劉先明 宋余君 劉桂紅 米賢武

摘 要：為提高大棚生產效率，針對溫室大棚設施壞境可監(jiān)測程度低和監(jiān)控系統(tǒng)復雜等問題，設計一種基于C#的溫室大棚植物養(yǎng)分監(jiān)測系統(tǒng)。各個無線傳感網(wǎng)絡將采集到的養(yǎng)分情況發(fā)送至網(wǎng)絡主節(jié)點，網(wǎng)絡主節(jié)點再將養(yǎng)分信息發(fā)送至上位機，用戶可在上位機查看到各類植物當前的養(yǎng)分情況。該系統(tǒng)為大棚種植提供了有利的數(shù)據(jù)支持，根據(jù)設定的閾值可有效降低植物死亡率。

關鍵詞：C#；養(yǎng)分監(jiān)測；溫室大棚；無線傳感網(wǎng)絡

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

湖南省西部地區(qū)種植有較多農作物，是湖南省主要的糧食儲備基地。在農業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化進程中，溫室大棚的建設必不可少，通過建立溫室大棚，給植物提供適當?shù)纳姝h(huán)境，能夠使更多植物反季節(jié)生長。然而，溫室大棚里的溫濕度控制和植物養(yǎng)分控制是艱難而重要的工程，傳統(tǒng)農業(yè)通過在溫室中懸掛溫濕度計以及人們手動調節(jié)大棚內的溫濕度來保證植物的正常生長[1]。但這樣很難保證數(shù)據(jù)的準確性，而且實施困難，耗時耗力。隨著現(xiàn)代化農業(yè)的發(fā)展，大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)已有集環(huán)境參數(shù)與控制于一體的方案[2]，但是這些數(shù)據(jù)只是環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并沒有土壤中植物生長所需養(yǎng)分的組成數(shù)據(jù)。

本文設計了一種植物養(yǎng)分監(jiān)測系統(tǒng)，可將鹽分、水分傳感器放入土壤中讀取數(shù)據(jù)。配合自動澆灌技術，可分別測得各類植物養(yǎng)分數(shù)據(jù)，根據(jù)各自的生長規(guī)律，保證各個時段的作物處于最佳生長狀態(tài)，從而提高作物產量。本文系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準確，用戶界面友好，自帶學習模式，應用前景廣闊。

1 系統(tǒng)整體設計方案

系統(tǒng)整體方案包括主機和傳感器節(jié)點設計。其中，主機與電腦端采用串口通信，傳感器節(jié)點與主機采用無線ZigBee方式進行數(shù)據(jù)交互[3]。無線傳感器部分采用自帶ZigBee協(xié)議的SoC芯片CC2530[4-5]，傳感器節(jié)點包括無線傳輸控制器、土壤溫濕度傳感器、土壤鹽分傳感器、電源轉換單元。節(jié)點將采集到的植物養(yǎng)分數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議[6-7]傳輸至主機，主節(jié)點將信息通過TTL-USB串口電平轉換器傳輸至上位機，上位機根據(jù)主機上傳的數(shù)據(jù)進行相應的數(shù)據(jù)顯示，提示管理人員當前大棚的環(huán)境狀態(tài)，顯示出各種植物當前的生存環(huán)境數(shù)據(jù)[8]。該系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點包括無線傳輸控制器、土壤溫濕度傳感器、土壤鹽分傳感器、電源轉換單元。其中，多個傳感器節(jié)點組成樹形結構，覆蓋整個大棚區(qū)間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和控制。傳感器節(jié)點的原理框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)采用華控制造的土壤溫濕度傳感器，該傳感器具有體積小、測量精度高、互換性好等優(yōu)點，可直接埋入土壤中使用，實時測量不同深度的溫濕度。其中，通信方式采用RS 485A/B線實現(xiàn)，其內部參照如圖3所示。

2.2 主機

主機是網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互的中心，本系統(tǒng)主機的CC2530節(jié)點為協(xié)調器節(jié)點，負責組建ZigBee網(wǎng)絡，啟動網(wǎng)絡后負責從終端節(jié)點接收數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送到電腦客戶端進行實時顯示。本系統(tǒng)采用TTL-USB模塊將電平轉換為USB可用，從而讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測。主機結構如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)采用下位機軟件，即CC2530片上系統(tǒng)，以MCU實現(xiàn)客戶端軟件編程。

