王 超， 張廣宇

（1.長(zhǎng)春光華學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130031；2.中國(guó)聯(lián)通長(zhǎng)春分公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的硬性需求越來(lái)越大，如何實(shí)現(xiàn)“跨時(shí)”、“跨區(qū)”農(nóng)產(chǎn)品的栽種成為重要議題，隨之產(chǎn)生的溫室產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。

但多數(shù)溫室只是簡(jiǎn)單地利用屏障技術(shù)和高產(chǎn)栽培技術(shù)搭建而來(lái)，不僅無(wú)法滿足特殊植物生存條件，更無(wú)法提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。為改變這種情況，將嵌入式設(shè)備及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)引入溫室環(huán)境的搭建，既彌補(bǔ)人力因素缺陷，又提高溫室栽培的條件，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的智能化監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為滿足溫室特殊的環(huán)境條件要求，須實(shí)時(shí)獲取溫室的CO2、溫度、濕度等因素并進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要組成部分包括：高速、低能耗、實(shí)時(shí)采集環(huán)境因素的終端采集設(shè)備，匯聚各類信息的協(xié)調(diào)器，便于直觀監(jiān)控的主控系統(tǒng)，以及可隨時(shí)查看并遠(yuǎn)程控制的手持終端設(shè)備。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要包括：zigbee終端節(jié)點(diǎn)、zigbee協(xié)調(diào)器、PC機(jī)、A8嵌入式設(shè)備4個(gè)部分。終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，主要用于采集溫室的各類環(huán)境因素；協(xié)調(diào)器匯聚各節(jié)點(diǎn)采集信息并分時(shí)傳送給上位機(jī)；上位機(jī)顯示獲取的溫室環(huán)境因素，也可人為直接控制終端節(jié)點(diǎn)；A8嵌入式設(shè)備便于攜帶，可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制。環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)控原理框圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)控原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控系統(tǒng)

系統(tǒng)主控設(shè)備主要包括上位機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，上位機(jī)便于實(shí)時(shí)人為監(jiān)控溫室環(huán)境，嵌入式系統(tǒng)便于攜帶，并采用無(wú)線方式進(jìn)行通信。嵌入式測(cè)控設(shè)備采用cortex－a8體系下的S5PV210，又名“蜂鳥(niǎo)”，主頻達(dá)到1GHz，32／32KB的數(shù)據(jù)／指令一級(jí)緩存，512KB的二級(jí)緩存，運(yùn)行速度可達(dá)每秒2億條指令，適用于手持式便攜設(shè)備，如平板、手機(jī)等設(shè)備。內(nèi)存512M，flash為256M的nand flash，完美運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。具體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

2.2 終端節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器

目前用于設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有藍(lán)牙，Zigbee［1］等為滿足無(wú)線穩(wěn)定傳輸、降低功耗、多元化控制等需求，本設(shè)計(jì)在終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)中采用zigbee cc2530作為核心主控芯片。Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)［2］，工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，有915／868MHz及2.4GHz，其中915MHz頻段用于美國(guó)，868MHz頻段用于歐洲，2.4GHz頻段則是全球通用［3］。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的搭建方式多樣化，符合不同場(chǎng)所應(yīng)用，主要網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括以下3種：星型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)［4］。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)組網(wǎng)簡(jiǎn)單，既降低成本，又滿足基本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能需求，可根據(jù)需要多點(diǎn)投放終端節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)不同區(qū)域的溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因素［5］。

2.3 傳感器的選擇

硬件設(shè)計(jì)中傳感器主要包括：DHT11（溫濕度傳感器），MG811（電壓型CO2濃度傳感器），BH1750FVI（數(shù)字式光照強(qiáng)度傳感器）。各傳感器連接在終端節(jié)點(diǎn)分散在溫室內(nèi)，實(shí)時(shí)獲取溫室環(huán)境條件，該系統(tǒng)采用電池供電，便于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：上位機(jī)測(cè)控界面、嵌入式設(shè)備的圖形控制界面2個(gè)部分。上位機(jī)界面采用VC＋＋6.0軟件完成，該軟件兼容性好、操作簡(jiǎn)單，各類型的軟件接口齊全。上位機(jī)界面通過(guò)MSComm串口通信控件實(shí)時(shí)獲取協(xié)調(diào)器的信息，協(xié)調(diào)器匯聚各終端節(jié)點(diǎn)傳感器采集的環(huán)境參數(shù)。

