设施农业中温湿度监测系统的设计与应用

王建春　李凤菊　于伟军　张雪飞

摘 要：为了实现温室大棚温湿度采集和实时信息查询，开发完成了基于温湿度传感器的设施农业环境监测系统。本系统集成GSM/GPRS模块、无线传感器节点、嵌入式控制器和web服务器等模块；采用ZigBee的无线传送数据方案，避免了传感器布设的受限问题；嵌入式控制器通过GPRS模块接入Internet网，实现数据上传至web服务器。Web服务器提供实时数据在线查询、历史数据的统计分析等，并可以通过手机短信快速获取参数的实时信息。

关键词：温湿度传感器；监测系统；设施农业

中图分类号：TP273 文献标识码： A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.12.013

设施农业是现代农业的显著标志，是转变传统农业发展方式，摆脱自然环境与土地资源束缚，走向现代农业标准化、工厂化生产的必由之路，属于高投入、高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业，可打破农产品的季节性，实现农产品的反季节均衡上市，进一步满足多元化、多层次消费需求，增加农民收入。物联网技术日益成熟，传感器在设施环境数据采集中发挥着重要作用，无线传感器网络新技术的应用为农田环境信息的实时采集、传输、处理、分析提供集成化解决方案。

1 系统设计

温湿度监控系统的总体设计方案如图1所示。整个系统由无线传感器节点、基于ARM的嵌入式控制器、web服务器模块组成。温室大棚现场由无线传感器节点内的单片机驱动温湿度传感器采集空气温湿度、土壤温湿度等数据，通过无线方式发送到嵌入式控制器，嵌入式控制器通过GPRS模块接入Internet，将数据上传至web终端服务器的数据库中；嵌入式控制器具有多种接口与扩展功能，能够在温湿度异常时，通过GPRS模块给手机发送报警信息。不同权限的用户可以在任何能够上网的地方，通过Internet和web站点的形式随时随地获取监控点环境的数据并进行控制，也可以通过手机短信的形式获取相同的数据信息。因此，本系统既可以日常观测也可以应用在科学研究，通过对温室数据的分析，找到更适合作物生长的途径，用以提高农业生产。

1.1 无线传感器节点

无线传感器节点，采用TI公司CC2430芯片及其外围扩展电路，该芯片集成超低功耗单片机和高性能低功耗发射芯片，内置12bit高精度AD，可以直接连接主流的各种数字与模拟传感器，具有良好的扩展性能。

CC2430芯片集成ZigBee协议栈，使得多个传感器节点可以构成星形网络、树形网络（增加中继），各个传感器节点可以按照设置的时间间隔（1～120 s）向嵌入式控制器发送数据。简单、单向的数据传输网络结构进一步降低系统功耗，延长网络寿命，采用两节5号电池供电，可工作3年以上。星形网络节点之间传输视距达700 m，树形网络覆盖距离达2 km。

考虑到温室大棚对温湿度精度要求并非特别高，选用温湿度的集成传感器DHT21，温度范围-20～70 ℃，精度1 ℃，湿度范围0～99%，精度达10%，该芯片通过单总线与CC2430芯片的任意I/O口连接，进行数据通信。

集成的无线传感器节点具有功耗低、成本低、稳定性高、适用性强等特点，能够满足多种应用环境，适合在塑料大棚、联动温室以及小规模日光温室环境中使用，图2为开发的无线传感器节点。

1.2 基于ARM的嵌入式控制器

嵌入式控制器一般是由ARM9处理器、SDRAM、FLASH、电源及复位模块、人机接口LCD触摸屏及相关外围电路组成。笔者选用的S3C2440处理器，是SAMSUNG公司开发的一款基于ARM9内核的微处理器。S3C2440是基于ARM920T内核，0.13 UmComs标准单元和存储单元复合体。它的特点是功耗低、简单、稳定、功能强大、性价比相对高，并且还具有丰富的扩展功能接口，便于构建外围电路，如图3所示。

