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摘要针对传统温室灌溉方式效率低、水资源浪费大、对作物管理不科学等问题，设计了一套基于物联网技术的温室智能灌溉系统。该系统利用传感器技术、MESH自组网络技术、无线互联网等嵌入式技术，通过监测温室空气和土壤温湿度信息对温室灌溉进行智能管理。该系统的应用不仅极大提高了灌溉效率，降低了水资源浪费，使作物管理更科学，而且符合目前我国温室智能灌溉装备市场的极大需求，同时还可升级为具有多参数、多点监控功能的温室智能管理系统，大大推动了我国高效精准农业的发展。此外，由于采用无线多条通讯方案，该系统具有布局方便、操作简单、节点容量大等特点，更适合温室管理人员使用，具有较高的推广价值。
关键词 精准农业；物联网；智能灌溉；传感网络
中图分类号 S277 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）27-0227-04
Abstract In order to solve the problems of low efficiency of traditional greenhouse irrigation， great waste of water resources， insufficient scientific management of crop and so on，a greenhouse intelligent irrigation system based on Internet of Things technology was designed. The system utilized the embedded technologies such as sensor technology， MESH adhoc network technology and wireless internet to manage the greenhouse irrigation by monitoring the greenhouse air and soil temperature and humidity. The application of the system not only greatly improved the efficiency of irrigation， reduced the waste of water resources， made the crop management more scientific， and met the current demands of China’s greenhouse green irrigation equipment market， but it can also be upgraded as the greenhouse intelligent management system with multiparameter and multipoint monitoring， which greatly promoted the development of China’s efficient and accurate agriculture. In addition， due to the use of wireless multihop communication program， the system had convenient layout， simple operation， and large capacity of node and other characteristics， it was more suitable for the use of greenhouse management and had higher promotion value.
Key words Precision agriculture；Internet of Things；Intelligent irrigation；Sensor network
在物聯网技术浪潮推动下，高效的精准农业逐渐成为当今农业发展的新潮流。长期以来，传统温室灌溉方式一直面临着效率低、水资源浪费大、对作物管理不及时等一系列问题。笔者基于物联网技术，设计了一套温室智能灌溉系统。该系统的设计不仅能够提高效率10倍左右，节约水资源高达60%，及时准确地满足作物需水要求，而且能够真正实现合理、科学灌溉，提高温室管理数字化水平、促进精准农业的发展。尤其是在我国温室智能管理起步晚、相比于欧美国家技术落后、普及度低的背景下，我国温室智能管理系统市场面临巨大的需求，该方案的设计为高效的温室种植行业提供了一套较为完善的温室智能灌溉方案。