軟件設(shè)計(jì)流程包括：

1）初始化設(shè)備，主要包括上位機(jī)界面初始化、協(xié)調(diào)器與界面間的有線通信，以及zigbee組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；

2）上位機(jī)建立服務(wù)器并通過(guò)串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送鏈接命令等待應(yīng)答；

3）上位機(jī)向協(xié)調(diào)器發(fā)送字符串命令詢問(wèn)終端節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境參數(shù)；

4）上位機(jī)接收并實(shí)現(xiàn)來(lái)自協(xié)調(diào)器匯總的環(huán)境參數(shù)［6］。具體流程如圖3所示。

3.2 嵌入式系統(tǒng)界面軟件設(shè)計(jì)

在嵌入式S5PV210系統(tǒng)中運(yùn)行ubuntu版本的linux操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備開(kāi)源、功能齊全、可裁剪等優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)控制界面時(shí)采用GTK＋ 圖形界面工具，GTK＋ 是一種圖形用戶界面（GUI）工具包，該工具包涵蓋了若干個(gè)基于GUI的應(yīng)用庫(kù)，支持多種不同類型的操作系統(tǒng)，如 WINDOWS，LINUX等，該圖像工具提供大量C語(yǔ)言編程接口，提高了系統(tǒng)可移植性［7］。GTK界面通過(guò)建立的分欄列表顯示信息，信息的獲取通過(guò)方式上采用無(wú)線局域網(wǎng)（WiFi），該方式無(wú)需成本、穩(wěn)定性高、斷線自動(dòng)連接［8］。

軟件設(shè)計(jì)流程包括：

1）初始化GTK界面，主要包括建立windows主窗口和副窗口；

2）在主副窗口下創(chuàng)建如標(biāo)簽、按鍵等各類控件，控件用于實(shí)時(shí)刷新顯示環(huán)境參數(shù)；

3）登陸上位機(jī)服務(wù)器，將匯聚的環(huán)境參數(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到嵌入式設(shè)備界面；

4）實(shí)時(shí)更新并監(jiān)控溫室環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度及CO2濃度。

具體軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖3 上位機(jī)界面開(kāi)發(fā)流程 圖4 嵌入式GTK界面開(kāi)發(fā)流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

該系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器體積小、功耗低、可移動(dòng)，只需一次性搭建并可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。溫室環(huán)境置于無(wú)線局域網(wǎng)范圍內(nèi)，上位機(jī)和嵌入式系統(tǒng)都可移動(dòng)監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境因素，上位機(jī)界面擁有測(cè)控環(huán)境的最高優(yōu)先級(jí)，各終端節(jié)點(diǎn)也具備一定的處理能力，本身在網(wǎng)絡(luò)故障情況下將啟動(dòng)預(yù)設(shè)控制方案，觀測(cè)者也可手持嵌入式系統(tǒng)隨時(shí)測(cè)控溫室環(huán)境參數(shù)。因此，該系統(tǒng)在溫室環(huán)境測(cè)控領(lǐng)域具備一定的價(jià)值和意義。

［1］何文德，楊鳳年，劉光燦.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在文物保護(hù)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2007，26（2）：99－101，106.

［2］蔡志華，向宇坷，陳超，等.溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表用戶，2010（4）：25－28.

［3］張玲，李磊民，黃玉清.藍(lán)牙無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在谷倉(cāng)監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（5）：111－113.

［4］羅武勝，魯琴，張勇.超寬帶無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC協(xié)議［J］.計(jì)算機(jī)工程，2008，38（11）：108－11.

［5］高峰，俞立，盧尚瓊，等.國(guó)外設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26（2）：279－285.

［6］徐小濤，黃秋實(shí)，吳延林，等.基于ZigBee的 WPAN網(wǎng)絡(luò)配置應(yīng)用［J］.今日電子，2009（7）：78－79.

［7］張同光，潘紅.Linux中GTK＋編程技術(shù)研究及其應(yīng)用［J］.軟件導(dǎo)刊，2007，15：121－125.

［8］羅賢全，尚朝軒，高勤.用GTK開(kāi)發(fā)Linux嵌入式GUI應(yīng)用程序［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2004（6）：89－92.