陳利江 徐 凱 王 峻

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡技術和傳感器技術的發(fā)展，精細農業(yè)越來越受到人們的關注，溫室大棚種植技術在國內迅速推廣。目前，溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)大多采用現(xiàn)場總線技術，通過總線技術實現(xiàn)傳感器在線檢測和執(zhí)行器的遠程控制。但溫室大棚分布范圍廣，有線組網(wǎng)方式布線困難，維護成本高。ZigBee技術是一種新型的的短距離、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡通信技術，是無線傳感網(wǎng)絡的典型代表，在國內應用較廣。無線傳感網(wǎng)絡已經(jīng)成功應用于糧庫自動化檢測、果蔬冷鏈配送、土壤溫度監(jiān)測等農業(yè)生產(chǎn)相關領域。同時ZigBee技術還可以與以太網(wǎng)、GSM等傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡結合，提高無線傳感網(wǎng)的應用范圍。

現(xiàn)以無線傳感網(wǎng)絡技術為基礎，設計開發(fā)一套完整的溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)。

1 無線監(jiān)控系統(tǒng)整體設計

無線監(jiān)控系統(tǒng)由ZigBee無線傳感網(wǎng)絡、大棚環(huán)境監(jiān)控節(jié)點、自動氣象站、監(jiān)控計算機和本地數(shù)據(jù)庫組成。無線監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了多種參數(shù)檢測和執(zhí)行器的遠程控制。

（1）土壤環(huán)境參數(shù)檢測。設備包括土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器。

（2）空氣環(huán)境參數(shù)檢測。檢測空氣溫度、空氣濕度和二氧化碳濃度等。

（3）執(zhí)行器的遠程控制。執(zhí)行器包括噴滴灌、排風扇和卷簾機等設備。

（4）自動氣象站監(jiān)測大棚外的環(huán)境參數(shù)。例如大氣壓力、光照量和降雨量等參數(shù)。

無線監(jiān)控系統(tǒng)借鑒現(xiàn)場總線的通信技術，采用主從通信方式，即監(jiān)控計算機通過無線網(wǎng)絡廣播控制命令，相應的無線監(jiān)控節(jié)點根據(jù)控制命令執(zhí)行相關動作并返回操作結果。監(jiān)控計算機提供相關操作界面，可通過界面實時顯示各傳感節(jié)點參數(shù)和控制相關執(zhí)行器。監(jiān)控計算機通過以太網(wǎng)把傳感器數(shù)據(jù)存入遠程數(shù)據(jù)庫中。無線監(jiān)控系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

圖1 無線監(jiān)控系統(tǒng)整體結構

ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構可以分為星型網(wǎng)絡、網(wǎng)狀網(wǎng)絡和樹狀網(wǎng)絡。該系統(tǒng)采用樹狀網(wǎng)絡結構，如圖 2所示。大棚環(huán)境監(jiān)測節(jié)點和執(zhí)行器控制節(jié)點作為終端節(jié)點；路由器負責中繼網(wǎng)絡報文，路由器的運用，擴大了無線傳感網(wǎng)絡的范圍；網(wǎng)絡協(xié)調器負責發(fā)送具體指令，并向監(jiān)控計算機返回執(zhí)行結果。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡樹狀結構

2 無線傳感網(wǎng)絡的具體實現(xiàn)

