基于WIFI的智能温室监控系统设计

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

摘

071001）

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，控制精度示和记录，

并且接线灵活，方便与现有的有线以太网络整合。完全达到要求，

关键词：智能温室；监测；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）02－0154－04

0引言

目前，我国传统农业处于向优质、高效和高产的

离为76～122m，方便与现有的有线以太网整合，组网

［1］

的成本更低。WIFI设备使用的频段为2．4～2．4835GHz

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WIFI是更成熟的技术，和ZigBee网络比较，在设备互操作上具备明显优势。

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。

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

。

1WIFI介绍

WIFI（WirelessFidelity）技术即IEEE/802．11协

WIFI无线网络是由AP（AccessPoint）和无线网卡议，

组成的无线网络，组网方式较为简单，主要技术优点IEEE高速传输以及传输距离远。其中，是无线接入、

802．11a与IEEE802．11g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

（E－作者简介：马增炜（1983－），男，河北邯郸人，在读硕士研究生，

mail）zorrer12@126．com。

（E－mail）通讯作者：李亚敏（1958－），男，河北保定人，教授，博士，

liym545@hebau．edu．cn。

图1系统结构

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

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

。

人机接口部分、传感器采集部分以及输本供电电路、

出控制部分，基本结构如图2所示

。

图3DHT21接线图

3．3光照采集模块

光照传感器选用on9658，它是一个光电集成传感

图2温度控制器硬件框图

器，暗电流小，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，增强了光可见光范学滤波效果。典型入射波长为λp=520nm，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。On9658工作电压Vdd为2．4～12V，响应时间为2μs；温度范围－20～75℃。接线如图4所示

。

3．1系统核心模块

系统以GainSpain公司设计的SoC芯片GS1010

为核心，包含一个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：IEEE802．11b/g兼容；射频工作频率：2．4～2．497GHZ；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（802．11i）：共享密钥身份验证（WPA2－PSK），AES硬件加IEEE1588［2］。模块供电电密；标准：802．11i/k/e/d，

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。3．2

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OTP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，16bit，供电电压5V，温度分辨率0．1℃，精度±0．5℃，测量范围－20℃～60℃。湿度分辨率0．1%RH，精度±

图4On9659接线图

3．4

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

－6

范围：0～10000×10；响应时间小于60s；恢复时间

需要较高的功率。小于90s。由于需要外接加热电路，

元件测量时，放大器阻抗必须在100～1000GΩ之间，

测试电流应控制在1pA以下，电压信号再经过滤波和放大3．5

［3］

硬件连只需2根线就可与GS1010模块的实现接口，接简便，软件编程容易。尤其用在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

2

更显出其优越性。IC串行接口提供键盘中断信间，

，直接与GS1010模块的A/D转换接口相连

接。

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。在具体它接收所要显示的数据，并将其显示在应用过程中，

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

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5ZLG7290接线图

4系统软件设计

光敏传感器（其中DHT21的时序是必须要注意的）、

感器以及CO2浓度传感器数据的读取。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。4．1．2

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

温室中的温度在最高和最低设置一个固定的温度值，

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，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

有利于养分积累。为温度低些可以减少养分的消耗，

此，用实时时钟定时在不同的时间段选择，不同的控

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；上位机软件系统主要包括通信模块和数据库模块。4．1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－Ⅱ的支持下构建的。uC/OS－II只是一个实时操它仅仅包含了任务调度、任务管理、时间作系统内核，

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［4］

务。uC/OS－Ⅱ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。4．1．1

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

4．2

上位机软件设

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

。

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MicrosoftVisualBasic6．0编译上位机程序，采用数据库管理系统SQLSEVER2000数据管理。4．2．1

数据库

包括设计温室环境历建立温室作物生长数据库，

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存储专家数据为作物的控制参数；设计专家数据表，决策提供依据。4．2．2

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UDP的协议基信子程序，应用控件Winsock（在TCP、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协议应用MSComm控件通过串行端口传输和接收数包，

据，用户选择应用网络或者串口通信。

图6数据处理程序框图

5结论

目前，温室监测和控制系统正向网络化、分布式

4．1．3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模块附赠完成对网络协议栈和WIFI网络传输的全部控的API，

制功能。网络通信程序使用TCP/IP协议下的流式套接字（StreamSocket）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］

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充分发挥了ARM芯片相对8/16位单温度监控系统，

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：

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［5］李岩．基于ARM嵌入式uCLinux系统原理及应用［M］．

2009：232．北京：清华大学出版社，

。任务通过对Socket的读/写操作实现网络通信

系统为了可靠地面向连接的通信数据流和无错功能，

选用流式套接字。误的传输，

（下转第162页）

参考文献：

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。

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2005（6）：75．子元器件，

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模块且不需要外部放大电可以达到2000m的传输距离，

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100kbps）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，稍做生物信号采集和无改动就可以应用到工业数据采集、

线遥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。

FacilityAgricultureIntelligentControlSystemBasedonPervasiveComputing

ZhaoHua，WangSangenb，WangJiyuana

（SouthwestUniversitya．CollegeofEngineering＆Technology；b．CollegeofAgronomyandBiotechnology，Chongqing400716，China）

Abstract：AnewdesignofPervasiveAgricultureSystemBasedonSi4432hasbeenaccomplishedbySouthwestUniversityaimedtosolvetheproblemofWSN（WirelessSensorNetwork），wherethetransmissiondistanceiscloseandtheforceofpenetrationisweek．TheSystemincludecontrolcenterandsensornodes，everysensornodeismakeupofPIC16F877A，Si4432andSHT10．Thecontrolcenterisusedtoreceive，show，storeandsendinformation．Testshowsthatthesystemtransmitdatadistantlyandstronglyandthebiterrorratearelow，itcanbewidlyusedinWSN．Keywords：Si4432；Pervasiveagriculturesystem；SHT10；PIC16F877A；sensornodes（上接第157页）

AbstractID：1003－188X（2011）02－0154－EA

IntelligentGreenhouseMonitoringandControlSystemDesignBasedon

WirelessFidelity

MaZengwei，MaJinru，LiYamin

（MechanicalandElectricEngineering，AgriculturalUniversityofHebei，Baoding071001，China）

Abstract：ThispaperdesignedagreenhousemonitoringandcontrolsystemrequirementsbasedonGS1010module，whichSoCchipintegratedWIFIandARMis．Systemmonitoringandcontrolongreenhousetemperature，humidity，lightandCO2concentrationthroughthewirelessnetwork．Monitoringsystemmakethegathereddatatocollect，display，re-cord，automakedatabase，achievedautomaticcontrolandremotecontrol．Systemeasy，inexpensive，controlprecisionachievetherequirements，flexiblewiring，easyexpandintointegrationofwiredEthernet．Keywords：intelligentgreenhouse；monitoring；control；WIFI；GS1010

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cyym.html