嵌入式控制器作为数据信息收集处理的主节点，通过SPI总线与ZigBee模块通信，用于和无线传感器节点进行数据传输，该ZigBee模块作为ZigBee网络协调器负责整个网络的组建和给加入节点分配地址；嵌入式控制器通过UART串口与GPRS模块通信，用于接入Internet网络实现数据上传web服务器，同时可以接入GSM网络，实现手机信息收发功能。在传感器节点发来的数据存在温湿度异常时，启动报警信号。

嵌入式控制器上植入linux操作系统、驱动程序和监控程序，系统启动后依次加载各种驱动程序，并运行监控程序，如图4所示。

1.3 基于Internet的远程在线客户访问服务平台

数据管理级远程综合服务平台基于B/S（Browser/Sever），形成所谓前端Browser浏览器、中间层应用程序（Application）、后端数据库（Database）的3层3-Tier结构。主要事务逻辑在服务器端（Server）实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，用户工作界面是通过www浏览器来实现。实现不同的用户，从各自的所在地点，以各自的接入方式（比如Internet/Intranet，LAN，WAN等）访问和操作共同的数据库。从而简化客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的工作量，节省了用户的总体成本，同时它还能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全（图5）。

2 温湿度监控系统在设施温室的应用

2.1 设施蔬菜温室中温湿度监控设备的应用

所选温室为天津应用广泛的温室之一，覆盖范围广，此设备是一套集温湿度为一体的无线网络监控设备，有着监控点分布广泛、实时收发数据的特点，用户可根据自身需要设定收发间隔，可广泛应用在大棚生产、温室生产、特殊环境监测等。即使遇到恶劣天气，信号收发功能也能清楚地接收监控设备的信号，实用性和适用性都符合天津现阶段的要求，在农户应用中口碑很好，而且设备占用空间小，在温室本来就有限的面积内，有着良好的空间优势。操作简单，只要简单培训，农户就可以上手，不需要专业的知识背景，界面人性化设计，可语音报数，提供良好的服务功能。

2.2 设施食用菌温室中温湿度监控设备的应用

天津市北辰区下河头食用菌种植专业合作社是以工业化厂房为标准规模的大型食用菌种植基地，主要以生产白灵菇为主，其他食用菌为辅，现占地面积3.3 hm2，共建5个大型的工厂化车间。在已开发的温湿度监控器基础上可以增加光照和二氧化碳传感器，实现温室内温度、湿度、光照、二氧化碳、氧气的实时数据在远程电脑端显示，实现温室环境因子监控的阈值报警功能，实现3个温室的统一监测管理平台等实用功能的专业性管理系统。可有效地节约管理资源，提高业务产能，规避操作风险。

3 小结与讨论

笔者设计了适用于温室大棚的温湿度监测系统，能够采集大棚中任意位置的温湿度参数，并实时将数据上传到web服务器数据库中；无线传感器节点预留传感器接口，可以接插相应的传感器实现更大范围参数的监测。Web服务器提供用户可以通过Internet网随时查询温室大棚各个参数信息，用户也可以通过手机短信获取温室大棚中的参数信息，实现在任何时刻任何地点对大棚的数据监测。后期将对大棚中参数调节控制方法进行研究，采用增加温度、湿度调节等相关技术，实现农作物的自然催长环境。

参考文献：

[1] 王健，王树恩.关于大力发展设施农业的对策研究——以天津市为例[J].中国农机化，2012，239（1）：44-46，34.

[2] 刘竹琴，白泽生.设施农业中温度动态测控系统的设计[J].电子设计工程，2011，19（8）：63-65.

[3] 谭石坚，董明利，寿国梁.基于ZigBee技术的低功耗温室监测系统设计[J].农机化研究， 2014（10）：213-217，222.

[4] 马琦.基于无线传感器网络的温室温湿度监测系统研究[D].太原：中北大学，2009.

[5] 吕立新，汪伟，卜天然.基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计[J].计算机系统应用，2009（8）：5-9.

[6] 杜英.基于GSM的土壤湿度监测系统的研究[J].山西农业大学学报：自然科学版，2014，34（1）：81-83，92.

