梁麗

（陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和科技水平的提高，智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為未來(lái)我國(guó)發(fā)展的一個(gè)重要的趨勢(shì)。同時(shí)隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)，溫室農(nóng)作物栽培成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。根據(jù)農(nóng)業(yè)部門的統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)溫室栽培面積已經(jīng)達(dá)到210萬(wàn)hm2，成為國(guó)際上農(nóng)業(yè)發(fā)展的一支重要的力量。但是，隨著溫室規(guī)模的不斷擴(kuò)大，如何對(duì)溫室規(guī)模群實(shí)現(xiàn)整體監(jiān)控，成為當(dāng)前智能化發(fā)展需要思考的重要的趨勢(shì)，對(duì)此本文提出一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)搭建

與傳統(tǒng)的溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)相比，溫室群環(huán)境監(jiān)控則是在傳統(tǒng)溫室監(jiān)控監(jiān)控的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用服務(wù)集群的方式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的不同溫室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，從而使得農(nóng)業(yè)企業(yè)通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)處在全國(guó)各地的溫室進(jìn)行監(jiān)控，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的管理。對(duì)此，根據(jù)該原理，本文將該系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)布局Fig.1 The overall architecture of system layout

通過(guò)圖1可以看出，對(duì)系統(tǒng)的底層其通信協(xié)議采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)ZigBee協(xié)議，在每個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)搭載著不同類型的環(huán)境監(jiān)控傳感器，從而將溫室環(huán)境監(jiān)控信息上傳到溫室群當(dāng)中的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。這些協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)在接收到相關(guān)的數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過(guò)其中的RS232-RJ45通信協(xié)議，最終將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為RJ45的格式，則將數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)的路由器當(dāng)中。同時(shí)在溫室當(dāng)中布局視頻節(jié)點(diǎn)，通過(guò)其中的IEEE 802.11協(xié)議，也將視頻采集到的數(shù)據(jù)上傳到路由器當(dāng)中。最后通過(guò)上述步驟將數(shù)據(jù)共享到現(xiàn)場(chǎng)的服務(wù)器當(dāng)中。而現(xiàn)場(chǎng)的服務(wù)器則通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的匯總，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的方式與總的服務(wù)器進(jìn)行處理。用戶終端系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)界面即可實(shí)現(xiàn)對(duì)下屬的任何一個(gè)溫室環(huán)境進(jìn)行查看、分析和整理，并根據(jù)溫室溫度的情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室溫度的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)控制模塊設(shè)計(jì)

為更好的做好對(duì)溫室溫度的監(jiān)控，本文將傳感器節(jié)點(diǎn)搭載相應(yīng)的傳感器和繼電器，從而通過(guò)該系統(tǒng)中傳感器對(duì)其中的溫度、光照度等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，并可通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以此最后實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)溫室當(dāng)中溫度方面的監(jiān)控和控制。而在該系統(tǒng)中空氣的溫濕度傳感器本文則選擇有歐洲Sensirion公司所生產(chǎn)的數(shù)字濕度傳感器，該類傳感器的濕度值的輸出分辨率則為12位、該傳感器的電源電壓范圍保持在 2.4～5.5 V的范圍之內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量是其消耗的電流大約在 550 μA，平均能耗為28 μA。該傳感器采集濕度的精度與傳統(tǒng)的相比，其精度要高，在±2%左右。同時(shí)可根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)采集的需要，對(duì)傳感器采集時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使得對(duì)數(shù)據(jù)的采集在需要的時(shí)候定時(shí)采集，而在不需要的時(shí)候則可以將其關(guān)閉，節(jié)約系統(tǒng)的能耗。

另外，在本系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)光照傳感器的選擇為由西門子公司的硅光電池型號(hào)，該類傳感器對(duì)波長(zhǎng)在400～1100 nm，而該類波長(zhǎng)正好為農(nóng)作物吸收的波長(zhǎng)，以此更好的可以對(duì)農(nóng)作物的光照進(jìn)行監(jiān)控。該傳感器其光敏探頭的輸出電壓通常保持在 10～1 100 mV，通過(guò)系統(tǒng)當(dāng)中的運(yùn)放器可見將其放大的原來(lái)的3倍，從而可以給通信模塊提供到30～3 300 mV的采樣的電壓。

