楊娟 嵇建波 李海兵

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004)

我國的農(nóng)業(yè)歷史悠久，農(nóng)業(yè)在整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著比較重要的地位。如今世界的高科技電子技術(shù)正在突飛猛進(jìn)，合理的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有利于提高生產(chǎn)效率。利用高科技技術(shù)改變農(nóng)作物的生長環(huán)境，使農(nóng)作物在最優(yōu)越的環(huán)境中生長，從而提高產(chǎn)生效率。改變農(nóng)作物的生長環(huán)境是在溫室中進(jìn)行，溫室能夠提供農(nóng)作物一年四季生長環(huán)境，如最主要的溫濕度、光照強(qiáng)度[1]。但是，目前國內(nèi)的溫室大棚控制大部分是采用人工實(shí)時(shí)監(jiān)測，使用人工監(jiān)測，不僅勞動(dòng)力投入過大，還不能時(shí)刻監(jiān)測到溫室內(nèi)的環(huán)境變化。溫室大棚的空間大，若使用有線式的設(shè)備控制，由于布線的復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障，可用性不高，成本也高，總的來說，經(jīng)濟(jì)效益不高。

我國一直都在努力向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展，溫室大棚監(jiān)控技術(shù)是我國溫室農(nóng)業(yè)發(fā)展重要技術(shù)之一。這些年，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上廣泛使用，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)中信息獲取的重要方式之一。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種無線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他的無線通信技術(shù)不同之處在于它可以擁有大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)分布在各個(gè)角落，可用于大面積的溫室，每個(gè)節(jié)點(diǎn)附帶的傳感器能監(jiān)控到溫室每個(gè)角落的情況，還能執(zhí)行控制中心發(fā)出來的命令。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù)

傳統(tǒng)的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控要在土壤中鋪設(shè)大量的電纜，布線復(fù)雜且土壤中大量的布線不利于農(nóng)作物的耕作、灌溉和施肥。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量的無線傳感節(jié)點(diǎn)在不同的位置以無線的方式來進(jìn)行相互的通信，能夠監(jiān)測到每個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，利用傳感器采集到不同區(qū)域的信息并對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理分析，再通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到上一級節(jié)點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中Zigbee技術(shù)是一種近距離無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、易應(yīng)用、2.4 GHz全世界通用頻段等特點(diǎn)[2]，一般應(yīng)用于具有傳輸距離短和對傳輸速度要求不高的無線通信設(shè)備之間。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要由終端傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、上位機(jī)監(jiān)控軟件組成。終端傳感器節(jié)點(diǎn)按照多級星型結(jié)構(gòu)級聯(lián)分布在大棚中，并將采集到的農(nóng)作物生長環(huán)境的相關(guān)參數(shù)無線傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2.2 終端傳感器節(jié)點(diǎn)

終端傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備主要由采集和處理信息、控制相關(guān)參數(shù)執(zhí)行的開關(guān)、無線信息的發(fā)送和電源供電模塊等4個(gè)模塊組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。傳感器模塊主要是進(jìn)行本地信息的采集，處理器選用CC2530芯片，該芯片集成了ZigBee無線通信協(xié)議，將射頻收發(fā)電路與MCU集成在一起，可以降低多個(gè)器件組合帶來的能量消耗。其主要用于完成處理傳感器采集的信息，搭建網(wǎng)絡(luò)以及配置電源管理模式、無線發(fā)送和接收信息、控制開關(guān)。

圖2 傳感器終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

由于溫室大棚中終端傳感器節(jié)點(diǎn)需要均勻地分布在各個(gè)角落自由移動(dòng)且須滿足ZigBee模塊低功耗的特點(diǎn)[3]，本系統(tǒng)采用3.7 V鋰電池，經(jīng)過TPS73030DBVR穩(wěn)壓3.3 V輸出供電，電池容量890 mAh，該鋰電池具有價(jià)格低廉、電池容量大、可充電等特點(diǎn)。系統(tǒng)中處理器芯片每半個(gè)小時(shí)向總節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，在主動(dòng)模式RX和TX功耗是63 mA，在喚醒狀態(tài)下是0.2 mA，睡眠定時(shí)器運(yùn)行時(shí)是1 μA，電池提供的電量能夠維持節(jié)點(diǎn)工作30天。

溫濕度采集采用SHT11傳感器,該傳感器可以輸出校準(zhǔn)后的數(shù)字信號(hào)[4]。該器件集成了一個(gè)電容式集合測濕和一個(gè)能隙式測溫元件，采用CMOS工藝制造，并有著高精確的14位A/D轉(zhuǎn)換和串行接口電路。其具有精確度、性價(jià)比高、數(shù)字量輸出等特點(diǎn)，采用SMD封裝方式，只有四個(gè)引腳，分別是串行接口引腳單線雙向、電源腳和接地腳，可從串行接口中讀出溫濕度的值。

溫室大棚中光照強(qiáng)度的采集利用光敏電阻的特性將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，本系統(tǒng)使用5516型光敏電阻。該電阻隨光照的強(qiáng)弱而改變阻值大小，采用半導(dǎo)體的光導(dǎo)效應(yīng)制作而成，光照強(qiáng)度和電阻值呈反比例關(guān)系，而光照強(qiáng)度和阻值的大小呈對數(shù)關(guān)系，根據(jù)亮阻10 lx光照下阻值為10 kΩ，光照強(qiáng)度1 000 lx下電阻為1 kΩ。

