0 引言

目前智能农场的植物培养监控系统已基本上实现对植物环境参数的检测，并实现现场一些环境参数的补偿功能，以便满足不同植物的生长条件，实现了对植物培养的自动化管理.但该培养系统还具有一定的局限性，包括：无法实现对植物培养现场进行远程、多模式智能管理，无法将管理变得更智能、更贴心、无空间约束，它阻碍了智能农场在我国当前市场上的推广.另外，不同植物在生长过程中所需要的光谱是不同的；相同的植物，在每日的不同时间段内，进行光合的过程中所需要的光谱和光强也是不同的.而传统的模式是采用固定比例的红蓝光对植物进行补光，无法实现多种比例自动切换的智能补光模式，从而缩短植物生长周期和提高经济效益；再一方面，科研院所更需要的是长期对植物的观察，从而达到对植物研究的目的，对植物的历史数据需要进行保存以便分析.传统的测量手段无法做到将数据上传并存储下来，无法用大数据技术与植物数据进行融合，为植物的病虫害预防、智能决策等提供支持.

虽然，最近几十年人们在努力地恢复优秀的传统文化，很多人因而知道了“子丑寅卯”之类；但是，已经消亡了的旧时谜语，却如同被秦火焚毁了的古籍，是一个永远不能恢复的记忆。

故此，文章提供一种基于ZigBee与Internet技术的植物培养监控系统及其实现方法，通过解决以上传统智能农场植物培养监控系统目前存在的局限性，使植物内部各参量指标符合植物生长环境要求，以保证植物的正常生长并减少人工监控和提高经济效益.

1 监控系统整体设计

本植物监控系统整体自下到上主要由感知层、传输层、服务层和应用层组成[1].其中监控系统的整体框架如图1所示.

图1中各层的功能如下：

W5500全硬件的TCP/IP协议栈全程支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP 和 PPPoE协议.用户只需要编写一个简单的socket应用程序就可实现网络通信，而不再需要独立的以太网控制器.W5500提供了串行外设接口（Serial Peripheral Interface,SPI）能轻松与外部MCU进行连接，并可支持高达80MHz的SPI通信速率.模块内部提供了网络唤醒和休眠两种工作模式，减少系统的功耗.

感知层主要包括环境信息的采集、补偿和现场视频信息上传三方面.其中第一方面包括温度、湿度、光照等环境信息采集，利用具有超低功耗、低速率、无线自组网的ZigBee，组成星状图拓扑结构，进行传感器信息的采集与传输；第二方面主要对环境信息进行补偿，维持环境的动态稳定，包括加温、降温、除湿、补光、喷水等；第三方面通过利用IP摄像头采集现场视频信息，可以时刻观察植物的生长状况，利于培养方案的制定.

温湿度传感器采用奥松电子的DHT21模块，该模块是一款含有已校准数字信号输出的传感器，传感器内部主要由电容式感湿元件和NTC测温元件组成，并且与一个用于数据处理的8位MCU相连接[5-6].该产品具有响应快、抗干扰、性价高等特点，是本监控系统测量温湿度的最佳元件选择.

图1 系统整体框架图

服务层主要负责数据的存储、处理与智能系统决策.Web服务器将控制终端的IP记录在服务器的数据库中，并将数据存储到MySQL数据库，便于利用互联网等手段进行访问获取实时信息；服务器采集到数据之后将对其进行验证ID等字段的正确性，将其以图表的形式进行显示，可直观看出数据变化的信息；用户可通过数据库存储的数据信息，制定相应的植物培养方案.

应用层主要通过使用任意可以上网的智能终端查看数据采集的信息，并将控制信号通过Internet发回远程STM32嵌入式网关，STM32单片机收到信号后，解析数据包，执行相应的控制操作，可以方便地监控远程节点设备，实现了简单、快速的对远程培养系统的数据采集、闭环式控制等功能.使用户可以在任意时间、地点了解植物的生长状况[2].

