 即流式套接字和数据报套接字 5。任务通过对 Socket 的读 /写操作实现网络通信功能 ， 系统为了可靠地面向连接的通信数据流和无错误的传输 ， 选用流式套接字 。42 上位机软件设上位机是整个系统的管理核心 ， 主要由数据库管理和通信管理等功能模块组成 。采用 Microsoft VisualBasic 6 0 编译上位机程序 ， 采用数据库管理系统 SQLSEVER 2000 数据管理 。421 数据库建立温室作物生长数据库 ， 包括设计温室环境
19、历史记录数据表 ， 存储每天温室的各种环境参数 ; 设计温室控制信息状态表 ， 存储每天温室设备的开启及停止时间和运行状态 ; 设计温室作物生长状态表 ， 存储作物的生长状态 ， 以便根据不同状态采取不同的控制参数 ; 设计专家数据表 ， 存储专家数据为作物的控制决策提供依据 。422 通信功能设计基于网络的远程通信子程序和基于串口的通信子程序 ， 应用控件 Winsock( 在 TCP、UDP 的协议基础上 ) 实现基于 IEEE/802 11b 的无线通信子程序设计 ， 使用 SocketWrench 控件发送和接收 TCP/IP 协议包 ， 应用 MSComm 控件通过串行端口传输和接收
20、数据 ， 用户选择应用网络或者串口通信 。5 结论目前 ， 温室监测和控制系统正向网络化 、分布式智能控制以及生物信息的获取与处理等方向发展 ， 无线网络以其独特的优势成为自动控制领域的研究热点 。本文讨论了一个基于 GS1010 模块的智能温室测控系统的设计与实现 。该系统是一种低成本的远程温度监控系统 ， 充分发挥了 ARM 芯片相对 8/16 位单片机的优势 ， 更好地实现了基于无线网络的温度远程监测和控制 。系统设计功能齐全 、操作简单 、便于扩展 ， 有一定的应用推广价值 。参考文献 : 1 唐雄燕 宽带无线接入技术及应用 M 北京 : 电子工业出版社 ， 2006: 40 2 Da
21、le Hitt GainSpan WXL Wi Fi 2008 pdf EB /OL 2010 04 02 http: / /www c51rf com 3 苏全义 ， 李庆东 ， 何培祥 ， 等 基于 PIC 单片机的智能温室环境控制系统 J 农机化研究 ， 2009， 31 ( 12) : 187 4 任哲 嵌入式实时操作系统 UC/OS II 原理及应用 ( 2版 ) M 北京 : 电子工业出版社 ， 2009: 42 44 5 李岩 基于 ARM 嵌入式 uCLinux 系统原理及应用 M 北京 : 清华大学出版社 ， 2009: 232 ( 下转第 162 页 )7512011 年
22、2 月 农 机 化 研 究 第 2 期无线遥感监测 、水文气象监控 、机器人控制以及无线RS485/RS232 数据通信等诸多领域 。5 结论我国西南地区地势不平 ， 应用普适农业系统时会遇到传感器网络覆盖范围较小的问题 。Si4432 模块可以达到 2 000m 的传输距离 ， 且不需要外部放大电路 ， 具有功耗较低 、穿透力强 、使用简单 ( 软件配置寄存器值 ) 和通信误码率低 ( 传输速率小于 100 kbps) 等特点 。该系统将 Si4432 模块应用于普适农业系统 ， 经过实验证明工作可靠 、稳定 ， 具有很好的通用性 ， 稍做改动就可以应用到工业数据采集 、生物信号采集和无线遥
23、控等其他一些的无线通信领域 ， 具有较高的市场应用价值 ， 为覆盖范围较大的无线数据传输提供了一个很好的解决方案 。参考文献 : 1 徐显荣 ， 高清维 一种用于农业环境监测的无线传感器网络设计 J 传感器与微系统 ， 2009( 7) : 98 100 2 郑锴 ， 童利标 一种无线传感器网络节点硬件结构设计 J 仪表技术与传感器 ， 2009( 9) : 78 80 3 杜晓明 ， 陈岩 无线传感器网络在温室农业监测中的应用 J 农机化研究 ， 2009， 31( 6) : 141 144 4 何科百 ， 马正华 无线传感器网络在环境监测中的应用 J 环境监测管理与技术 ， 2009( 4
24、) : 60 62 5 李迎春 ， 张佑生 基于 GSM 短消息在无线数据采集与监控中的应用 J 计算机工程与应用 ， 2OO4( 3) : 213 215 6 樊建明 ， 陈渊睿 基于 SHT11 的温室多点测量系统设计 J 国外电子测量技术 ， 2006， 25( 11) : 3 8 7 施长浩 铁电存储器 FM31256 的特性及应用 J 国外电子元器件 ， 2005( 6) : 75Facility Agriculture Intelligent Control System Based on Pervasive ComputingZhao Hua， Wang Sangenb， Wan
25、g Jiyuana( Southwest University a College of Engineering Technology; b College of Agronomy and Biotechnology，Chongqing 400716， China)Abstract: A new design of Pervasive Agriculture System Based on Si4432 has been accomplished by Southwest Universityaimed to solve the problem of WSN( Wireless Sensor
26、Network) ， where the transmission distance is close and the force ofpenetration is week The System include control center and sensor nodes， every sensor node is make up of PIC16F877A，Si4432 and SHT10 The control center is used to receive， show， store and send information Test shows that the systemtr
27、ansmit data distantly and strongly and the bit error rate are low， it can be widly used in WSNKey words: Si4432; Pervasive agriculture system; SHT10; PIC16F877A; sensor nodes( 上接第 157 页 )Abstract ID: 1003 188X( 2011) 02 0154 EAIntelligent Greenhouse Monitoring and Control System Design Based onWirel
28、ess FidelityMa Zengwei， Ma Jinru， Li Yamin( Mechanical and Electric Engineering， Agricultural University of Hebei， Baoding 071001， China)Abstract: This paper designed a greenhouse monitoring and control system requirements based on GS1010 module，which SoC chip integrated WIFI and ARM is System monit
29、oring and control on greenhouse temperature， humidity， lightand CO2 concentration through the wireless network Monitoring system make the gathered data to collect， display， re-cord， auto make database， achieved automatic control and remote control System easy， inexpensive， control precisionachieve the requirements， flexible wiring， easy expand into integration of wired EthernetKey words: intelligent greenhouse; monitoring; control; WIFI; GS10102612011 年 2 月 农 机 化 研 究 第 2 期
