李萌，鄧琛，王昌志

（上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海，201620）

李萌（碩士），研究方向為嵌入式智能系統(tǒng)、智能交通；鄧琛（教授），主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡、信息檢測與處理、嵌入式智能系統(tǒng)；王昌志（碩士），主要研究方向為嵌入式射頻識別技術應用。

引 言

智能農業(yè)是目前農業(yè)發(fā)展的新方向，它根據(jù)農作物的生長習性及時調整土壤狀況和環(huán)境參數(shù)，較為典型的應用是大棚蔬菜水果的管理，以最少的投入獲得最高的收益，改變了傳統(tǒng)農業(yè)中必須依靠環(huán)境種植的弊端及粗放的生產(chǎn)經(jīng)營管理模式［1－2］。

智能農業(yè)的核心問題涉及4 個部分：農業(yè)信息的獲取、獲取信息的處理、農業(yè)信息的分析及決策的制定、由決策而決定的具體實施方針［3］。隨著通信、計算機、傳感器等技術的迅速發(fā)展，“物聯(lián)網(wǎng)＋”的概念已經(jīng)滲透到很多行業(yè)和領域，“物聯(lián)網(wǎng)＋農業(yè)”即構成了智能農業(yè)，它將采集的溫度、光照、濕度、植物生長狀況等信息進行加工、傳輸和利用，為農業(yè)在各個時期的精準管理和預警提供信息支持，以最少的資源消耗獲得最大的產(chǎn)出。

本文結合智能農業(yè)涉及的4 個核心問題，基于Lab－View 和ZigBee以及多種傳感器搭建一個模擬仿真硬件平臺。數(shù)據(jù)采集終端設備以Arduino控制器為核心，上位機采用LabView2011，無線傳輸設備采用XBEE 模塊，多種傳感器作為采集模塊，小型直流電機作為執(zhí)行設備，從而實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集以及上位機監(jiān)測軟件的數(shù)據(jù)分析、記錄和遠程監(jiān)控。

1 無線監(jiān)測平臺設計方案

在一些大型農田以及室內大棚，由于作物生長環(huán)境的需要，大棚內需要定期進行開窗處理（傳統(tǒng)的大棚主要采用薄膜加蓋處理，常常施行人工加蓋和揭蓋處理，改進后的大棚可利用電機控制開窗動作，類似自動窗簾的處理），從而獲得適時的光照、溫度等。夜間其各項環(huán)境參數(shù)均需要維持在一定的范圍內，對控制要求的精度較高，基礎設施配置較高的農田或大棚常常附有灌溉功能。為實現(xiàn)上述要求，無線監(jiān)測系統(tǒng)在硬件上采用傳感器實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee模塊可靠傳輸，軟件上采用LabView 和Access。

系統(tǒng)主要包含4個模塊：采集模塊、傳輸模塊、處理監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫記錄模塊。采集模塊主要包含DHT11濕度傳感器、LM35 溫度傳感器、BH1750FVI光照傳感器，傳感器主要完成數(shù)據(jù)的實時采集，傳感器模塊和核心控制芯片Arduino相連，完成信息的轉換和處理，為信息傳輸做好準備工作。

傳輸模塊利用XBEE模塊和嵌入式組件連接，這里主要和Arduino控制器連接，根據(jù)農田測量點的分布情況，可完成近距離或者遠距離的信息傳輸；處理監(jiān)控模塊主要對現(xiàn)場傳輸進入PC 機的信息進行實時的分析處理，通過，設定閾值的判斷完成對執(zhí)行機構的處理，及時地完成環(huán)境參數(shù)的調節(jié)和預警處理等措施。

數(shù)據(jù)庫記錄模塊主要將上位機分析處理的有效信息進行實時存儲，針對異常信息的存儲，根據(jù)時間周期的變化，用戶可根據(jù)數(shù)據(jù)庫記錄信息對后期作物培養(yǎng)環(huán)境參數(shù)進行適時的調整，以實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)最優(yōu)配置。整個系統(tǒng)的設計方案如圖1所示。

圖1 智能農業(yè)無線監(jiān)測平臺系統(tǒng)設計方案

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由LM35溫度傳感器、DHT11濕度傳感器、BH1750FVI光照傳感器、小型直流電機、Arduino系列單片機、XBEE無線模塊以及計算機組成。所有傳感器可直接將測量的模擬量轉化成數(shù)字量，利用單片機對其信號進行采集和處理，通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行處理，并完成分析、預警、響應和記錄等步驟。