笔者基于MESH自组网络和GPRS的无线通讯控制技术，设计了一套温室智能灌溉系统，根据各传感器采集信息实现对温室各节点参数的监测控制，同时将监测参数上传到网络服务器存储分析，并通过PC端界面对现场进行实时监控。
1 系统设计
温室中设有多个测量点，每个测量点通过传感器采集所需参数并通过RS485传送给最近的监控节点，在节点附近的灌溉设备可接受来自监控节点的浇水控制指令。各节点通过自组网络将采集的数据上传到中继监测控制站，也可接收来自中继监控站的指令。中继监控站一方面可在现场对整个温室环境进行控制，另一方面可将整个温室环境参数通过GPRS模块上传云端服务器并接受来自用户远程的指令，此外也可接收来自手机短信的控制指令。
智能灌溉系统整体架构如图1所示。整个系统网络为星状拓扑结构，中继监控站处在中心位置，是整个系统通讯的枢纽。中继监控站配备的液晶显示屏和必要按键用来显示当前温室各参数和对系统进行设置或控制，还配有报警装置，当温室参数处于危险区域时装置报警（蜂鸣器响、指示灯亮）。服务器端可扩展专家数据库系统，能够为不同作物、同种作物不同季节、同个季节不同时段给出最科学的温室环境参数范围值，使温室管理更科学高效。 2 硬件设计
智能灌溉系统的硬件主要包括信息采集部分、节点和中继检测控制站、通讯模块部分以及液显屏、灌溉设备、电源、报警设备等。为方便安装和使用，各部分选择模块化设计。
2.1 空气温湿度传感器
温室中的空气温湿度传感器使用上海搜博实业有限公司（SONBEST）的SLHT5系列产品，该产品内置SHT10瑞士原装温湿度传感器，具有响应快、体积小、抗干扰能力等特点[1]。对产品进行了双防水保护，特殊的灌封工艺使空气水分子能够进入传感器内部，而水滴则由于分子张力不能进入，非常适合如温室一样常有水雾弥漫锈蚀产品器件的场合。
SLHT5和STM32接线如图2所示，电源引脚之间加有100 nF的去耦滤波电容，数据通讯引脚接有一个3 kΩ的上拉电阻Rp。
2.2 土壤温湿度传感器
温室土壤温湿度传感器采用SONBEST的SM3002B型号土壤温度及水分检测二合一的传感器，可长期埋设于土壤中，对其表层和深层进行墒情的定点监测和在线测量[2]。选择电磁阀同样电压的12 V直流电压供电，方便布线。该传感器具有高精度、高可靠性、受土壤地质影响不明显的特点，能够适应我国各地理化性状、地形、
气候等差异较大的环境。由于采用工业级精密核心元件、小型化、长期稳定的不锈钢探针的设计，尤其在农业自动化中备受欢迎，寿命长且适合推广。接线简单，红色和绿色线分别接电源正、负极，蓝色和黄色分别接RS485B-和RS485A+[3]。
2.3 无线自组网模块和通讯模块
控制系统的无线自组网模块选用分布式MESH网络无线自组模块YL600N，MESH是分布式的对等网状网络，充分利用网络中的路由冗杂，具有优异的网络治愈性和极佳的数据吞吐量，组网耗时短，通电即可工作，覆盖面广。模块的射频芯片基于SI4463高速GFSK调制技术，具有更加优良的稳定性、抗干扰能力以及接收灵敏度，内嵌无线MESH自组网协议，工作在433 M免费频段。物理层采用先进的无线通信技术，如自适应速率、安全可靠的全网自组网技术、交织纠错编码等[4]。链路层采用智能的碰撞避免算法，具有优异的抗干扰能力。
该系统采用的通讯模块SIM900A是一款高性能工业级的GSM/GPRS模块，可以低功耗实现短信、语音、数据的传输，操作简单并且稳定，灵活方便，成本低。
2.4 外设方案设计
温室智能灌溉系统的温室控制部分基本外设如图3所示，主要包括中继监测控制部分和各节点部分。节点部分和中继监测控制部分均以STM32单片机为控制器，配上外设必要的显示设备和按键设备。根据温室环境的不同，所设置的节点位置和数量也不同，每个节点设置不同的地址，图3为单个节点的基本外设。按键设备作为外部中断接入单片机。由于YL600N采用基于SI4463的免费频段通讯方案，通讯距离相对较远，穿透力强，受环境干扰小，在成群规模化的温室大棚产业区的应用中有着先天的优势，为物联网技术的发展提供一种优势明显的通讯方案。
3 工作流程设计