2 监控系统硬件设计

2.1 通讯模块设计

本系统采用基于ZigBee技术的无线传输方式，并选用TI公司CC2530F256+Z-stack进行无线传感网的开发.CC2530F256组成的ZigBee片上系统（SOC）是IEEE 802.15.4协议的具体实现.该系统由一个高性能的2.4GHz的RF无线收发器与一个8051内核的MCU组成，其处理器芯片拥有8KB的RAM ，256 KB Flash，以及众多的外设资源，具有超低功耗、超低速率、低成本的优点，可以满足本监控系统对于数据传输过程中对功耗和速率的要求[3].

首先应该原地不动判断伤情。在周边环境允许的条件下（即排除周边环境有明显的安全隐患），摔倒后最好的做法是原地不动，可以先尝试轻轻活动摔着的部位，如无大碍则可缓慢起身。

2.2 W5500网络控制模块

ZigBee节点搭载相应的传感器组合成无线传感器节点.无线传感器节点的硬件结构如图2所示.系统在线分布式的监测多点环境温湿度和光照强度，ZigBee协调器主要负责ZigBee无线网络的创建、地址的分配等作用，无线传感器节点通过组成星状网的拓扑结构，将采集到的数据发送给ZigBee协调器，再通过RS232通讯方式将数据传给嵌入式网关，并利用网络控制模块，将数据发送到远程服务器上.

所谓痕迹(trace)是指事物存在或事情发生后留下的标记或印迹[1]。痕迹管理(Managemen By Marks MBM)，顾名思义，就是要把所有的管理都体现于痕迹，把工作的每一个步骤都留有痕迹，即使是小小的一个环节都要留有痕迹，以便以后有证可查[2]。痕迹管理就是在各种管理工作过程中，从时间和管理内容方面。留下无间隙或无空白、死角的缜密的工作记录，包括交接班记录和相关活动的证据[3]。

(1)理想整体发电效率随负荷增加而单调增大。由于给水流量波动导致的实时参数滞后，以及环境温度对背压和发电效率的影响，直接空冷机组的实际整体发电效率、汽轮发电机整体效率、汽轮机理想循环热效率随负荷增加并未表现出明显单调递增的规律。

2.3 无线传感器节点与ZigBee协调器设计

W5500是韩国WIZnet公司推出的一款全硬件的以太网控制模块，它整合了五层计算机网络体系结构中的前四层，并在模块内部实现了TCP/IP协议栈.全硬件TCP/IP协议栈完全独立于主控芯片，可以降低主芯片负载且无需移植繁琐的TCP/IP协议栈；可有效应对网络攻击和病毒，安全性高[4].

图2 无线传感器节点硬件结构

传输层主要负责采集信息向服务层传输，以及显示下位机采集的实时信息.在采集信息传输方面主要利用基于ARM内核的高性能STM32F103ZET6单片机，通过SPI接口与以太网控制器W5500进行通信，以此实现主动与Web服务器进行信息交换；在下位机显示方面，采用可触屏式的TFTLCD可以清晰地显示待发送的数据信息，还可以为植物制定合理的生长环境，保证植物的健康生长.

《易经》卦名排序，成于文王，修定于孔子，孔子的《十翼》之一就是《卦序传》。从文王到孔子，时间间隔四五百年，在中国的历史上文王和孔子都被称为圣人，但《易经》在卦名排序方面确实存在着缺陷，究其原因，一是文王一开始排序就有问题，二是孔子后来修改错了，无论原因是其一或是其二，可以肯定地说《卦序传》的卦序排序存在缺陷。

ZigBee协调器首先初始化ZigBee硬件模块和Zstack协议栈后并开启中断，然后进行创建网络.无线网络创建成功后，程序进入中断检测和处理的循环，判断是否有节点加入.如果有新节点加入，则响应中断为该节点分配网络地址；如果某节点数据中断，则进行接收无线数据包，并解析该数据内容，然后发送给嵌入式网关进行处理，同时给节点发送应答信号，确认数据包已经准确接收到[10].其软件流程图如图4所示.