2.1 溫度傳感器

溫度采集使用模擬溫度傳感器LM35。National Semiconductor生產(chǎn)的溫度傳感器LM35具有很高的工作精度，在室溫25 ℃時，無需外部校準或微調其測量精度為±0.5 ℃［4］。它還有較高的線性工作范圍，溫度的測量范圍在0～100 ℃，而且LM35 的輸出電壓Vout＿Lm35與攝氏溫度T 之間成線性比例，線性變化系數(shù)為＋10mV／℃，其轉換公式為Vout＿LM35（T）＝10mV／℃×T ℃，當0℃時其輸出電壓為0 V，每升高1 ℃，其輸出電壓會隨之增加10mV，其工作電壓為直流4～30V，功耗小于60μA。

2.2 溫濕度傳感器

濕度的采集使用含有已校準數(shù)字信號輸出的DHT11數(shù)字溫濕度復合傳感器。該傳感器是由一個電阻式感濕元件、一個NTC測溫元件與一個高性能的8位單片機相連接而成，這就確保了該傳感器具有極高的品質和可靠性、超快的響應、極強的抗干擾、較高的性價比以及卓越的長期穩(wěn)定性。該傳感器測量濕度的量程為20～90%RH，精度為±5%RH，測量溫度量程為0～50 ℃，精度為±2 ℃，工作電壓為3.5～5.5V，工作電流平均為0.5mA，分辨率為8 位，采樣周期為1s［5］。在本系統(tǒng)中主要利用了該傳感器測量濕度的測量信息，已經(jīng)使用了精度更高、更靈敏的溫度傳感器LM35，故不考慮其對溫度的測量。

2.3 光照強度傳感器

光照強度的采集使用不區(qū)分光源的16位數(shù)字輸出型環(huán)境光照強度集成電路——BH1750FVI，它是日本RHOM 株式社會推出的一款兩線式的串行總線接口的集成電路采集元件，可以根據(jù)實時收集到的光照強度數(shù)據(jù)來監(jiān)測當前環(huán)境。該傳感器的分辨率很高，光照強度的感應范圍為0～65 535lx，可以支持大范圍的光照強度變化的監(jiān)測，其工作電壓為3～5V，同時該傳感器內置有16位的A／D 轉換器［6］。

2.4 Arduino單片機板

數(shù)據(jù)采集終端設備采用Arduino Mega2560作為控制核心，其采用USB為接口的核心電路板，相比于Arduino Uno，它最大的特點就是具有54路數(shù)字輸入／輸出，十分適合需要大量接口的設計。Arduino Mega2560的核心處理器是ATmega2560，具有54 路數(shù)字I／O 口，其中的16路可作為PMW 輸出或16路模擬輸入，每一路都具有10位（即1024 位）的分辨率，默認的輸入信號范圍為0～5V；具有4路UART 接口、一個USB接口、一個16 MHz的晶體振蕩器、一個ICSP header、一個復位按鈕和一個電源插 座［7］。其 工 作 電 壓 為5 V，I／O 引 腳 直 流 電 流 為40mA，F(xiàn)lash 存儲器為256 KB，SRAM 為8 KB，EEPROM 為4KB，工作時鐘為16 MHz。Arduino Mega2560的正反面外觀如圖2所示。

圖2 Arduino Mega2560的正反面外觀

2.5 XBEE模塊

XBEE模塊是美國Digi公司的ZigBee模塊產(chǎn)品，是一種遠距離低功耗的無線模塊，頻段包含2.4GHz、900 MHz、868 MHz三種，同 時 可 兼 容802.15.4 協(xié) 議［8］，其 可 搭 配Mesh網(wǎng)絡，每個模塊都可以作為路由節(jié)點、路由器以及終端節(jié)點。XBEE OEM RF模塊接口，通過邏輯電平連接到主機設備的異步串行端口。通過其串行接口，該模塊可以與任意邏輯和電壓兼容的UART 相連，或通過電平轉換到其他串行設備，其引腳接線示意圖如圖3所示。

