朱建博+胡勝慧++汪斌

【摘 要】智能大棚已經(jīng)在我國的部分地區(qū)有著應(yīng)用，所謂智能大棚，是指在現(xiàn)有的農(nóng)作物溫室大棚的基礎(chǔ)之上，針對目標(biāo)作物所需的生長環(huán)境要求，通過現(xiàn)代化的人為干預(yù)措施進(jìn)行管理，使農(nóng)作物長期處于最適宜的生長環(huán)境，以達(dá)到產(chǎn)量高，品質(zhì)好的目的。實現(xiàn)是藉由計算機(jī)和現(xiàn)代化的新型傳感器設(shè)備及信息傳輸?shù)南到y(tǒng)，監(jiān)測大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)（光照強度、溫度、濕度、空氣中CO2濃度等），從而構(gòu)建一個可調(diào)可控的大棚系統(tǒng)。所提出的智能大棚低功耗系統(tǒng)，在其原有的性能基礎(chǔ)上，能夠通過自身設(shè)備的改進(jìn)，進(jìn)行進(jìn)一步的低功耗設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】Zigbee；低功耗設(shè)計；研究

【Abstract】This system is based on the ZigBee technology which can build up a wireless sensor network. In addition， during the working in agricultural greenhouses ， this system can not only do a real-time detection but also do well in energy saving .And this article is mainly talked about several ways to reduce the energy loss in the work.

【Key words】Zigbee； Low functional design； Research

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是將物體用射頻識別設(shè)備、傳感器設(shè)備通過移動網(wǎng)絡(luò)或其他方式接入到互聯(lián)網(wǎng)，并實現(xiàn)基于電腦和智能手機(jī)的實時檢測和控制的技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)的測控系統(tǒng)。智能大棚是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，它是指在現(xiàn)有的農(nóng)作物溫室大棚的基礎(chǔ)之上，針對目標(biāo)作物所需的生長環(huán)境要求，通過現(xiàn)代化的人為干預(yù)措施進(jìn)行管理，使農(nóng)作物長期處于最適宜的生長環(huán)境，以達(dá)到產(chǎn)量高，品質(zhì)好的目的。智能大棚已經(jīng)在我國的部分地區(qū)有著應(yīng)用。

現(xiàn)階段應(yīng)用的農(nóng)業(yè)智能大棚，大多采用基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的解決方案。無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用基于單片機(jī)，傳感器和射頻模塊的傳感器節(jié)點組網(wǎng)而成。由于智能大棚供電環(huán)境的限制，傳感器節(jié)點大多采用電池供電，從而使移動方便以及攜帶便利，但是現(xiàn)有農(nóng)業(yè)大棚的傳感器節(jié)點一般采用不間斷的供電模式，以達(dá)到能夠連續(xù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)分析處理的目的。該工作機(jī)制使得系統(tǒng)能夠收集大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，但是長時間的不間斷工作會使傳感器節(jié)點系統(tǒng)的功耗過高、器件使用壽命變短，不能夠使電池保持很好的續(xù)航能力。所以為了在保證原有的功能基礎(chǔ)之上盡可能降低系統(tǒng)的功耗，以達(dá)到延長設(shè)備使用時間的目的。本論文提出一種基于ZigBee節(jié)點的低功耗智能大棚系統(tǒng)方案。

1 智能大棚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該智能大棚采用基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的解決方案。傳感器節(jié)點以TI公司的CC2530芯片作為主控制器，CC2530芯片集成了8051單片機(jī)和RF收發(fā)器。[1]傳感器節(jié)點工作時，通過溫度、濕度、光照傳感器采集空氣和土壤中的溫濕度以及光照度信息，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入8051單片機(jī)進(jìn)行處理得到溫濕度及光照度信息，通過與設(shè)定好的閾值進(jìn)行對比，在溫度或濕度超過閾值時啟動繼電器接通加溫或加濕模塊，對智能大棚中的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。此外，溫濕度及光照度信息通過射頻收發(fā)模塊傳送到其他的傳感器節(jié)點，并通過其他的傳感器中繼節(jié)點傳送到遠(yuǎn)端電腦服務(wù)器[2]。

智能大棚的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。無線傳感網(wǎng)絡(luò)由樹狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每個子節(jié)點通過傳感器采集溫度、濕度和光照度信息傳送到路由器節(jié)點，經(jīng)路由器節(jié)點中繼傳送到根節(jié)點，根節(jié)點將信息送到GPRS模塊，然后再由GPRS模塊經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)將信息傳送到遠(yuǎn)端電腦服務(wù)器端，連接到服務(wù)器的智能手機(jī)可下載電腦服務(wù)器端的環(huán)境參數(shù)信息。同時，智能手機(jī)可以通過裝載的應(yīng)用程序發(fā)送控制指令到電腦服務(wù)器端，并經(jīng)服務(wù)器、GPRS模塊、根節(jié)點和路由節(jié)點送到指定的子節(jié)點上，啟動加溫或加濕模塊，從而控制大棚內(nèi)的環(huán)境。