摘 要：为了实现温室大棚温湿度采集和实时信息查询，开发完成了基于温湿度传感器的设施农业环境监测系统。本系统集成GSM/GPRS模块、无线传感器节点、嵌入式控制器和web服务器等模块；采用ZigBee的无线传送数据方案，避免了传感器布设的受限问题；嵌入式控制器通过GPRS模块接入Internet网，实现数据上传至web服务器。Web服务器提供实时数据在线查询、历史数据的统计分析等，并可以通过手机短信快速获取参数的实时信息。

关键词：温湿度传感器；监测系统；设施农业

中图分类号：TP273 文献标识码： A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.12.013

设施农业是现代农业的显著标志，是转变传统农业发展方式，摆脱自然环境与土地资源束缚，走向现代农业标准化、工厂化生产的必由之路，属于高投入、高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业，可打破农产品的季节性，实现农产品的反季节均衡上市，进一步满足多元化、多层次消费需求，增加农民收入。物联网技术日益成熟，传感器在设施环境数据采集中发挥着重要作用，无线传感器网络新技术的应用为农田环境信息的实时采集、传输、处理、分析提供集成化解决方案。

1 系统设计

温湿度监控系统的总体设计方案如图1所示。整个系统由无线传感器节点、基于ARM的嵌入式控制器、web服务器模块组成。温室大棚现场由无线传感器节点内的单片机驱动温湿度传感器采集空气温湿度、土壤温湿度等数据，通过无线方式发送到嵌入式控制器，嵌入式控制器通过GPRS模块接入Internet，将数据上传至web终端服务器的数据库中；嵌入式控制器具有多种接口与扩展功能，能够在温湿度异常时，通过GPRS模块给手机发送报警信息。不同权限的用户可以在任何能够上网的地方，通过Internet和web站点的形式随时随地获取监控点环境的数据并进行控制，也可以通过手机短信的形式获取相同的数据信息。因此，本系统既可以日常观测也可以应用在科学研究，通过对温室数据的分析，找到更适合作物生长的途径，用以提高农业生产。

1.1 无线传感器节点

无线传感器节点，采用TI公司CC2430芯片及其外围扩展电路，该芯片集成超低功耗单片机和高性能低功耗发射芯片，内置12bit高精度AD，可以直接连接主流的各种数字与模拟传感器，具有良好的扩展性能。

CC2430芯片集成ZigBee协议栈，使得多个传感器节点可以构成星形网络、树形网络（增加中继），各个传感器节点可以按照设置的时间间隔（1～120 s）向嵌入式控制器发送数据。简单、单向的数据传输网络结构进一步降低系统功耗，延长网络寿命，采用两节5号电池供电，可工作3年以上。星形网络节点之间传输视距达700 m，树形网络覆盖距离达2 km。

考虑到温室大棚对温湿度精度要求并非特别高，选用温湿度的集成传感器DHT21，温度范围-20～70 ℃，精度1 ℃，湿度范围0～99%，精度达10%，该芯片通过单总线与CC2430芯片的任意I/O口连接，进行数据通信。

集成的无线传感器节点具有功耗低、成本低、稳定性高、适用性强等特点，能够满足多种应用环境，适合在塑料大棚、联动温室以及小规模日光温室环境中使用，图2为开发的无线传感器节点。

1.2 基于ARM的嵌入式控制器

嵌入式控制器一般是由ARM9处理器、SDRAM、FLASH、电源及复位模块、人机接口LCD触摸屏及相关外围电路组成。笔者选用的S3C2440处理器，是SAMSUNG公司开发的一款基于ARM9内核的微处理器。S3C2440是基于ARM920T内核，0.13 UmComs标准单元和存储单元复合体。它的特点是功耗低、简单、稳定、功能强大、性价比相对高，并且还具有丰富的扩展功能接口，便于构建外围电路，如图3所示。