2.4 嵌入式网关与视频节点

嵌入式网关是采用意法半导体Cortex-M3架构的STM32F103ZET6处理器，STM32F103ZET6处理器是一款基于ARM内核的高性能单片机，该芯片拥有的资源包括64KB SRAM、512KB Flash、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共 12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、一个USB、一个CAN、3个12位ADC、一个12位DAC、一个SDIO接口、一个FSMC接口及112个通用IO口[7]，该芯片满足本系统所需要的资源.嵌入式网关在系统中起到四个作用.第一、作为ZigBee网关，可以将采集到的数据进行协议转换，利用Internet发送到远程服务器上；第二、驱动可触摸的显示屏，进行显示现场的数据采集；第三、通过SPI总线驱动以太网模块，收发网络数据；第四、与继电器相连，并通过继电器控制半导体降温、风扇、喷水、补光等执行装置，实现对环境的调控.

视频节点采用海康威视萤石CH6云平台网络IP摄像头，支持802.11 b/g，视频采用H.264压缩标准，自带云平台，实现远程监控植物的生长状况；支持水平340°、上下120°范围自由转动；可以进行语音采集；自带红外夜灯，支持10m夜视范围；此外还有多种智能模式进行智能追踪、支持多种网页浏览观看视频和参数设置[8].

3 监控系统软件设计

本监控系统软件主要由无线传感器节点软件设计、网关协调器软件设计和Web服务器端及应用层APP软件设计3个部分[9].其中无线传感器节点软件设计、网关协调器（ZigBee协调器部分）的软件是基于TI公司的Zstack-CC2530-2.5.1a，利用IAR开发实现的，嵌入式网关软件使用ARM公司开发的Keil uVision5.0集成开发环境实现的，Web服务器采用J2EE、ApachaTomcat、MySQL进行开发，应用层APP软件采用轻量级的MUI框架及流行的HTML5+技术开发.

3.1 无线传感器节点程序

传感器节点主要采集系统内的环境参数，采集完成后将数据利用无线模块自组网的特性发送给ZigBee协调器.在监控系统设计中，采集节点采用电池供电方式，因此必须考虑节点的功耗问题，系统设定当节点采集、发送数据完成后立即进入休眠期，等待下一个周期来临，由定时中断激活[10].其软件流程图如图3所示（以温湿度传感器为例）.

3.2 网关协调器程序

网关协调器程序包括ZigBee协调器和嵌入式网关程序两部分.

塞德里克·格林（Cedric Green）从19世纪的电解制版技术中发展了无酸电解制版法，用于铜版画腐蚀制版。它具有设备简单、安全环保的特性。其基本组成如图1③所示：将两块铜版平行（互相不接触）放置在硫酸铜溶液中，阴极连接到上方的栅格铜版上，阳极则连接下方需腐蚀的铜版。电流通过溶液形成回路，将硫酸铜溶液电解为正的铜离子和负的硫酸根离子。两者分别被吸附到相应的正负极铜版上，完成腐蚀。整个反应过程，除形成铜粒子外（已被吸附到阴极的铜栅格板上），不会生成其他物质。

光照传感器采用GY-30模块，它是一款已校准数字信号输出的传感器.IIC通信方式，获取数据方便，其内部的16bitAD转换器，可以将模拟信号转换为数字信号直接输出，省去复杂的计算.该模块具有高精度测定、宽范围和高分辨率、抗干扰、性价比高等优点，是本监控系统测量光照强度的适宜选择.

图3 无线传感器节点流程图

图4 ZigBee协调器流程图

嵌入式网关则主要负责协议间转换和数据发送的功能，通过SPI接口与以太网控制器W5500进行通信，将ZigBee的IEEE 802.15.4通讯协议转换为TCP/IP协议，从而可以将无线传感器节点采集到的环境数据发送到云服务器上进行存储，STM32还将驱动TFT显示屏，进行显示现场的采集数据.其软件流程图如图5所示.

