徐 欣 李文杰 唐冬雪

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

1 項(xiàng)目背景及目的

隨著工業(yè)發(fā)展需要我國(guó)蔬菜大棚的土壤環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)歷了從無(wú)到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程，其智能化程度也越來(lái)越高，然而我國(guó)的很多地方大棚內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)是應(yīng)用很傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)門來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率又很低準(zhǔn)確度又不高，隨機(jī)性大很不科學(xué)。本文提出了一種基于Wi-Fi技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)Wi-Fi技術(shù)無(wú)線傳輸大棚的環(huán)境信息，解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式存在的問(wèn)題。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。農(nóng)業(yè)園區(qū)蔬菜大棚有著面積大，棚數(shù)多，環(huán)境信息統(tǒng)計(jì)繁瑣的問(wèn)題。采用基于無(wú)線通訊的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可有效改善這一現(xiàn)狀。本文將要研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)以Wi-Fi技術(shù)為基礎(chǔ)的通訊方式，不但可以實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，而且在通訊的安全性，可靠性方面還有所保障，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)無(wú)縫連接等優(yōu)勢(shì)，另外，如果將來(lái)功能拓展的需要，工作人員在農(nóng)業(yè)園區(qū)Wi-Fi覆蓋可直接使移動(dòng)終端接入系統(tǒng)，更適應(yīng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。本文設(shè)計(jì)了基于Wi-Fi技術(shù)的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚溫濕度、二氧化碳參數(shù)的采集、處理和傳輸。該系統(tǒng)主要由2個(gè)環(huán)境測(cè)量節(jié)點(diǎn)和Wi-Fi模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、PC服務(wù)器、路由器、上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。2個(gè)環(huán)境測(cè)量節(jié)點(diǎn)包括1個(gè)溫濕度測(cè)量節(jié)點(diǎn)和1個(gè)二氧化碳測(cè)量節(jié)點(diǎn)。

2）需求分析。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Wi-Fi技術(shù)的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采集層的環(huán)境傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)以Wi-Fi模塊為核心的傳輸層將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層的終端設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的行動(dòng)命令。解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)植物生長(zhǎng)監(jiān)控技術(shù)欠缺的問(wèn)題。本文的研討內(nèi)容是利用傳感器和Wi-Fi技術(shù)對(duì)蔬菜大棚中的溫濕度和二氧化碳進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，并完成硬件搭建工作、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄、上位機(jī)接入與正常運(yùn)作，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在總體設(shè)計(jì)上分為硬件模塊設(shè)計(jì)和上位機(jī)設(shè)計(jì)。硬件部分分為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集蔬菜大棚的環(huán)境因素，它由溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)和二氧化碳傳感器節(jié)點(diǎn)組成。數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到終端服務(wù)器。主要的技術(shù)要點(diǎn)有：1）深層次地對(duì)Wi-Fi模塊的搭建與配置進(jìn)行系統(tǒng)的研究；2）對(duì)監(jiān)測(cè)蔬菜大棚參數(shù)的傳感器進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)與分析；3）對(duì)各個(gè)模塊引腳進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)好硬件搭建與各模塊間接線圖；4）上位機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

3）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)安置在蔬菜大棚內(nèi)，環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)主要由傳感器、控制器和Wi-Fi模塊所組成，其中用到的環(huán)境傳感器包括光照度傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器以及二氧化碳傳感器?？刂破魍ㄟ^(guò)IIC協(xié)議與485協(xié)議等實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)UART口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給Wi-Fi模塊。Wi-Fi模塊、無(wú)線攝像頭、移動(dòng)終端等與Wi-Fi基站建立連接，并由基站通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程PC和移動(dòng)終端的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。其中數(shù)據(jù)采集部分由溫濕度傳感器，二氧化碳傳感器組成。數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)IIC協(xié)議與485協(xié)議等實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)UART口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給Wi-Fi模塊。

2）系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

4 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）上位機(jī)整體設(shè)計(jì)?；赪i-Fi的蔬菜大棚土壤環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心軟件運(yùn)行于監(jiān)控中心的服務(wù)器，采用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。軟件運(yùn)行于51系列控制器中，主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的發(fā)送。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行硬件環(huán)境初始化，讀取節(jié)點(diǎn)編號(hào)后進(jìn)入循環(huán)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，時(shí)間節(jié)奏由STC89C52RC的中斷來(lái)控制，一次觸發(fā)中斷進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，當(dāng)采集60次數(shù)據(jù)后，進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的滑動(dòng)平均濾波處理。為了防止數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中出錯(cuò)，傳輸過(guò)程中引入了循環(huán)冗余校驗(yàn)，即CRC校驗(yàn)。它利用多項(xiàng)式運(yùn)算來(lái)作錯(cuò)誤偵測(cè)。發(fā)送前計(jì)算出CRC值并附在數(shù)據(jù)末端隨數(shù)據(jù)一同發(fā)送給接收端，接收端對(duì)收到的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行多項(xiàng)式運(yùn)算得到CRC的值并與數(shù)據(jù)末端收到的CRC值相比較，若兩個(gè)CRC值不同，則說(shuō)明數(shù)據(jù)通訊出現(xiàn)錯(cuò)誤，其特點(diǎn)是信息字段和校驗(yàn)字段的長(zhǎng)度可以自由選定。

2）上位機(jī)界面設(shè)計(jì)。上位機(jī)的可視化監(jiān)控界面設(shè)計(jì)如圖2所示。上位機(jī)界面主要由以下幾部分構(gòu)成，標(biāo)題欄，菜單欄，工具欄和主要的狀態(tài)欄。

圖2 上位機(jī)界面

標(biāo)題欄是本系統(tǒng)的名字，菜單欄主要包括四部分，文件、串口設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示和關(guān)于。文件部分主要是對(duì)檢測(cè)到的文件進(jìn)行處理，我們可以把檢測(cè)到結(jié)果進(jìn)行保存，以便我們?nèi)蘸筮M(jìn)行分析處理。串口設(shè)置部分主要是為了PC機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行串口連接時(shí)的設(shè)置，通過(guò)這一功能我們可以設(shè)置使用那個(gè)串口，使用的波特率是多少。數(shù)據(jù)顯示顧名思義用于顯示系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。工具欄這一部分，主要是用來(lái)選擇好的串口和波特率等。

在狀態(tài)欄主要分為三大部分，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩部分。數(shù)據(jù)發(fā)送部分主要是向下發(fā)送檢測(cè)命令，數(shù)據(jù)接收部分是接收單片機(jī)傳輸上來(lái)的數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)。

5 總結(jié)

該系統(tǒng)采用了傳感器采集環(huán)境參數(shù)，通過(guò)Wi-Fi模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到終端，用戶可在終端查詢到大棚環(huán)境情況，有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)中溫室監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程布線的困難的問(wèn)題，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端具有易擴(kuò)展及使用便捷性的特點(diǎn)，用戶可隨時(shí)隨地通過(guò)Wi-Fi連入系統(tǒng)查看大棚各環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)具有抗干擾、低功耗級(jí)低成本的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)具有運(yùn)行穩(wěn)定、顯示流暢、數(shù)據(jù)清晰等優(yōu)點(diǎn)，為農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了更有效、更有力的解決方案。采用該方案設(shè)計(jì)的蔬菜大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，性價(jià)比高，維護(hù)方便，通用性和可擴(kuò)展性好，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。