软件的质量直接决定了系统的体验。该系统控制程序采用C语言设计，上位机界面基于JAVA语言开发。节点与中继监控站和中继监控站与网络服务器的通讯协议分别采用无线MESH自组网协议和TCP协议。用户可通过节点按键、中继监控按键以及远程PC端设置温室正常的环境参数范围值，作为系统动作判断标准。系统主程序主要包括节点处主程序和中继监控站主程序，二者互相协调。
大棚YL600N模块（MESH网络中的各节点，各节点地址不同）将大棚信息通过自组网络发送给中继监控站YL600N模块（MESH网络中的集中器）。通讯模式选择为主从式非透明组网模式，在该模式下，外部YL600N作为主模块，其他大棚内的模块作为从模块，主从模块之间通讯，从模块之间可以自动路由传递数据（星形组网）。
3.1 节点主程序
节点主程序的主要作用是接收节点处传感器测量值并与中继监控站通讯，同时对节点处局部环境变量进行适当调控。用户可以选择自动控制模式，在自动控制模式下，一旦环境变量参数超出预先设置的正常值范围，节点控制器自动下达调控命令。在自动控制模式下，节点处主程序流程如图4所示。节点显示设备实时显示当前该节点环境变量值、电磁阀状态和报警信息等。节点按键可供用户为此节点设置参数或者下达指令。
3.2 中继监控站主程序
中继监控站处于整个系统的枢纽位置，是连接用户和现场的重要部分，其主要作用是向下通过无线自组网络接收温室各节点处环境变量信息以及发送用户命令（设置、灌溉指令等），向上通过GPRS网络发送温室各环境变量信息以及接收来自用户PC端的远程操作指令和设置参数。显示设备可实时显示当前整个温室各节点环境变量信息、浇水电磁阀状态以及报警信息等。用户可通过按键设备对整个温室下达操作指令，人为干预温室环境变量的调控。中继监控站主程序流程如图5所示。
节点和中继监控站设计了按键设备对系统进行操作，提高了温室管理的多样化，最大限度保证了以节点为单位的温室各处环境变量能够处于最佳值，也可为同一温室多种作物的管理提供科學、高效的管理方案。节点和中继站按键子程序结构相似，其流程如图6所示。当节点操作指令和中继监控站操作指令相冲突时，系统按照接收指令先后顺序依次执行操作。
3.3 上位机部分设计
用户对JSP页面进行操作时，页面同时将用户的操作（以阀门开关指令为例）通过Post请求提交给Servlet控制层，到达Servlet会分为通讯部分和数据处理部分[5]。在通讯部分，Servlet将请求指令传给Socket工具类中的SendMessage（）方法，传入参数前会调用SocketConnection（）方法创建一个服务器端，并获取TCP连接，得到连接后即可将Servlet中获取的参数通过SendMessage（）方法发送给客户端（即SIM900A模块）[6]。在数据处理部分中，Servlet调用DAO业务逻辑处理层中的插入insert（）方法和查询find（）方法，在调用DAO业务逻辑操作数据库前通过JDBC工具类获取数据库连接，得到连接后在数据库中进行数据操作，执行插入方法是将Post请求中的参数（操作阀门的ID号、操作状态、操作时间）插入My SQL数据库，而执行查询方法是将数据库中的所有历史操作通过SQL语句的select方法获取得到，然后保存至Servlet属性中，再在Servlet中通过getRequestDispatcher（）方法转发给JSP页面，通过页面显示出来，和用户进行信息交互，实时显示并记录阀门状态。
温室监控系统设计界面如图7所示。该温室监控系统能够实时监测温室温湿度和土壤温湿度以及各节点灌溉开关信息，并可按照设置的时间间隔定时保存历史信息到数据库。用户可对不同温室的不同监测节点的不同时间段的信息进行查看，并可下达灌溉开关指令。
4 小结与展望
笔者提出了一种基于物联网技术的温室智能灌溉系统设计，能有效解决传统灌溉方式效率低、耗水量大等问题，提高作物管理水平。系统终端节点、中继监控站以及用户PC端都有易扩展的特点，可在仅增加必要器件的前提下对系统改造升级，实现对温室多参数多点的智能管理（如光照度、CO2以及土壤肥料成分的实时监控）。网络服务器可实时更新对不同作物不同阶段对各种环境变量的不同需求值以及最佳的管理方案，使温室管理更加科学高效。该技术不仅可用于温室种植、农业研究等，而且可用于风险预警、水产养殖、仓库管理等领域。
参考文献
[1] 郭豫荣.温湿度传感器的原理及应用[J].电子元器件应用，2012，14（11）：35-38，56.
[2] 邱林.基于ZigBee技术的广西农田智能化灌溉系统设计[J].广西水利水电，2014（4）：86-90.
[3] 贺芳.基于ZigBee于GPRS的灌溉施肥控制系统的研究与实现[D].海口：海南大学，2015.
