1.引言

農(nóng)業(yè)是國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，原始的勞動(dòng)生產(chǎn)手段、落后的勞動(dòng)生產(chǎn)力及低下的勞動(dòng)生產(chǎn)率已不能滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)的需求，提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要方法之一就是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和信息化。農(nóng)產(chǎn)品及各種水產(chǎn)養(yǎng)殖品的成活質(zhì)量與它們賴(lài)以生存的環(huán)境之間有著密切的關(guān)系。而溫室的主要作用就是能夠在一年四季都提供給作物以他們所必需的生長(zhǎng)環(huán)境，溫室控制的首要任務(wù)是采集作物生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù)，國(guó)內(nèi)目前絕大多數(shù)采用的是人工實(shí)地測(cè)試，一天多次或者幾天一次的讀取溫室里的測(cè)量?jī)x，這樣不僅耗費(fèi)不必要的人力物力損耗，還不能實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)變化，更不能智能化的自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)設(shè)備來(lái)調(diào)控參數(shù)，無(wú)法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫室作物的質(zhì)量和產(chǎn)量的提高。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用將這一難題變?yōu)榭赡埽梢杂行У谋O(jiān)測(cè)溫室內(nèi)各個(gè)角度的參數(shù)，并且將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心根據(jù)已經(jīng)定義好的規(guī)則庫(kù)，按作物的不同生長(zhǎng)階段由專(zhuān)家系統(tǒng)識(shí)別判斷參數(shù)的合法性，從而向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，控制各個(gè)調(diào)控設(shè)備協(xié)同工作。最大程度上的在第一時(shí)間保護(hù)農(nóng)作物不被環(huán)境所影響，從而提高作物產(chǎn)量。

2.系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)的基本功能

該系統(tǒng)研究一種基于Zigbee技術(shù)的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用Zigbee模塊與傳感器模塊組成無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)所覆蓋環(huán)境中的溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并傳至終端節(jié)點(diǎn)Zigbee，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸給中心節(jié)點(diǎn)Zigbee，然后數(shù)據(jù)就可以在設(shè)計(jì)好的上位機(jī)上顯示大棚里的環(huán)境參數(shù)，由監(jiān)控中心對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行評(píng)估與分析，并根據(jù)檢測(cè)到的溫室環(huán)境發(fā)出提示信息，發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)控制。同時(shí)信息還會(huì)同步到手機(jī)客戶(hù)端，實(shí)時(shí)實(shí)地，方便查詢(xún)溫室作物生長(zhǎng)情況，并發(fā)出命令。

2.2 基本組成

該系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Zigbee通信子網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端構(gòu)成。控制系統(tǒng)由控制單元和Zigbee通訊模塊構(gòu)成。如圖1所示：

2.3 基本框架

該系統(tǒng)的具體構(gòu)成及各部分模塊的框圖如圖2所示。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

3.1.1 電源模塊

由于此系統(tǒng)包含多個(gè)模塊，而每個(gè)模塊需要不同電壓值的電源供電，且為了提高系統(tǒng)的實(shí)用性及達(dá)到長(zhǎng)期供電的目的，電源模塊是必不可少的。在這個(gè)模塊里，通過(guò)變壓器，將220v電壓轉(zhuǎn)成9v交流電壓，然后經(jīng)過(guò)整流，穩(wěn)壓，就可以得到直流6v電壓，再用二極管降壓就可以得到系統(tǒng)需要的各種電壓。系統(tǒng)電源模塊原理如圖3所示。

3.1.2 單片機(jī)模塊

單片機(jī)系統(tǒng)核心采用STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。片上集成1280字節(jié)RAM，在系統(tǒng)可編程，無(wú)需專(zhuān)用編程器。

3.1.3 傳感器模塊

1）溫濕度傳感器采用DHT11，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，無(wú)需A/D準(zhǔn)換，可直接連接單片機(jī)I/O口。采用單總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式，一次傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出。