而其中的繼電器的控制，通過(guò)上機(jī)位下達(dá)的命令，由PCA9554驅(qū)動(dòng)I/O功能接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)電壓開關(guān)的控制，以此驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止。

2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文采用由TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片，該芯片是以CMOS作為解決方案，可有效的提高系統(tǒng)性能，并滿足 ZigBee為基礎(chǔ)的波段，同時(shí)對(duì)該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧選擇ZigBee2006協(xié)議，其具體的硬件原理圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線模塊原理圖設(shè)計(jì)Fig.2 Schematic Design of wireless module

2.3 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

對(duì)電源的設(shè)計(jì)，本文采用由美國(guó)TI公司所生產(chǎn)的和型號(hào)，上述型號(hào)其標(biāo)準(zhǔn)電壓分別為3.3 V、5.0 V。通過(guò)出常規(guī)電池供電的方式以外，還可通過(guò)USB接口的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟甲功能平臺(tái)設(shè)計(jì)

為更好的提供對(duì)溫室環(huán)境的監(jiān)控，本文對(duì)后臺(tái)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)全部采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，并預(yù)留系統(tǒng)功能接口。對(duì)此，文中將該軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)為如圖3所示。

對(duì)該平臺(tái)的開發(fā)分為兩個(gè)部分，一部分為前臺(tái)開發(fā)，這部分通過(guò)VS2012開發(fā)工具，并以ASP作為開發(fā)語(yǔ)言，對(duì)前天進(jìn)行開發(fā)；后臺(tái)部分的開發(fā)采用采用PBuilder進(jìn)行開發(fā)。對(duì)整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle9i，系統(tǒng)服務(wù)器采用Tomcat6.0。

3.2 協(xié)議棧軟件設(shè)計(jì)

對(duì)該部分軟件的開發(fā)，則采用IAR7.30B、串口調(diào)試工具、硬件驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)分析儀等。對(duì)系統(tǒng)軟件的開發(fā)時(shí)基于TI公司所提供的一個(gè)免費(fèi)的ZigBee2006協(xié)議棧所進(jìn)行的。并以其中的ZStack-1.4.3-1.2.1版本當(dāng)中的GenericApp作為基礎(chǔ)。該例程在功能方面比較齊全，并可在ZStack實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 上位機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)Fig.3 PC software function design

而無(wú)線通信模塊則通過(guò)其中的串口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集及其控制，對(duì)此，需要對(duì)串口的數(shù)據(jù)收發(fā)功能和傳輸功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。其具體的步驟為首先在ZStack的程序當(dāng)中潛入一個(gè)實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，并通過(guò)統(tǒng)一組網(wǎng)的方式，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的加入、收發(fā)等進(jìn)行控制。對(duì)此，要完成其中的任務(wù)，則需要采用統(tǒng)一的處理函數(shù)對(duì)其中的事件的處理進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)入到該事件的處理函數(shù)后，根據(jù)其中的event判定其中任務(wù)的發(fā)生，其具體的處理流程則如圖4所示。

圖4 任務(wù)處理部分流程Fig.4 Task processing parts of the process

如在通過(guò)無(wú)線發(fā)送的時(shí)候，則應(yīng)用層會(huì)直接發(fā)送一個(gè)GEN ERICA PPSENDM SCEV T事件，其具體的串口程序?yàn)椋?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)該溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而得到該無(wú)線傳送系統(tǒng)在20 m的范圍之內(nèi)可實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)其數(shù)據(jù)丟包率在0.5%以內(nèi)。而在35 m的范圍之內(nèi)其丟包的范圍更大，由此使得該系統(tǒng)可廣泛的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控之中，并滿足農(nóng)業(yè)工程的需要。

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