[4] 林军.公共机构能耗数据检测系统的研究[J].建筑节能，2013，41（3）：50-53.
[5] 白洁.风力发电系统中的功率控制技术及实验室模拟[D].北京：华北电力大学，2010.
[6] 陈亮.网络环境下多学科协同设计的若干问题研究[D].武汉：华中科技大学，2006.
关键词 精准农业；物联网；智能灌溉；传感网络
中图分类号 S277 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）27-0227-04
Abstract In order to solve the problems of low efficiency of traditional greenhouse irrigation， great waste of water resources， insufficient scientific management of crop and so on，a greenhouse intelligent irrigation system based on Internet of Things technology was designed. The system utilized the embedded technologies such as sensor technology， MESH adhoc network technology and wireless internet to manage the greenhouse irrigation by monitoring the greenhouse air and soil temperature and humidity. The application of the system not only greatly improved the efficiency of irrigation， reduced the waste of water resources， made the crop management more scientific， and met the current demands of China’s greenhouse green irrigation equipment market， but it can also be upgraded as the greenhouse intelligent management system with multiparameter and multipoint monitoring， which greatly promoted the development of China’s efficient and accurate agriculture. In addition， due to the use of wireless multihop communication program， the system had convenient layout， simple operation， and large capacity of node and other characteristics， it was more suitable for the use of greenhouse management and had higher promotion value.
Key words Precision agriculture；Internet of Things；Intelligent irrigation；Sensor network
在物聯网技术浪潮推动下，高效的精准农业逐渐成为当今农业发展的新潮流。长期以来，传统温室灌溉方式一直面临着效率低、水资源浪费大、对作物管理不及时等一系列问题。笔者基于物联网技术，设计了一套温室智能灌溉系统。该系统的设计不仅能够提高效率10倍左右，节约水资源高达60%，及时准确地满足作物需水要求，而且能够真正实现合理、科学灌溉，提高温室管理数字化水平、促进精准农业的发展。尤其是在我国温室智能管理起步晚、相比于欧美国家技术落后、普及度低的背景下，我国温室智能管理系统市场面临巨大的需求，该方案的设计为高效的温室种植行业提供了一套较为完善的温室智能灌溉方案。
笔者基于MESH自组网络和GPRS的无线通讯控制技术，设计了一套温室智能灌溉系统，根据各传感器采集信息实现对温室各节点参数的监测控制，同时将监测参数上传到网络服务器存储分析，并通过PC端界面对现场进行实时监控。