數(shù)據(jù)格式：

8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)位。

它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。

2）光照傳感器采用GY-30模塊，其內(nèi)部傳感器模塊為BH1750FVI，數(shù)字輸出，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換，并且?guī)в泄I(yè)標(biāo)準(zhǔn)的IIC總線(xiàn)數(shù)字輸出接口，無(wú)需任何外部器件，對(duì)紅外線(xiàn)的影響很小。

3）二氧化碳傳感器采用MG811，該傳感器具有以下特點(diǎn)：對(duì)二氧化碳有很高的靈敏度和良好的選擇性；具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；自帶溫度補(bǔ)償輸出；輸出模擬信號(hào)。

4）土壤濕度傳感器模塊主要芯片為運(yùn)放、濕度感應(yīng)探頭，具有信號(hào)輸出指示燈，低電平有效輸出指示燈亮；帶TTL高/低電平信號(hào)和模擬信號(hào)輸出；濕度感應(yīng)靈敏度可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)；輸出模擬信號(hào)。

傳感器模塊的關(guān)鍵技術(shù)：在這個(gè)部分的設(shè)計(jì)上，體現(xiàn)出傳感器數(shù)據(jù)采集的通用性，在一片單片機(jī)芯片上，充分利用它的I/O口，作為傳感器的數(shù)據(jù)輸入，可同時(shí)采集多塊傳感器的數(shù)據(jù)，而這些傳感器可以是同一種，也可以是不同種類(lèi)，只需在程序里稍作修改，在具體實(shí)際應(yīng)用中，可以即插即用，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的通用性。

單片機(jī)數(shù)據(jù)采集的通用性結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1.4 485通訊協(xié)議模塊

針對(duì)目前溫室面積增大，需要掛接的傳感器種類(lèi)和數(shù)量不斷增多。溫室內(nèi)監(jiān)控裝置布線(xiàn)困難，以及由此引起的傳輸線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)、信號(hào)在傳輸過(guò)程中衰減嚴(yán)重的情況。系統(tǒng)采用RS-485總線(xiàn)多級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，只需要一個(gè)Zigbee作為終端，每個(gè)溫室區(qū)域都有各自的ID地址，這樣在PC機(jī)上我們就可以清楚地看到不同溫室的環(huán)境參數(shù)情況。因此，避免了信號(hào)因長(zhǎng)距離傳輸引起的損耗，簡(jiǎn)化系統(tǒng)布線(xiàn)同時(shí)便于系統(tǒng)擴(kuò)展，框架圖如圖5所示：

3.1.5 Zigbee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)傳輸模塊

Zigbee技術(shù)是一種新型的具有統(tǒng)一技術(shù)指標(biāo)的應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)、低速率傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其具有功耗低、成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，眾多傳感器之間可以進(jìn)行協(xié)調(diào)通信，同時(shí)這些傳感器的功耗很低，各個(gè)傳感器間進(jìn)行可以以接力的方式傳輸數(shù)據(jù)。由于ZigBee應(yīng)用的低帶寬要求，ZigBee節(jié)點(diǎn)可以在大部分時(shí)間內(nèi)睡眠以節(jié)省電池能量，喚醒后可以在15ms內(nèi)由睡眠模式進(jìn)入活動(dòng)模式，迅速發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)完數(shù)據(jù)后再進(jìn)入睡眠模式，從而達(dá)到在低功耗下的高性能。

圖1 系統(tǒng)基本組成框圖

圖2 系統(tǒng)的具體構(gòu)成框圖

圖3 系統(tǒng)電源模塊原理框圖

圖4 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集的通用性結(jié)構(gòu)

圖5 485總線(xiàn)傳輸形式構(gòu)圖

圖6 反控制模塊組成

圖7 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)流程圖

本文中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以Zigbee作為路由節(jié)點(diǎn)，對(duì)經(jīng)過(guò)MCU處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單、有效融合，然后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。充分利用Zigbee無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收技術(shù)，簡(jiǎn)單，高效。

