重慶城市職業(yè)學(xué)院 楊 敏

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基于Zigbee的草莓栽培溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計

重慶城市職業(yè)學(xué)院 楊 敏

【摘要】隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，草莓逐漸采用智能溫室大棚內(nèi)栽培，不僅提高產(chǎn)量，還能方便管理，本文基于ZigBee技術(shù)，設(shè)計了一個智能溫室信息監(jiān)控和管理大棚，實現(xiàn)了對草莓的遠程監(jiān)控和管理。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；無線傳感網(wǎng)；溫室大棚

0 前言

草莓的生長周期較長，跨越秋、冬、春三個季節(jié)，生長環(huán)境中的土壤水分、溫度、濕度、通風(fēng)、采光及二氧化碳等對其影響較大，都采用溫室大棚栽培，方便掌握和調(diào)節(jié)環(huán)境中各項生長環(huán)境指標(biāo)，適應(yīng)其生長。目前，隨著政府對“三農(nóng)問題”的重視，給予農(nóng)戶較大的經(jīng)濟補貼，推動溫室大棚逐漸規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化和科學(xué)化。溫室基本使用了現(xiàn)代化管理模式，在大棚中安裝了較多監(jiān)控和管理的設(shè)施設(shè)備，如外遮陽簾、側(cè)窗、通風(fēng)機、暖風(fēng)機、澆灌電磁閥、攝像頭等，這些設(shè)備通過傳統(tǒng)的人工操作，不僅給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重不便，也不能準(zhǔn)確把握草莓生長環(huán)境，將帶來生產(chǎn)力低下、生產(chǎn)質(zhì)量較差。為了實現(xiàn)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，精確掌握和調(diào)節(jié)大棚的環(huán)境中各項生長環(huán)境指標(biāo)，提高生產(chǎn)力，提高經(jīng)濟效益，需要建立智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過溫度、濕度等傳感器實時采集大棚環(huán)境各項數(shù)據(jù)，通過ZigBee技術(shù)，將采集的信息同步傳到計算機或智能終端，實時監(jiān)控和查詢各項指標(biāo)，實時控制各個智能設(shè)備。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)的核心是實現(xiàn)人與物、物與物之間溝通，通過感知設(shè)備識別物體、采集信息，通過移動通信網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，傳輸?shù)浇K端，進行各類系統(tǒng)信息處理，并通過各種設(shè)備與人進行交互。

圖1所示本系統(tǒng)為智能溫室系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖。通過各種智能傳感器等檢測設(shè)備對大棚內(nèi)的草莓生長所需環(huán)境進行感知。對傳感器取得的檢測數(shù)據(jù)采取Zig Bee無線通信協(xié)議進行組網(wǎng)。數(shù)據(jù)傳輸層由匯聚節(jié)點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點）和4G通信網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點采集信息的收集、存儲和傳輸，同時負(fù)責(zé)上層指令的收發(fā)，遠程參數(shù)設(shè)置等功能。應(yīng)用層構(gòu)建在互聯(lián)網(wǎng)上，由服務(wù)器、管理控制軟件系統(tǒng)組成，服務(wù)器負(fù)責(zé)收集和存儲來自各匯集點的信息，管理控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總、分析、查詢和統(tǒng)計以及用圖表等方式直觀表達等，同時根據(jù)需要下達控制指令，啟動和關(guān)閉硬件系統(tǒng)。

圖1 智能溫室系統(tǒng)框架

頂部遮陽簾、側(cè)窗、通風(fēng)機、暖風(fēng)機以及澆灌電磁閥等智能設(shè)備通過管理控制指令完成。頂部遮陽簾的主要作用是調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度，白天根據(jù)光照強度，是否啟動電機，打開或關(guān)閉遮陽簾，夜間室外溫度降低，保持大棚溫度，需要關(guān)閉遮陽簾。通風(fēng)機、暖風(fēng)機和側(cè)窗的主要作用可以調(diào)節(jié)空氣溫濕度、調(diào)節(jié)二氧化碳濃度等，對于偏離標(biāo)準(zhǔn)值不大的情況下，可以通過控制側(cè)窗實現(xiàn)，當(dāng)偏離值較大時，啟動風(fēng)機調(diào)節(jié)，而暖風(fēng)機主要是升高溫度使用。澆灌電磁閥主要作用控制澆灌設(shè)備，土壤的溫濕度偏離草莓生長土壤標(biāo)準(zhǔn)時，啟動設(shè)備，改善土壤溫濕度。

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)備主要包括傳感器、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、傳感節(jié)點、控制節(jié)點以及自動控制系統(tǒng)設(shè)備。