1 系统设计
温室中设有多个测量点，每个测量点通过传感器采集所需参数并通过RS485传送给最近的监控节点，在节点附近的灌溉设备可接受来自监控节点的浇水控制指令。各节点通过自组网络将采集的数据上传到中继监测控制站，也可接收来自中继监控站的指令。中继监控站一方面可在现场对整个温室环境进行控制，另一方面可将整个温室环境参数通过GPRS模块上传云端服务器并接受来自用户远程的指令，此外也可接收来自手机短信的控制指令。
智能灌溉系统整体架构如图1所示。整个系统网络为星状拓扑结构，中继监控站处在中心位置，是整个系统通讯的枢纽。中继监控站配备的液晶显示屏和必要按键用来显示当前温室各参数和对系统进行设置或控制，还配有报警装置，当温室参数处于危险区域时装置报警（蜂鸣器响、指示灯亮）。服务器端可扩展专家数据库系统，能够为不同作物、同种作物不同季节、同个季节不同时段给出最科学的温室环境参数范围值，使温室管理更科学高效。 2 硬件设计
智能灌溉系统的硬件主要包括信息采集部分、节点和中继检测控制站、通讯模块部分以及液显屏、灌溉设备、电源、报警设备等。为方便安装和使用，各部分选择模块化设计。
2.1 空气温湿度传感器
温室中的空气温湿度传感器使用上海搜博实业有限公司（SONBEST）的SLHT5系列产品，该产品内置SHT10瑞士原装温湿度传感器，具有响应快、体积小、抗干扰能力等特点[1]。对产品进行了双防水保护，特殊的灌封工艺使空气水分子能够进入传感器内部，而水滴则由于分子张力不能进入，非常适合如温室一样常有水雾弥漫锈蚀产品器件的场合。
SLHT5和STM32接线如图2所示，电源引脚之间加有100 nF的去耦滤波电容，数据通讯引脚接有一个3 kΩ的上拉电阻Rp。
2.2 土壤温湿度传感器
温室土壤温湿度传感器采用SONBEST的SM3002B型号土壤温度及水分检测二合一的传感器，可长期埋设于土壤中，对其表层和深层进行墒情的定点监测和在线测量[2]。选择电磁阀同样电压的12 V直流电压供电，方便布线。该传感器具有高精度、高可靠性、受土壤地质影响不明显的特点，能够适应我国各地理化性状、地形、
气候等差异较大的环境。由于采用工业级精密核心元件、小型化、长期稳定的不锈钢探针的设计，尤其在农业自动化中备受欢迎，寿命长且适合推广。接线简单，红色和绿色线分别接电源正、负极，蓝色和黄色分别接RS485B-和RS485A+[3]。
2.3 无线自组网模块和通讯模块
控制系统的无线自组网模块选用分布式MESH网络无线自组模块YL600N，MESH是分布式的对等网状网络，充分利用网络中的路由冗杂，具有优异的网络治愈性和极佳的数据吞吐量，组网耗时短，通电即可工作，覆盖面广。模块的射频芯片基于SI4463高速GFSK调制技术，具有更加优良的稳定性、抗干扰能力以及接收灵敏度，内嵌无线MESH自组网协议，工作在433 M免费频段。物理层采用先进的无线通信技术，如自适应速率、安全可靠的全网自组网技术、交织纠错编码等[4]。链路层采用智能的碰撞避免算法，具有优异的抗干扰能力。
该系统采用的通讯模块SIM900A是一款高性能工业级的GSM/GPRS模块，可以低功耗实现短信、语音、数据的传输，操作简单并且稳定，灵活方便，成本低。
2.4 外设方案设计
温室智能灌溉系统的温室控制部分基本外设如图3所示，主要包括中继监测控制部分和各节点部分。节点部分和中继监测控制部分均以STM32单片机为控制器，配上外设必要的显示设备和按键设备。根据温室环境的不同，所设置的节点位置和数量也不同，每个节点设置不同的地址，图3为单个节点的基本外设。按键设备作为外部中断接入单片机。由于YL600N采用基于SI4463的免费频段通讯方案，通讯距离相对较远，穿透力强，受环境干扰小，在成群规模化的温室大棚产业区的应用中有着先天的优势，为物联网技术的发展提供一种优势明显的通讯方案。
3 工作流程设计
软件的质量直接决定了系统的体验。该系统控制程序采用C语言设计，上位机界面基于JAVA语言开发。节点与中继监控站和中继监控站与网络服务器的通讯协议分别采用无线MESH自组网协议和TCP协议。用户可通过节点按键、中继监控按键以及远程PC端设置温室正常的环境参数范围值，作为系统动作判断标准。系统主程序主要包括节点处主程序和中继监控站主程序，二者互相协调。
