馮 琪，陳 光，陳澤虎

(東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

0 引言

近年來(lái)，溫室大棚種植技術(shù)得到了迅速的推廣和應(yīng)用，它提高了作物的產(chǎn)量，解決了作物生長(zhǎng)的季節(jié)問(wèn)題。然而，溫室作物對(duì)其種植環(huán)境要求較高，怎樣對(duì)室內(nèi)的溫度、濕度及光照度等環(huán)境因子進(jìn)行智能控制已成為人們正在研究和解決的重要課題。從國(guó)外引進(jìn)的智能溫室大棚價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用極高，因而研制高性能的大棚監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對(duì)目前溫室價(jià)格昂貴、布線(xiàn)困難、功耗高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)各個(gè)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)以及自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的各個(gè)因子的檢測(cè)、無(wú)線(xiàn)傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。MCU采用EFM32TG110，主要電路模塊［2］包括傳感器電路、電源電路、無(wú)線(xiàn)傳感電路。傳感器電路將實(shí)時(shí)參數(shù)發(fā)送給MCU，MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與預(yù)處理，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合，最終將參數(shù)通過(guò)串口在電腦上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并能根據(jù)需要進(jìn)行一定的調(diào)控。

1.2 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)選用的是EFM32TG110［3］。該芯片是32位的ARM處理器，專(zhuān)業(yè)的低功耗芯片。最高頻率可達(dá)32 MHz。一共有5種功耗模式，其深度睡眠模式的最低功耗電流只有20 nA，具有超快的喚醒能力，電壓3.3 V。

1.3 傳感器電路

傳感器電路由光照傳感器和溫濕度復(fù)合傳感器組成。溫濕度復(fù)合傳感器采用AM2301。采用單總線(xiàn)。若要準(zhǔn)確讀數(shù)，間隔時(shí)間最小是2 s。單片機(jī)采用I2C通信方式讀寫(xiě)B(tài)H1750FVI，它作為本設(shè)計(jì)的光照傳感器。

1.4 無(wú)線(xiàn)電路

本設(shè)計(jì)中的各節(jié)點(diǎn)選用CC2530芯片，作為Zig-Bee模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理及ZigBee無(wú)線(xiàn)通信功能。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，本設(shè)計(jì)采用星型網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，1，2，3，...，n是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)。0是星形網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，能將收集到的數(shù)據(jù)最終通過(guò)串口發(fā)送給PC接收。也能將PC的指令發(fā)送給各傳感器節(jié)點(diǎn)，最終通過(guò)串口發(fā)送給MCU來(lái)做出決策。

1.5 電源與燈控電路

電源電路:電源芯片選TPS5430DDAR提供12 V的電壓，轉(zhuǎn)換成5 V和3.3 V。

燈控電路:此處使用繼電器JGX-3F來(lái)驅(qū)動(dòng)日光燈的開(kāi)斷。

1.6 上位機(jī)顯示與控制

最終輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口轉(zhuǎn)USB接口在電腦上顯示。顯示的內(nèi)容包括溫度信息(范圍0～50℃)、光照信息和串口端口選擇。如果溫度過(guò)高，將會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。另外還可以通過(guò)選擇燈控開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)燈光的控制。

2 通訊協(xié)議

通訊協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，如表1所示。通信數(shù)據(jù)格式分為上行協(xié)議與下行協(xié)議。上行協(xié)議即MCU上傳數(shù)據(jù)的協(xié)議，上行協(xié)議的格式為首位為0xef，其次為辨識(shí)位、ID、數(shù)據(jù)高字節(jié)、數(shù)據(jù)低字節(jié)、校驗(yàn)和0xfe;辨識(shí)位如表2所示，當(dāng)Mcu收到下行協(xié)議之后，將溫度、光照、濕度數(shù)據(jù)封裝成上行協(xié)議，上位機(jī)對(duì)協(xié)議進(jìn)行解析，當(dāng)收到握手協(xié)議時(shí)說(shuō)明連接成功，即可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)辨識(shí)位、分離溫度、光照、濕度、燈狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)收到上報(bào)結(jié)束指令時(shí)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。下行協(xié)議是使單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的協(xié)議，其格式為:“0xef，0xc0，0x00，0x00，0x00，0xc0，0xfe”。另外，本系統(tǒng)也可以控制光照，開(kāi)關(guān)燈的協(xié)議為首位為0xef，其次為 C5、ID、00或 01(關(guān)或開(kāi))、校驗(yàn)和0xfe。