2.1 傳感器

傳感器主要是土壤溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、空氣溫濕度及光照傳感器，根據(jù)草莓對環(huán)境指標(biāo)的需求，選擇合適的傳感器。土壤溫濕度傳感器選用SWR-100W，測量量程：0～100%；-30℃～70℃。測量精度：0 ～50%（m3/m3）范圍內(nèi)為±2%（m3/m3）；±0.2℃。二氧化碳傳感器選用 ST-CO2， 響應(yīng)時間：<90s，精度：±3%F?S（25℃）、工作溫度：0℃～70℃、工作濕度：0 ～95%RH?？諝鉁貪穸葌鞲衅鬟x用HRTM130，使用溫度范圍：0～60℃，使用濕度范圍：95%RH以下，濕度檢測范圍：20～90%RH，儲存溫度范圍：－20～70℃，儲存濕度范圍：95%RH以下（非凝露），濕度檢測精度：±5%RH （30%RH～90%RH，5℃～50℃）。光照傳感器選用FMGZ，光線范圍：0～200Klux，反應(yīng)時間：1秒，環(huán)境溫度：-30～70℃，精度：±3%。

2.2 節(jié)點

系統(tǒng)的節(jié)點主要由傳感器節(jié)點和控制器節(jié)點組成，在本系統(tǒng)中，無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片采用CC2630，它含有一個32位ARM Cortex-M3處理器，與主處理器工作頻率同為48MHz，具有豐富的外設(shè)功能集，包括一個獨特的超低功耗傳感器控制器，適用于在系統(tǒng)處于休眠模式時連接外部傳感器和/或自主采集模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。傳感器節(jié)點的硬件包括外圍電路、串口電路以及接口?？刂破鞴?jié)點包括電源、CC2630核心板接口、步進電機、風(fēng)機等。

3 軟件設(shè)計

3.1 節(jié)點軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點的任務(wù)是采集數(shù)據(jù)并響應(yīng)來自匯聚節(jié)點的查詢或控制命令。節(jié)點通過周期性地采集數(shù)據(jù)，設(shè)定時間間隔，通過定時器來實現(xiàn)中斷，而對查詢和控制命令采取信號中斷響應(yīng)的方式。應(yīng)用程序設(shè)計基于TinyOS操作系統(tǒng)，將TinyOS移植到CC2630芯片上。根據(jù)需要，修改TinyOS源碼，編譯成可執(zhí)行的文件格式，存到芯片閃存中，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信功能。

3.2 服務(wù)器通信設(shè)計

使用C#Winsock完成網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的解析、處理、存儲和分析。利用J2EE開發(fā)Win Service異步數(shù)據(jù)處理服務(wù)進程程序，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2010。服務(wù)進程安裝在服務(wù)器上，可持續(xù)堅挺各個接口。

3.3 操作界面設(shè)計

操作界面采用方便在計算機上和智能手機上隨時使用的B/S構(gòu)架和C/S架構(gòu)，基于J2EE開發(fā)。在將傳輸回來的信息以形象、直觀的圖表方式展示給管理者，同時也實現(xiàn)管理者授權(quán)管理、系統(tǒng)信息設(shè)置、各類自動化設(shè)備控制、傳感器數(shù)據(jù)匯總以及傳感器數(shù)據(jù)實時展示。

在實現(xiàn)這些功能后，管理者經(jīng)授權(quán)登錄系統(tǒng)后，可以查看大棚和歷史環(huán)境數(shù)據(jù)，也可根據(jù)當(dāng)前大棚的各項指標(biāo)情況，啟動冷風(fēng)、暖風(fēng)、側(cè)窗、遮陽簾以及補償水分等，實現(xiàn)大棚精確控制，滿足草莓生長的合適環(huán)境。

4 結(jié)語

智能溫室大棚控制系統(tǒng)經(jīng)過測試，運行穩(wěn)定，完全符合各項指標(biāo)要求。隨著溫室大棚的應(yīng)用推廣和普及，可以由企業(yè)直接開發(fā)成套系統(tǒng)，不需要各自設(shè)計開發(fā)，不僅節(jié)約開發(fā)成本，還方便后續(xù)系統(tǒng)維護。廠家只需要根據(jù)農(nóng)作物需求指標(biāo)，界面化調(diào)整相關(guān)參數(shù)就能使用，這也是將來研究和發(fā)展方向。

參考文獻

[1]趙建強.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚信息感知系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2015(09):32-33,37.

[2]李樹江,等.基于CC2430的溫室大棚信息采集系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2012(19):31-34.

[3]趙悅,程躍.基于ZigBee的溫室測控系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2014(12):131-134.

[4]潘金珠,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2014(10):51-53,57.

楊敏（1981—），男，研究生，講師，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全、智能信息系統(tǒng)。

作者簡介：