大棚YL600N模块（MESH网络中的各节点，各节点地址不同）将大棚信息通过自组网络发送给中继监控站YL600N模块（MESH网络中的集中器）。通讯模式选择为主从式非透明组网模式，在该模式下，外部YL600N作为主模块，其他大棚内的模块作为从模块，主从模块之间通讯，从模块之间可以自动路由传递数据（星形组网）。
3.1 节点主程序
节点主程序的主要作用是接收节点处传感器测量值并与中继监控站通讯，同时对节点处局部环境变量进行适当调控。用户可以选择自动控制模式，在自动控制模式下，一旦环境变量参数超出预先设置的正常值范围，节点控制器自动下达调控命令。在自动控制模式下，节点处主程序流程如图4所示。节点显示设备实时显示当前该节点环境变量值、电磁阀状态和报警信息等。节点按键可供用户为此节点设置参数或者下达指令。
3.2 中继监控站主程序
中继监控站处于整个系统的枢纽位置，是连接用户和现场的重要部分，其主要作用是向下通过无线自组网络接收温室各节点处环境变量信息以及发送用户命令（设置、灌溉指令等），向上通过GPRS网络发送温室各环境变量信息以及接收来自用户PC端的远程操作指令和设置参数。显示设备可实时显示当前整个温室各节点环境变量信息、浇水电磁阀状态以及报警信息等。用户可通过按键设备对整个温室下达操作指令，人为干预温室环境变量的调控。中继监控站主程序流程如图5所示。
节点和中继监控站设计了按键设备对系统进行操作，提高了温室管理的多样化，最大限度保证了以节点为单位的温室各处环境变量能够处于最佳值，也可为同一温室多种作物的管理提供科學、高效的管理方案。节点和中继站按键子程序结构相似，其流程如图6所示。当节点操作指令和中继监控站操作指令相冲突时，系统按照接收指令先后顺序依次执行操作。
3.3 上位机部分设计
用户对JSP页面进行操作时，页面同时将用户的操作（以阀门开关指令为例）通过Post请求提交给Servlet控制层，到达Servlet会分为通讯部分和数据处理部分[5]。在通讯部分，Servlet将请求指令传给Socket工具类中的SendMessage（）方法，传入参数前会调用SocketConnection（）方法创建一个服务器端，并获取TCP连接，得到连接后即可将Servlet中获取的参数通过SendMessage（）方法发送给客户端（即SIM900A模块）[6]。在数据处理部分中，Servlet调用DAO业务逻辑处理层中的插入insert（）方法和查询find（）方法，在调用DAO业务逻辑操作数据库前通过JDBC工具类获取数据库连接，得到连接后在数据库中进行数据操作，执行插入方法是将Post请求中的参数（操作阀门的ID号、操作状态、操作时间）插入My SQL数据库，而执行查询方法是将数据库中的所有历史操作通过SQL语句的select方法获取得到，然后保存至Servlet属性中，再在Servlet中通过getRequestDispatcher（）方法转发给JSP页面，通过页面显示出来，和用户进行信息交互，实时显示并记录阀门状态。
温室监控系统设计界面如图7所示。该温室监控系统能够实时监测温室温湿度和土壤温湿度以及各节点灌溉开关信息，并可按照设置的时间间隔定时保存历史信息到数据库。用户可对不同温室的不同监测节点的不同时间段的信息进行查看，并可下达灌溉开关指令。
4 小结与展望
笔者提出了一种基于物联网技术的温室智能灌溉系统设计，能有效解决传统灌溉方式效率低、耗水量大等问题，提高作物管理水平。系统终端节点、中继监控站以及用户PC端都有易扩展的特点，可在仅增加必要器件的前提下对系统改造升级，实现对温室多参数多点的智能管理（如光照度、CO2以及土壤肥料成分的实时监控）。网络服务器可实时更新对不同作物不同阶段对各种环境变量的不同需求值以及最佳的管理方案，使温室管理更加科学高效。该技术不仅可用于温室种植、农业研究等，而且可用于风险预警、水产养殖、仓库管理等领域。
参考文献
[1] 郭豫荣.温湿度传感器的原理及应用[J].电子元器件应用，2012，14（11）：35-38，56.
[2] 邱林.基于ZigBee技术的广西农田智能化灌溉系统设计[J].广西水利水电，2014（4）：86-90.
[3] 贺芳.基于ZigBee于GPRS的灌溉施肥控制系统的研究与实现[D].海口：海南大学，2015.
[4] 林军.公共机构能耗数据检测系统的研究[J].建筑节能，2013，41（3）：50-53.
[5] 白洁.风力发电系统中的功率控制技术及实验室模拟[D].北京：华北电力大学，2010.
[6] 陈亮.网络环境下多学科协同设计的若干问题研究[D].武汉：华中科技大学，2006.