圖3 XBEE與微控制器引腳接口示意圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機軟件設計

由于系統(tǒng)涉及傳感器設備較多，且系統(tǒng)對數(shù)據(jù)更新的實時性要求較高，故上位機采用并行結構完成多路信號的采集和控制。多路傳感器信號經(jīng)過采集和處理后，在單片機中須通過串口將有效數(shù)據(jù)打印出來，所有字符串最終通過XBEE 模塊傳輸給上位機進行處理。具體工作流程如圖4所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件設計包含系統(tǒng)參數(shù)設置、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史曲線、手動控制等功能［9］，主要完成對環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)控，并對各個參數(shù)的上下限報警值完成參數(shù)設置。一旦系統(tǒng)中某個參數(shù)超出設定閾值，軟件界面立即產(chǎn)生指示燈報警，另一方面系統(tǒng)可根據(jù)報警的參數(shù)進行系統(tǒng)參數(shù)調整。例如，當系統(tǒng)界面監(jiān)測到光照參數(shù)小于設定的下限值時，表示作物接收的光照強度過弱，上位機將立即給下位機一個開啟照明設備的信號，此時照明設備開啟。當系統(tǒng)一切恢復正常后，報警燈將消失，同時相應的設備也恢復到默認的狀態(tài)。

圖4 上、下位機配合工作流程圖

LabView 程序設計分為前面板設計和程序框圖設計兩部分，其中程序結構框圖是核心部分，整個系統(tǒng)程序結構框圖采用3個線程，分別完成溫度、濕度、光照的參數(shù)配置、數(shù)據(jù)報警預設以及數(shù)據(jù)的存?。?0］。前面板是程序運行的顯示界面，即人機接口界面，操作者可直接在該界面上清晰地了解實時數(shù)據(jù)的變化，并可直接進行參數(shù)配置和調整以及手動控制等功能。上位機的程序結構框圖及界面設計如圖5、圖6所示。

4 實驗測試與結果

為測試監(jiān)控平臺的實時性，配置好系統(tǒng)參數(shù)后，分別將光照上限參數(shù)設置為15lx，濕度上限參數(shù)設置為50%，溫度上限參數(shù)設置為20 ℃。待系統(tǒng)工作一段時間，對溫度傳感器進行加熱處理，對濕度傳感器進行水蒸氣加濕處理，對光照傳感器進行遮光處理，很快軟件監(jiān)控界面出現(xiàn)報警顯示，如圖7所示。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)均能表現(xiàn)出較好的實時性。

圖5 部分程序結構框圖

圖6 程序界面設計

結 語

基于LabView 和XBEE 的智能農業(yè)無線監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用了LabView 友好的人機界面以及XBEE 遠距離無線傳輸?shù)墓δ?，配合多種傳感器檢測裝置以及執(zhí)行裝置，完成了環(huán)境參數(shù)的有效采集、傳輸以及實時監(jiān)控和遠程控制等，較好地實現(xiàn)了自動化的智能功能。針對“物聯(lián)網(wǎng)＋”概念的逐漸推廣和完善，此測試系統(tǒng)也可運用于其他領域中，如智能家居、無線探測、惡劣環(huán)境探測等。

圖7 報警界面

［1］管繼剛.物聯(lián)網(wǎng)技術在智能農業(yè)中的應用［J］.通信管理與技術，2012（5）.

［2］戴起偉，凡燕.物聯(lián)網(wǎng)技術與江蘇智能農業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展［J］.江蘇農業(yè)科學，2011（5）.

［3］宋艷.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能農業(yè)種植系統(tǒng)設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2013（4）.

［4］李志宇，肖前貴.基于LM35 溫度傳感器的溫控系統(tǒng)設計［J］.微計算機信息，2004（9）.

［5］韓英梅，趙建平.基于DHT11的無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計［J］.井岡山大學學報：自然科學版，2011（1）.

［6］王海燕，陳貴斌.基于BH1750 芯片的智能窗簾控制系統(tǒng)設計［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2015（3）.

［7］楊繼志，楊宇環(huán).基于Arduino 的網(wǎng)絡互動產(chǎn)品創(chuàng)新設計［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012（1）.

［8］王 靜 霞.一 種 與ZigBee／802.15.4 協(xié) 議 兼 容 的RF 模 塊XBEE／XBEE Pro及其應用［J］.電子工程師，2007（3）.

［9］黃豪彩，楊燦軍.基于LabVIEW 的深海氣密采水器測控系統(tǒng)［J］.儀器儀表學報，2011（1）.

［10］唐亞鵬，侯媛彬.基于LabVIEW 的實踐教學平臺與Access數(shù)據(jù)庫的開發(fā)［J］.計算機技術與發(fā)展，2011（5）.