图5 嵌入式网关流程图

3.3 Web服务器端及应用层APP软件设计

通过在Web服务器上建立MySQL数据库进行存储、处理感知层数据.Web服务器采用J2EE、ApachaTomcat、MySQL 进行开发设计，编写程序获取从单片机提交到Web服务端的传感器数据，存入数据库.服务端接收单片机设备信息流程图如图6所示.通过Web服务器上的应用程序，最终实现了智能终端对培养系统各节点设备的远程监控.

图6 服务端接收单片机设备信息流程图

图7 为服务端响应APP请求信息流程图.可以通过手机APP、微信、浏览器多种智能终端访问服务器，获得实时传感器监测数据、发送远程控制命令，进行调节培养现场相关的环境参数，达到闭环控制本系统.应用层软件采用轻量级的MUI框架及流行的HTML5+技术开发，其开发界面友好，各类控件齐全，已经成为APP开发的首选.

图7 服务端响应APP请求信息流程图

4 系统测试

本监控系统软、硬件调试完成之后，根据系统的实现方法在某高校实验室建成“智农绿苑”植物监控平台，对其进行测试，测试过程中选择了4个节点，包括3个无线传感器节点和一个网关协调器.组网完成后，可以采集培养系统中多点的环境数据，并利用STM32单片机将数据上传到云服务器上进行存储和处理.图8为该平台正常工作时TFT液晶显示的工作界面，满足现场的人机交互.

图8 TFT工作界面

选取系统正常运行过程中的某一日早上、中午、晚上三个时间段共计九个时间点环境的温度、湿度、光照测试结果，并将测试结果的数值记录下来，与当时温室内其他仪器测量的的温湿度、光照强度数值相比照，发现该系统采集的环境数值与实际环境数值十分吻合，并将采集的温度、湿度、光照数值绘制成曲线图，如图9温度、湿度及光照强度测量结果所示.

图9 温度、湿度及光照强度测量结果

可以看出温度、湿度、光照的变化趋势都十分接近于水平线，这充分说明了系统内的环境一直处于动态平衡状态，为植物的健康生长提供了稳定的、适宜的条件.

激光雷达是一种重要的大气环境探测手段，其具有时空分辨率高、探测灵敏度高和抗干扰能力强等优点，在气象探测中得到了广泛的应用。本文主要对激光雷达技术在气溶胶、大气臭氧、大气风速、大气温湿度的探测应用进行了详细分析。同时针对激光雷达在大气环境探测方面存在的问题及其发展趋势进行了粗浅的探讨，为今后的研究提供了有益的借鉴。

图10为本系统开发的智农绿苑E家APP的监控界面、IP摄像头也将培养现场的实时视频透传到监控中心的APP上.通过APP、网页、微信等监控平台发送控制命令时，半导体降温、风扇、喷淋器和智能补光系统等装置可以执行相应的命令.此次试验过程各无线传感器间的间距为8m以内，网络连接良好，没有出现工作过程中断网的现象，工作稳定.

以前，福建省立医院面向患者的非医疗服务相对分散。门诊部承担着便民服务，出入院中心也提供便民服务，还有一些类似服务分散在其他部门。

图10 APP实时监控界面

5 结论

本系统经测试，结果表明可以实现终端培养设备将数据准确上传到云服务器，利用微信、网页、手机APP等上位机平台进行实时查询，同时依托于服务器建立的MySQL数据库可以和大数据技术融合，可为科研院所研究工作提供强大的数据支撑，也为服务平台的病例诊断提供有效信息.并可以利用各种平台反向发送控制信号，及时调节终端环境参数、智能补光比例，为智能决策、多模式植物生长方案制定、多种植物培养提供可靠的参考依据.通过本系统的闭环式控制，方便了对植物的全方位管理.

参考文献：

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[3] 姜仲, 刘丹. ZigBee技术与实训教程[M]. 北京：清华大学出版社, 2014.

[4] 陈桂友, 陈海峰, 贺红. 物联网智能网关设计与应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2013.

[5] 倪天龙. 单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2010, 10(6):60-62.

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