3.1.6 反控制模塊

反饋控制模塊控制著內(nèi)遮陽(yáng)膜，外遮陽(yáng)棚、加熱暖風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、補(bǔ)光燈、降溫濕簾等設(shè)備。它們通過(guò)接收到的命令執(zhí)行相應(yīng)操作。正常工作時(shí)，PC機(jī)接收到傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其與標(biāo)定值比較，實(shí)現(xiàn)反饋控制。當(dāng)超過(guò)設(shè)定的范圍時(shí)，外遮陽(yáng)棚、加熱暖風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、補(bǔ)光燈等相應(yīng)設(shè)備的電源自動(dòng)接通或斷開(kāi)。從而實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，使溫室的環(huán)境參數(shù)始終保持在適合花卉生長(zhǎng)的最佳狀態(tài)，因此能提高花卉的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。反控制模塊組成如圖6所示。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

3.2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊軟件流程的主要內(nèi)容包括上電初始化、搜尋加入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集等。初始化程序主要是對(duì)CC2430、UART串口、協(xié)議棧、LCD等進(jìn)行初始化，發(fā)送程序?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)通過(guò)CC2430調(diào)制并通過(guò)DMA直接送至射頻輸出，接收程序完成數(shù)據(jù)的接收、顯示，并返回相關(guān)處理。信息運(yùn)行步驟為：首先上電初始化，然后搜索網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)識(shí)別傳感器的ID后允許其加入網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，具體流程圖如圖7所示：

3.2.2 反饋控制模塊軟件設(shè)計(jì)

反饋控制模塊軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)降溫、遮光等調(diào)控設(shè)備的控制，具有按指令控制設(shè)備的功能，也可以人工獨(dú)立控制。在軟件設(shè)計(jì)上，在沒(méi)有收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的調(diào)控指令時(shí)，按照既定的程序執(zhí)行，當(dāng)收到控制指令則轉(zhuǎn)入調(diào)控服務(wù)程序。

4.系統(tǒng)測(cè)試

4.1 數(shù)據(jù)采集及計(jì)算機(jī)控制

經(jīng)過(guò)詳細(xì)檢測(cè)，模擬溫室里各參數(shù)的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確傳輸并顯示到PC機(jī)上，能很清楚的看出溫濕度，光照強(qiáng)度，土壤濕度，二氧化碳等環(huán)境參數(shù)的變化曲線(xiàn)，且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，能夠正確發(fā)送到手機(jī)上，方便實(shí)時(shí)查詢(xún)。

4.2 反饋控制情況

當(dāng)環(huán)境參數(shù)高于設(shè)定范圍時(shí)，單片機(jī)能自動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)扇，簾幕，加熱器等控制模塊的運(yùn)行，讓溫室環(huán)境參數(shù)保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，同時(shí)電腦上也會(huì)發(fā)出警告，當(dāng)我們需要認(rèn)為對(duì)溫室進(jìn)行控制時(shí)，我們也可以通過(guò)電腦或手機(jī)發(fā)出指令，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳給單片機(jī)，實(shí)行實(shí)時(shí)控制。

5.結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)的農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)技術(shù)中，大部分是人工檢測(cè)與控制，無(wú)論在效率，還是在精度方面，都不能達(dá)到很好的效果。本文提出的基于Zigbee的智能大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以智能檢測(cè)溫室大棚里的環(huán)境參數(shù)，并按區(qū)內(nèi)要素的空間變量數(shù)據(jù)精確設(shè)定最佳施肥、灌溉、光照控制、加濕等多種農(nóng)事操作，使傳統(tǒng)的粗放生產(chǎn)變?yōu)榫?xì)農(nóng)作，從而可以顯著提高水、肥等的利用效率。與傳統(tǒng)的溫室相比，智慧大棚，除了能夠保證棚內(nèi)花卉的高質(zhì)量外，還能夠?qū)厥噎h(huán)境的控制來(lái)調(diào)整高檔花卉的長(zhǎng)勢(shì)，使得這些花卉能夠提前或者滯后進(jìn)入花期，從而使得花卉提前上市，并延長(zhǎng)上市的時(shí)間從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式特點(diǎn)，大幅度提高了系統(tǒng)在移動(dòng)性、便捷性、組網(wǎng)靈活性等方面的綜合功能，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)有很好的發(fā)展前景。

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