溫室大棚無線監(jiān)測節(jié)點具有獨立的ZigBee模塊，該ZigBee模塊可通過串口配置節(jié)點類型、網(wǎng)絡ID和節(jié)點地址等參數(shù)，并將從串口接收到的數(shù)據(jù)透明發(fā)送給其他ZigBee節(jié)點。而ZigBee模塊之間傳遞的報文符合MODBUS協(xié)議，傳感器輸入通道或執(zhí)行器輸出通道都定義為標準的控制碼，通過固定的讀寫指令訪問。監(jiān)控計算機和各無線監(jiān)測節(jié)點通過以下的方式進行通信：計算機運行MODBUS主機協(xié)議，向串口發(fā)送MODBUS數(shù)據(jù)請求命令，與其相連的ZigBee模塊通過廣播的方式轉發(fā)該命令；在該ZigBee網(wǎng)絡中，所有的ZigBee節(jié)點都會接收到該無線輸入數(shù)據(jù)包，并將該數(shù)據(jù)通過USART轉發(fā)給監(jiān)測節(jié)點中的微控制器，在微控制器中的MODBUS從機協(xié)議棧程序會根據(jù)數(shù)據(jù)包中的從機地址域判斷是否應響應該數(shù)據(jù)請求指令，并進行進一步的解析處理，與之相連的ZigBee模塊依然通過廣播的方式返回該數(shù)據(jù)包，計算機便會收到監(jiān)測節(jié)點返回的數(shù)據(jù)響應，這樣就通過ZigBee網(wǎng)絡實現(xiàn)了一次MODBUS通信過程。其中的ZigBee模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的“透明”傳輸，充當一種“介質”。無線監(jiān)控系統(tǒng)處理流程如圖3所示。

圖3 無線監(jiān)控系統(tǒng)處理流程

3 溫室監(jiān)控節(jié)點硬件設計

溫室大棚的監(jiān)測節(jié)點包括三方面：

（1）大棚內種植環(huán)境監(jiān)測節(jié)點。監(jiān)測節(jié)點以傳感器輸入檢測為主。為了簡化溫室大棚監(jiān)測節(jié)點的硬件設計難度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，上述傳感器均配有智能變送設備。例如土壤濕度傳感器采用智能變送型傳感器，可將0～100%的土壤濕度值轉化為4～20 mA電流信號。

（2）自動氣象站監(jiān)測節(jié)點。該類節(jié)點主要負責收集大氣環(huán)境信息，例如大氣壓力、風向和風速、降雨量等，采集這些大氣環(huán)境信息有專門的自動氣象站，由自動氣象站提供一個通信接口和一系列通信指令，發(fā)送相應的命令即可獲得各傳感器值。

（3）執(zhí)行器控制節(jié)點。該類節(jié)點主要負責農業(yè)機械設備的控制，通過MOSFET或繼電器接口控制相應執(zhí)行器。

雖然三類節(jié)點具有不同的功能，但是在硬件和軟件設計中卻存在相似之處。三類監(jiān)控節(jié)點的嵌入式系統(tǒng)都可以由STM32最小系統(tǒng)、電源管理、撥碼開關地址選擇、實時時鐘、片外EEPROM、LED狀態(tài)顯示部分組成。不同的是，大棚內種植環(huán)境監(jiān)測節(jié)點側重于傳感器輸入部分，自動氣象站節(jié)點側重于RS232通信部分，執(zhí)行器控制節(jié)點側重于MOSFET和繼電器輸出接口功能。溫室監(jiān)控節(jié)點硬件結構框圖如圖4所示。

圖4 溫室監(jiān)控節(jié)點硬件結構

4 溫室監(jiān)控節(jié)點軟件設計

農業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)借鑒分層設計的理念，把整個嵌入式軟件系統(tǒng)分為底層驅動層、中間服務層和底層應用層。底層驅動主要實現(xiàn)SPI、I2C、USART和GPIO等接口的移植，在底層驅動層中實現(xiàn)了uCOS的STM32芯片的移植。中間服務層主要實現(xiàn)具體芯片的驅動程序，為底層應用層提供API接口，主要包括MCP3208和PCF8563等，中間服務層中還包括uCOS內核代碼和FreeMODBUS通信代碼。頂層服務層根據(jù)農業(yè)環(huán)境監(jiān)控的現(xiàn)場情況劃分具體任務，這些任務可以包括Modbus通信任務、傳感器檢測任務、執(zhí)行器控制任務或報警任務等。溫室大棚監(jiān)控節(jié)點軟件結構框圖如圖 5所示。