嵌入式控制器作为数据信息收集处理的主节点，通过SPI总线与ZigBee模块通信，用于和无线传感器节点进行数据传输，该ZigBee模块作为ZigBee网络协调器负责整个网络的组建和给加入节点分配地址；嵌入式控制器通过UART串口与GPRS模块通信，用于接入Internet网络实现数据上传web服务器，同时可以接入GSM网络，实现手机信息收发功能。在传感器节点发来的数据存在温湿度异常时，启动报警信号。

嵌入式控制器上植入linux操作系统、驱动程序和监控程序，系统启动后依次加载各种驱动程序，并运行监控程序，如图4所示。

1.3 基于Internet的远程在线客户访问服务平台

数据管理级远程综合服务平台基于B/S（Browser/Sever），形成所谓前端Browser浏览器、中间层应用程序（Application）、后端数据库（Database）的3层3-Tier结构。主要事务逻辑在服务器端（Server）实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，用户工作界面是通过www浏览器来实现。实现不同的用户，从各自的所在地点，以各自的接入方式（比如Internet/Intranet，LAN，WAN等）访问和操作共同的数据库。从而简化客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的工作量，节省了用户的总体成本，同时它还能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全（图5）。

2 温湿度监控系统在设施温室的应用

2.1 设施蔬菜温室中温湿度监控设备的应用

所选温室为天津应用广泛的温室之一，覆盖范围广，此设备是一套集温湿度为一体的无线网络监控设备，有着监控点分布广泛、实时收发数据的特点，用户可根据自身需要设定收发间隔，可广泛应用在大棚生产、温室生产、特殊环境监测等。即使遇到恶劣天气，信号收发功能也能清楚地接收监控设备的信号，实用性和适用性都符合天津现阶段的要求，在农户应用中口碑很好，而且设备占用空间小，在温室本来就有限的面积内，有着良好的空间优势。操作简单，只要简单培训，农户就可以上手，不需要专业的知识背景，界面人性化设计，可语音报数，提供良好的服务功能。

2.2 设施食用菌温室中温湿度监控设备的应用

天津市北辰区下河头食用菌种植专业合作社是以工业化厂房为标准规模的大型食用菌种植基地，主要以生产白灵菇为主，其他食用菌为辅，现占地面积3.3 hm2，共建5个大型的工厂化车间。在已开发的温湿度监控器基础上可以增加光照和二氧化碳传感器，实现温室内温度、湿度、光照、二氧化碳、氧气的实时数据在远程电脑端显示，实现温室环境因子监控的阈值报警功能，实现3个温室的统一监测管理平台等实用功能的专业性管理系统。可有效地节约管理资源，提高业务产能，规避操作风险。

3 小结与讨论

笔者设计了适用于温室大棚的温湿度监测系统，能够采集大棚中任意位置的温湿度参数，并实时将数据上传到web服务器数据库中；无线传感器节点预留传感器接口，可以接插相应的传感器实现更大范围参数的监测。Web服务器提供用户可以通过Internet网随时查询温室大棚各个参数信息，用户也可以通过手机短信获取温室大棚中的参数信息，实现在任何时刻任何地点对大棚的数据监测。后期将对大棚中参数调节控制方法进行研究，采用增加温度、湿度调节等相关技术，实现农作物的自然催长环境。

参考文献：

[1] 王健，王树恩.关于大力发展设施农业的对策研究——以天津市为例[J].中国农机化，2012，239（1）：44-46，34.

[2] 刘竹琴，白泽生.设施农业中温度动态测控系统的设计[J].电子设计工程，2011，19（8）：63-65.

[3] 谭石坚，董明利，寿国梁.基于ZigBee技术的低功耗温室监测系统设计[J].农机化研究， 2014（10）：213-217，222.

[4] 马琦.基于无线传感器网络的温室温湿度监测系统研究[D].太原：中北大学，2009.

[5] 吕立新，汪伟，卜天然.基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计[J].计算机系统应用，2009（8）：5-9.

[6] 杜英.基于GSM的土壤湿度监测系统的研究[J].山西农业大学学报：自然科学版，2014，34（1）：81-83，92.