3.1 CC2530軟件編程

本系統(tǒng)軟件采用C語言實現(xiàn)，以官方提供的ZigBee協(xié)議棧進行開發(fā)[9]。ZigBee軟件設計采用TI的Z-Stack協(xié)議棧，其中，ZigBee通信部分采用硬件TI的CC2530完成網(wǎng)絡的組建與應用。CC2530自帶C8051增強型內核，可利用IAR開發(fā)軟件導入Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)對ZigBee的開發(fā)[10]。主機流程如圖5所示，傳感器流程如圖6所示。

在ZigBee網(wǎng)絡組建過程中，針對節(jié)點入網(wǎng)和協(xié)調器允許入網(wǎng)要求，選擇一個合適的入網(wǎng)機制，保證ZigBee網(wǎng)絡的安全性。整個流程主要包括由協(xié)調器組建合適的ZigBee網(wǎng)絡[11]以及路由器加入網(wǎng)絡。ZigBee網(wǎng)絡組建主要由協(xié)調器完成。首先，協(xié)調器啟動后掃描當前信道的ZigBee網(wǎng)絡并開啟網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)；其次，路由器和終端節(jié)點通過使用協(xié)調器的網(wǎng)絡層加入網(wǎng)絡或通過已加入過ZigBee網(wǎng)絡的路由器節(jié)點加入該ZigBee網(wǎng)絡。協(xié)調器建立網(wǎng)絡過程如圖7所示。

3.2 客戶端軟件編程

本系統(tǒng)選擇PC平臺、C#語言進行移動客戶端的開發(fā)[12]。開發(fā)壞境基于微軟的Microsoft Visual Studio 2015，客戶端功能框架如圖8所示。主界面主要負責顯示數(shù)據(jù)，在串口設置界面需要將串口進行初始化。

3.2.1 串口通信

客戶端和硬件主板采用串口通信進行數(shù)據(jù)交互。在C#語言中，需要先將串口函數(shù)實例化，獲取串口號，綁定端口號，再進行通信[13-14]。

3.2.2 施肥量計算

客戶端主界面上的溫度、濕度顯示直接由底層上報到客戶端實現(xiàn)。根據(jù)測得的土壤溫度、濕度、氮含量以及植物標準氮含量計算表達式計算出施肥量。

施肥量計算公式如下所示[15]：

[（植物標準氮含量-葉綠素儀測得的氮含量）/1 000]×目標產量=應施肥量×化肥中的氮含量×化肥中氮的利用率

根據(jù)節(jié)點測得的葉綠素SPAD含量，將SPAD含量發(fā)送到客戶端進行氮含量計算。

其中，加水時間控制需要使用窗口發(fā)送命令，其主要代碼如下：

4 實驗結果與分析

根據(jù)本文提出的方案，設計出植物養(yǎng)分監(jiān)測系統(tǒng)，測試出植物所需氮含量，根據(jù)施肥量轉換公式計算出施肥量，以提示用戶給相應土地的植物施肥。本文系統(tǒng)主界面如圖9所示。

經過實驗調試，本系統(tǒng)可準確地將溫濕度顯示在界面上，且實時顯示效果較好。當濕度超過預警值時，用戶可點擊加水啟動按鈕，開啟加水泵給植物澆水，并實時顯示植物氮含量，通過修改按鈕計算出所需施肥量，且可手動修改。

5 結 語

本文提出一種基于C#的溫室大棚植物養(yǎng)分監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對農業(yè)溫室大棚內植物養(yǎng)分的實時監(jiān)控。硬件系統(tǒng)采用ZigBee低功耗芯片實現(xiàn)節(jié)點與控制中心的相互通信，兩節(jié)普通7號電池即可使用兩年。軟件系統(tǒng)采用C#語言開發(fā)，采用面向對象的程序設計方式，提供給用戶一個簡單的界面，可將采集到的數(shù)據(jù)進行處理后顯示在客戶端，根據(jù)各種肥料的含氮量計算出所需施肥量，并根據(jù)植物生長習慣提高種植效率。該系統(tǒng)在植物種植領域具有廣闊的應用前景。

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