圖5 溫室監(jiān)控節(jié)點軟件結構

5 監(jiān)控計算機軟件設計

溫室大棚監(jiān)控軟件主要負責匯聚各監(jiān)測節(jié)點的信息，并控制園區(qū)內各種執(zhí)行設備。監(jiān)控軟件包含一個本地數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包不但存儲了各環(huán)境監(jiān)測節(jié)點和農業(yè)設備的信息，還保存了各監(jiān)測節(jié)點傳感器的歷史信息和農業(yè)設備的相關操作記錄。

各監(jiān)測節(jié)點和控制節(jié)點通過從機地址加以區(qū)分，而監(jiān)控節(jié)點和控制節(jié)點不同的輸入或輸出通道通過寄存器地址加以區(qū)分，從機地址和寄存器地址的設定滿足MODBUS規(guī)范。在監(jiān)控計算機軟件中需設計相應的數(shù)據(jù)表保存節(jié)點的相關信息，該系統(tǒng)為傳感器輸入通道和執(zhí)行器輸出通道設計了不同的數(shù)據(jù)表。

6 該技術在實踐中的具體應用

該溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)于2010－2012年分別在無錫市天藍地綠生態(tài)農莊發(fā)展有限公司的13.33 hm2大棚蔬菜、無錫益家康生態(tài)農業(yè)有限公司的46.67 hm2蔬菜大棚中進行試驗應用，效果明顯：

（1）實現(xiàn)了溫室大棚內溫度、濕度、光照度、二氧化碳含量、棚內土壤溫度、濕度等信息數(shù)據(jù)的自動采集及區(qū)域內氣象參數(shù)的自動采集。

（2）實現(xiàn)了信息的即時傳輸與處理。主要是將采集的信息轉換成計算機可識別的標準量信息進行處理。

（3）實現(xiàn)了通過輸出指令來控制噴滴灌設備、排風扇設備、卷簾機設備的自動啟閉運行。

（4）實現(xiàn)了溫室大棚內溫度、濕度、通風、光照、二氧化碳含量的自動調節(jié)，創(chuàng)造出適合作物生長的最佳環(huán)境。

（5）實現(xiàn)了實時預警，實時自動監(jiān)測、自動控制、遠程控制。

（6）實現(xiàn)了作物的增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質、低耗、高效和農民的增收。

無錫益家康生態(tài)農業(yè)有限公司已計劃進一步擴大應用規(guī)模，實現(xiàn)溫室大棚蔬菜生產(chǎn)的智能化、信息化。

7 結論

該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，傳感器數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和執(zhí)行器遠程控制等功能達到設計要求，提高了蔬菜種植基地的管理效率。該系統(tǒng)結合無線通信技術和傳感器技術，不但可以監(jiān)測溫室大棚內土壤和空氣參數(shù)，還可以通過監(jiān)控計算機遠程控制噴滴灌和通風機等執(zhí)行設備。

（1）無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)可以解決基于總線技術的監(jiān)控系統(tǒng)布線困難、范圍較小等問題。相比于傳統(tǒng)的監(jiān)控手段，無線傳感網(wǎng)具有靈活、低成本和低功耗等特點，將會在農業(yè)生產(chǎn)中得到越來越多的應用。

（2）溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)可以實時地監(jiān)測溫室大棚內的各種環(huán)境參數(shù)，并通過遠程數(shù)據(jù)庫保留監(jiān)測數(shù)據(jù)，為建立專家決策系統(tǒng)提供了重要的基礎資料。

（3）除了環(huán)境參數(shù)監(jiān)測之外，通過監(jiān)控計算機還可以遠程控制溫室大棚內的執(zhí)行設備。通過在監(jiān)控計算機中設置合理的執(zhí)行策略，可自動開啟或關閉這些執(zhí)行設備，降低溫室大棚生產(chǎn)人員的工作強度。

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