摘 要：为了实现温室大棚温湿度采集和实时信息查询，开发完成了基于温湿度传感器的设施农业环境监测系统。本系统集成GSM/GPRS模块、无线传感器节点、嵌入式控制器和web服务器等模块；采用ZigBee的无线传送数据方案，避免了传感器布设的受限问题；嵌入式控制器通过GPRS模块接入Internet网，实现数据上传至web服务器。Web服务器提供实时数据在线查询、历史数据的统计分析等，并可以通过手机短信快速获取参数的实时信息。

关键词：温湿度传感器；监测系统；设施农业

中图分类号：TP273 文献标识码： A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.12.013

设施农业是现代农业的显著标志，是转变传统农业发展方式，摆脱自然环境与土地资源束缚，走向现代农业标准化、工厂化生产的必由之路，属于高投入、高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业，可打破农产品的季节性，实现农产品的反季节均衡上市，进一步满足多元化、多层次消费需求，增加农民收入。物联网技术日益成熟，传感器在设施环境数据采集中发挥着重要作用，无线传感器网络新技术的应用为农田环境信息的实时采集、传输、处理、分析提供集成化解决方案。

1 系统设计

温湿度监控系统的总体设计方案如图1所示。整个系统由无线传感器节点、基于ARM的嵌入式控制器、web服务器模块组成。温室大棚现场由无线传感器节点内的单片机驱动温湿度传感器采集空气温湿度、土壤温湿度等数据，通过无线方式发送到嵌入式控制器，嵌入式控制器通过GPRS模块接入Internet，将数据上传至web终端服务器的数据库中；嵌入式控制器具有多种接口与扩展功能，能够在温湿度异常时，通过GPRS模块给手机发送报警信息。不同权限的用户可以在任何能够上网的地方，通过Internet和web站点的形式随时随地获取监控点环境的数据并进行控制，也可以通过手机短信的形式获取相同的数据信息。因此，本系统既可以日常观测也可以应用在科学研究，通过对温室数据的分析，找到更适合作物生长的途径，用以提高农业生产。

1.1 无线传感器节点

无线传感器节点，采用TI公司CC2430芯片及其外围扩展电路，该芯片集成超低功耗单片机和高性能低功耗发射芯片，内置12bit高精度AD，可以直接连接主流的各种数字与模拟传感器，具有良好的扩展性能。

CC2430芯片集成ZigBee协议栈，使得多个传感器节点可以构成星形网络、树形网络（增加中继），各个传感器节点可以按照设置的时间间隔（1～120 s）向嵌入式控制器发送数据。简单、单向的数据传输网络结构进一步降低系统功耗，延长网络寿命，采用两节5号电池供电，可工作3年以上。星形网络节点之间传输视距达700 m，树形网络覆盖距离达2 km。

考虑到温室大棚对温湿度精度要求并非特别高，选用温湿度的集成传感器DHT21，温度范围-20～70 ℃，精度1 ℃，湿度范围0～99%，精度达10%，该芯片通过单总线与CC2430芯片的任意I/O口连接，进行数据通信。

集成的无线传感器节点具有功耗低、成本低、稳定性高、适用性强等特点，能够满足多种应用环境，适合在塑料大棚、联动温室以及小规模日光温室环境中使用，图2为开发的无线传感器节点。

1.2 基于ARM的嵌入式控制器

嵌入式控制器一般是由ARM9处理器、SDRAM、FLASH、电源及复位模块、人机接口LCD触摸屏及相关外围电路组成。笔者选用的S3C2440处理器，是SAMSUNG公司开发的一款基于ARM9内核的微处理器。S3C2440是基于ARM920T内核，0.13 UmComs标准单元和存储单元复合体。它的特点是功耗低、简单、稳定、功能强大、性价比相对高，并且还具有丰富的扩展功能接口，便于构建外围电路，如图3所示。