2 智能大棚低功耗設(shè)計

2.1 低功耗優(yōu)化措施

在智能化的大棚設(shè)備中，其終端設(shè)備主要為各種傳感器設(shè)備的敏感元件與其轉(zhuǎn)化電路。為了得到大棚的實際環(huán)境情況，可能需要測量空氣中溫濕度，土壤溫濕度，空氣中的CO2濃度以及大棚內(nèi)的水流進(jìn)出量等環(huán)節(jié)的參數(shù)，然而部分傳感器在濕度較重的環(huán)境中可能出現(xiàn)元器件的生銹磨損，從而導(dǎo)致獲得數(shù)據(jù)的不正確甚至影響最后的判斷準(zhǔn)確與否。所以在智能大棚內(nèi)的參數(shù)檢測的過程中，可采取兩套線路測量同一物理量的辦法來保持元器件的靈敏度，即對于目標(biāo)物理量的測量上，使用兩套傳感器設(shè)備來記錄數(shù)據(jù)，再通過輸入電腦的數(shù)據(jù)比對，在針對同一種類數(shù)據(jù)，同一位置上有兩種傳感器時，可以對于每個節(jié)點的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行判斷加以修正。另外，在一些環(huán)境較為潮濕的一些特殊環(huán)境，使用兩個傳感器探頭，通過設(shè)定好時間，進(jìn)行階段性的輪轉(zhuǎn)工作，來達(dá)到此工作點的工作時間得到延長的目的。

大棚的工作對象是作物，在普通的大棚（注：此處以拱形大棚為例）中，一般采用塑料薄膜作為覆蓋材料，而采用塑料薄膜對大棚內(nèi)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在光照強度與室內(nèi)的空氣混濁度等的變化。舉例可知：（1）當(dāng)大棚全部上卷時，室內(nèi)外相聯(lián)通，室內(nèi)空氣中的CO2含量在經(jīng)過一段時間后會與室外保持一致，即空氣中一般含有約0.03%的二氧化碳。所以在這段時間內(nèi)針對CO2的檢測探頭可以暫時停止工作。（2）針對光照強度的檢測設(shè)備在一天之中，只有在白天且光照強度超過一定的閥值之后，才能夠?qū)r(nóng)作物產(chǎn)生影響，因此在傍晚與晚上的時候，即使打開傳感器，也不能得到有效數(shù)據(jù)，所以在傍晚的時候，可以將此接口終端關(guān)閉，起到一定的功耗優(yōu)化作用。具體實現(xiàn)過程：針對測量二氧化碳的傳感器，預(yù)先在控制大棚薄膜卷起或鋪開的電機(jī)上引出一個激勵信號（設(shè)定激勵信號是高電平），設(shè)定測量二氧化碳的傳感器是由單片機(jī)終端的信號與電力開關(guān)的激勵信號進(jìn)行與非邏輯運算控制。當(dāng)同時有信號輸入時，通過與非門，則傳感器關(guān)閉。針對光照強度傳感器，則可以預(yù)先設(shè)置其工作時間，一般情況下可以設(shè)置5.30AM-5.00PM這段時間內(nèi)傳感器開啟，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其余時間選擇關(guān)閉[3]。

2.2 低功耗優(yōu)化實現(xiàn)

實現(xiàn)過程如下：通過在大棚內(nèi)外放置一系列的傳感器，在檢測初期全部打開，進(jìn)行初期的數(shù)據(jù)采集，作為接下來數(shù)據(jù)分析的依據(jù)，并將所獲得數(shù)據(jù)，在電腦上使用軟件進(jìn)行對比（此處可以采用MATLAB軟件進(jìn)行誤差分析與處理），分析一定時間段內(nèi)傳回的數(shù)據(jù)。若位于大棚內(nèi)部不同方位的傳感器，存在近距離內(nèi)的傳感器獲得的數(shù)據(jù)相同或者相似，可以判定，該物理量的實時性不強，同時認(rèn)定該區(qū)域內(nèi)的物理環(huán)境相似，相關(guān)物理量對于大棚內(nèi)部的影響相近，可以采取關(guān)閉其中一個傳感器的措施。一段時間后再次打開關(guān)閉的傳感器，收集兩處的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果外界環(huán)境改變導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，則判斷此時兩個終端處于不同的工作環(huán)境中，即需要將兩個終端同時打開以保證數(shù)據(jù)的實時有效，設(shè)定時間周期后，重復(fù)以上過程。對于傳感器上的數(shù)據(jù)的比對工作和記錄可以在ZigBee的節(jié)點上傳輸?shù)紾PRS的傳輸站，上傳到Internet上，再由控制電腦環(huán)節(jié)進(jìn)行下載，所下載的數(shù)據(jù)通過預(yù)設(shè)好的軟件進(jìn)行分析運算，得出結(jié)果后，藉由相同的方式，反饋開關(guān)指令給終端，控制相關(guān)的檢測設(shè)備的開啟或者關(guān)閉。傳輸通過AT指令來實現(xiàn)設(shè)備終端和PC機(jī)的連接[4-5]，如圖3。

在軟件實現(xiàn)上，針對數(shù)據(jù)的傳輸環(huán)節(jié)，為保證信號的強度，在大棚內(nèi)部架設(shè)結(jié)點時，應(yīng)考慮結(jié)點間的距離和結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上，可以有星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)，在三種結(jié)構(gòu)中，具有較好的穩(wěn)定性的是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以作為架構(gòu)時的首先選擇。

3 結(jié)語

智能大棚的優(yōu)化設(shè)計，其主要功能在原有的智能化儀器儀表的基礎(chǔ)上，繼承了原有設(shè)計的優(yōu)點，進(jìn)行材料的節(jié)能和結(jié)構(gòu)上的部分創(chuàng)新，在增強整套系統(tǒng)的可持續(xù)工作能力的同時增添了報警及防護(hù)的環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高了整套裝置的工作能力，在農(nóng)業(yè)上能夠有較好的運用。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]