表1 通信協(xié)議

表2 辨識(shí)位

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)單片機(jī)的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

系統(tǒng)上電之后，先進(jìn)行時(shí)鐘、各I/O端口及通信端口初始化。傳感器初始化之后，MCU就開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)放置在設(shè)置的緩沖區(qū)數(shù)組中。當(dāng)單片機(jī)收到指令，產(chǎn)生中斷后，便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)算術(shù)平均法，利用傳感器節(jié)點(diǎn)的緩存機(jī)制將多次采樣的同種類(lèi)型的數(shù)據(jù)合并成一條數(shù)據(jù)信息。設(shè)節(jié)點(diǎn)的采樣頻率為f，可以設(shè)定，從上次接收的指令到這次接收的指令的時(shí)間間隔T，在T間隔內(nèi)，MCU共采集了 k次數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為 xq(q=1，2，...，k)。MCU計(jì)算出緩存數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值(k)，通過(guò)MCU的串口發(fā)送給ZigBee。然后將緩存中的數(shù)據(jù)全部清除，為下一次采集N個(gè)數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

均值為:

3.2 無(wú)線(xiàn)通信軟件設(shè)計(jì)

圖4 傳感器及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

傳感器及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖4所示。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)主要作用是傳輸MCU采集好的溫濕度，光照數(shù)據(jù)給ZigBee協(xié)調(diào)器［4］，并接收來(lái)自協(xié)調(diào)器的相關(guān)命令。該節(jié)點(diǎn)上電后，首先硬件初始化和協(xié)議棧初始化，搜索可用信道并加入，成功加入后進(jìn)入省電模式。普通情況下，ZigBee進(jìn)入低功耗模式。有數(shù)據(jù)時(shí)，采用中斷喚醒的工作機(jī)制。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)，喚醒工作，串口接收MCU采集的數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送ZigBee協(xié)調(diào)器，發(fā)送完后重新回到低功耗模式。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，初始化芯片與協(xié)議棧，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，準(zhǔn)許加入并分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，協(xié)調(diào)器不能處于休眠狀態(tài)，如果收到來(lái)自上位機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)指令，則將通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，當(dāng)接收到來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)將原來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，以便上位機(jī)能夠?qū)Ω鞣N數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。

3.3 數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中有很多的節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)融合是指將星型網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)傳感器的獲取值進(jìn)行綜合，從而能夠減少無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，有效地減少各個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗能，并且能夠消除數(shù)據(jù)采集的不確定性，提高準(zhǔn)確度。對(duì)于數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，均方誤差越小，則融合值的波動(dòng)越小，從而得到的數(shù)據(jù)越接近于真實(shí)值。

圖5 自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合模型圖

圖5是自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合模型圖，自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法［5］的實(shí)現(xiàn)方法是:根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)自適應(yīng)地確定其對(duì)應(yīng)的權(quán)數(shù)，以使數(shù)據(jù)融合后的均方誤差最小為條件，來(lái)求融合值。如公式(3)所示。其中W1，W2，Wi為使得方差最小的權(quán)值。各傳感器節(jié)點(diǎn)的采集多次的數(shù)據(jù)平均值為(k)，發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后的加權(quán)平均數(shù)據(jù)融合值為:

其中，W1，W2，…，Wn的權(quán)值和為1 且有:

總均方平方和誤差δ2為:

由于式(5)為多元二次函數(shù)，有最小值，通過(guò)對(duì)其求導(dǎo)，就可以求得最優(yōu)加權(quán)因子為 W'i，如公式(6)。代入式(3)從而可求融合值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)獲得融合數(shù)據(jù)的可靠性，依次對(duì)傳感器各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣。以溫度、濕度數(shù)據(jù)為例，相等的時(shí)間為間隔，一次采樣內(nèi)，各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)公式(3)和公式(5)，用加權(quán)算法得到的最終結(jié)果溫度=25.6，濕度=57.7。總體方差溫度為0.0057635，濕度為 0.166444。對(duì)比之下，用均值算法得到的平均值，溫度為25.57，濕度為56.82，其方差溫度為0.08223，濕度為0.8839。可以發(fā)現(xiàn)用自適應(yīng)加權(quán)算法相對(duì)于均值算法來(lái)說(shuō)具有更小的方差，其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性更強(qiáng)。

表3 溫濕度數(shù)據(jù)圖

圖6 上位機(jī)顯示圖

圖6是上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示的大棚內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)，可以實(shí)時(shí)顯示4個(gè)區(qū)域的值，其中包括溫度、濕度及光照，并且可以觸動(dòng)按鍵從而控制繼電器以控制燈光，從而補(bǔ)光。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)上述環(huán)境因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或控制。

由以上結(jié)果分析可得，本智能監(jiān)控系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)由于能夠有效地抑制誤差，提高了融合數(shù)據(jù)的精度，從而達(dá)到了節(jié)能的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了智能大棚的溫度、濕度及光照等參數(shù)的采集、傳輸及監(jiān)控的原理和方法，并以EFM32TG110及CC2530芯片為核心硬件，設(shè)計(jì)了智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理及通信的軟件設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)融合算法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)的多點(diǎn)檢測(cè)、無(wú)線(xiàn)傳輸和實(shí)時(shí)智能監(jiān)控，具有良好的經(jīng)濟(jì)與實(shí)用價(jià)值。

［1］程雪，王彬，賈北平.基于無(wú)線(xiàn)通信的多點(diǎn)溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(8):191-192，201.

［2］高云，梁秀英，王為.基于MSP430的溫室多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(8):187-190.

［3］姚鋼.EFM 32 Gecko實(shí)現(xiàn)超低功耗設(shè)計(jì)［J］.EDN China電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2010，5:22，24.

［4］高守瑋，吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:354-368.

［5］邱爽，吳巍.無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合算法研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(7):119-122.

［6］于福海，樊明輝，王龍奇.大棚溫濕度無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2(10):29-31.

［7］韓敏，李書(shū)琴，張靜，等.智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(29):67-68，300.

［8］張澤武，朱艷，葛桂月，等.環(huán)境智能傳感系統(tǒng)研制［J］.無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2012(1):20-23.

［9］羅海勇，李錦濤，趙方，等.溫室無(wú)線(xiàn)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)信息采集分系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2007，24(10):1-4，7.

［10］馬國(guó)美，宋仲康.基于DSP的智能大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)，2011(8):36-37.

［11］文斌，寧志強(qiáng)，陳愛(ài)萍.基于“北斗一代”的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)［J］.電訊技術(shù)，2011，51(9):92-95.

［12］陳國(guó)紹，丁莉，王中生.基于ZigBee的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013，3(10):16-18.

［13］鞏大力，虎嘯.基于CAN總線(xiàn)交叉口交通監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38(2)115-118.

［14］章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20(7):184-187，120.

［15］劉洪朋，葛廣英，周松林.基于ZigBee的電解槽溫度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化與儀表，2012，27(2):37-40.

［16］衣翠平，柏逢明.基于ZigBee技術(shù)的CC2530糧庫(kù)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，34(4):53-57.

［17］袁淑萍.ZigBee組網(wǎng)技術(shù)在智能溫室系統(tǒng)中的運(yùn)用［J］.信息安全與技術(shù)，2012(9):97-99，105.

［18］沈卓，張榮標(biāo)，郭建光，等.基于ZigBee和CDMA的溫室遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)新通信，2010，12(1):73-76.

［19］羅巍巍，徐曉.基于ZigBee和RFID的環(huán)形流水線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013(11):98-100，104.