嵌入式控制器作为数据信息收集处理的主节点，通过SPI总线与ZigBee模块通信，用于和无线传感器节点进行数据传输，该ZigBee模块作为ZigBee网络协调器负责整个网络的组建和给加入节点分配地址；嵌入式控制器通过UART串口与GPRS模块通信，用于接入Internet网络实现数据上传web服务器，同时可以接入GSM网络，实现手机信息收发功能。在传感器节点发来的数据存在温湿度异常时，启动报警信号。

嵌入式控制器上植入linux操作系统、驱动程序和监控程序，系统启动后依次加载各种驱动程序，并运行监控程序，如图4所示。

1.3 基于Internet的远程在线客户访问服务平台

数据管理级远程综合服务平台基于B/S（Browser/Sever），形成所谓前端Browser浏览器、中间层应用程序（Application）、后端数据库（Database）的3层3-Tier结构。主要事务逻辑在服务器端（Server）实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，用户工作界面是通过www浏览器来实现。实现不同的用户，从各自的所在地点，以各自的接入方式（比如Internet/Intranet，LAN，WAN等）访问和操作共同的数据库。从而简化客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的工作量，节省了用户的总体成本，同时它还能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全（图5）。

2 温湿度监控系统在设施温室的应用

2.1 设施蔬菜温室中温湿度监控设备的应用

所选温室为天津应用广泛的温室之一，覆盖范围广，此设备是一套集温湿度为一体的无线网络监控设备，有着监控点分布广泛、实时收发数据的特点，用户可根据自身需要设定收发间隔，可广泛应用在大棚生产、温室生产、特殊环境监测等。即使遇到恶劣天气，信号收发功能也能清楚地接收监控设备的信号，实用性和适用性都符合天津现阶段的要求，在农户应用中口碑很好，而且设备占用空间小，在温室本来就有限的面积内，有着良好的空间优势。操作简单，只要简单培训，农户就可以上手，不需要专业的知识背景，界面人性化设计，可语音报数，提供良好的服务功能。

2.2 设施食用菌温室中温湿度监控设备的应用

天津市北辰区下河头食用菌种植专业合作社是以工业化厂房为标准规模的大型食用菌种植基地，主要以生产白灵菇为主，其他食用菌为辅，现占地面积3.3 hm2，共建5个大型的工厂化车间。在已开发的温湿度监控器基础上可以增加光照和二氧化碳传感器，实现温室内温度、湿度、光照、二氧化碳、氧气的实时数据在远程电脑端显示，实现温室环境因子监控的阈值报警功能，实现3个温室的统一监测管理平台等实用功能的专业性管理系统。可有效地节约管理资源，提高业务产能，规避操作风险。

3 小结与讨论

笔者设计了适用于温室大棚的温湿度监测系统，能够采集大棚中任意位置的温湿度参数，并实时将数据上传到web服务器数据库中；无线传感器节点预留传感器接口，可以接插相应的传感器实现更大范围参数的监测。Web服务器提供用户可以通过Internet网随时查询温室大棚各个参数信息，用户也可以通过手机短信获取温室大棚中的参数信息，实现在任何时刻任何地点对大棚的数据监测。后期将对大棚中参数调节控制方法进行研究，采用增加温度、湿度调节等相关技术，实现农作物的自然催长环境。

参考文献：

[1] 王健，王树恩.关于大力发展设施农业的对策研究——以天津市为例[J].中国农机化，2012，239（1）：44-46，34.

[2] 刘竹琴，白泽生.设施农业中温度动态测控系统的设计[J].电子设计工程，2011，19（8）：63-65.

[3] 谭石坚，董明利，寿国梁.基于ZigBee技术的低功耗温室监测系统设计[J].农机化研究， 2014（10）：213-217，222.

[4] 马琦.基于无线传感器网络的温室温湿度监测系统研究[D].太原：中北大学，2009.

[5] 吕立新，汪伟，卜天然.基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计[J].计算机系统应用，2009（8）：5-9.

[6] 杜英.基于GSM的土壤湿度监测系统的研究[J].山西农业大学学报：自然科学版，2014，34（1）：81-83，92.