二氧化碳傳感器采用S-100型號(hào)的傳感器模塊，它是世界上最小而且質(zhì)量最輕的，該模塊預(yù)留有多個(gè)插口，方便使用者與其他的電路器件連接，輸出接口多樣性，傳輸和讀取數(shù)據(jù)比較容易。在其他方面它也符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗模式，內(nèi)部移植了自動(dòng)校準(zhǔn)模式。

本設(shè)計(jì)通過控制繼電器或電磁閥控制溫室大棚開簾、關(guān)簾、升降溫和灌溉等操作。開關(guān)的狀態(tài)是通過解碼控制中心發(fā)來的指令執(zhí)行，節(jié)點(diǎn)通過判斷是否是發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的控制命令來執(zhí)行操作。

2.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)和傳感器節(jié)點(diǎn)使用的是同一款核心芯片CC2530[5]，協(xié)調(diào)器最主要的任務(wù)就是和節(jié)點(diǎn)組建網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信，將串口信號(hào)轉(zhuǎn)換成USB信號(hào)與PC機(jī)進(jìn)行通信。

RS232接口作為標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)接口是電子技術(shù)發(fā)展需求，USB技術(shù)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)與外設(shè)連接的標(biāo)準(zhǔn)。PL2303是一款RS232轉(zhuǎn)USB接口的轉(zhuǎn)換芯片，其工作模式和休眠模式均具有低功耗的特點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)低功耗的特點(diǎn)。PL2303是一款集成芯片，外部只需要簡單的接一些電容即可實(shí)現(xiàn)雙向通信。USB轉(zhuǎn)串口的應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 USB轉(zhuǎn)串口電路圖

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 通信協(xié)議

在Zstack協(xié)議棧的應(yīng)用層上通過調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，在調(diào)用函數(shù)中設(shè)置好發(fā)送的目的地址、發(fā)送端點(diǎn)輸出的簇ID(接收端用來匹配的ID)、發(fā)送數(shù)據(jù)的長度和數(shù)據(jù)緩存地址即可將數(shù)據(jù)發(fā)送到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。

在Zstack協(xié)議棧的應(yīng)用層中通過調(diào)用數(shù)據(jù)接收函數(shù)就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)包被發(fā)送到一個(gè)登記注冊過的端點(diǎn)[6]。調(diào)用接收函數(shù)，我們在函數(shù)中首先判斷接收的輸入簇是否是所需要的輸出簇ID，然后再進(jìn)行相應(yīng)的處理。通信的數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)通信格式

3.2 終端傳感器節(jié)點(diǎn)程序

溫濕度傳感實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)采用單總線的形式，與主機(jī)之間用一根線連接，主機(jī)發(fā)送信號(hào)響應(yīng)傳感器，傳感器再回應(yīng)主機(jī)開始采集，采集的是一個(gè)40 bit的數(shù)字信號(hào)，通過高電平的時(shí)間來判斷數(shù)據(jù)是1還是0。

溫濕度傳感器將采集到的信息發(fā)送給主機(jī)，為了確保數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，傳感器最后會(huì)發(fā)一個(gè)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)，讓主機(jī)通過該校驗(yàn)數(shù)據(jù)確保前面采集的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。當(dāng)然，完成一次工作后，傳感器就會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待30 min到或者主機(jī)發(fā)出采集指令才重新開始采集，程序流程圖如5所示。

光照強(qiáng)度的采集通過采集光敏電阻兩端的電壓來轉(zhuǎn)換，通過分壓可以求出光敏電阻兩端的電壓和電阻的關(guān)系。設(shè)置參考電壓3.3 V，分壓電阻5 kΩ得到關(guān)系式：

3.3/(U+5)=U/R

R=U*5/(3.3-U)

(1)

光敏電阻的阻值大小與光照的大小存在對數(shù)的關(guān)系。經(jīng)過計(jì)算關(guān)系式為：

L=-430ln(R)+1 000

(2)

由于光照最小為0 lx，所以R最大值取為2.32。光照強(qiáng)度讀取流程圖如圖6所示。

圖5 溫濕度數(shù)據(jù)讀取流程圖

圖6 光照強(qiáng)度采集流程圖

控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)通過控制繼電器或者電磁閥控制大棚開簾、關(guān)簾、升降溫、抽風(fēng)和灌溉等?？刂平Y(jié)構(gòu)的執(zhí)行有兩種方式可以根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的環(huán)境參數(shù)閾值自動(dòng)地控制，還可以通過PC機(jī)控制中線手動(dòng)控制。節(jié)點(diǎn)通過判斷是否是發(fā)給自己的命令來執(zhí)行操作，程序流程圖7所示。

圖7 控制開關(guān)流程圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器的主要功能包括網(wǎng)絡(luò)建立、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、串口控制，其功能框圖如圖8所示。

圖8 協(xié)調(diào)器的功能框圖

網(wǎng)絡(luò)建立：協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)分配PANID以及為其他加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。

數(shù)據(jù)的收發(fā)：通過射頻接收其他節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)，以及向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令。

串口收發(fā)數(shù)據(jù)：節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到大棚中環(huán)境參數(shù)通過串口傳輸?shù)絇C機(jī)。同樣PC發(fā)送控制指令至網(wǎng)絡(luò)中，此命令是執(zhí)行命令，節(jié)點(diǎn)通過判斷來接收并執(zhí)行命令。

根據(jù)協(xié)調(diào)器的功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，其流程圖如圖9所示。

圖9 協(xié)調(diào)器程序流程圖

3.4 PC機(jī)控制中心

監(jiān)控軟件是在VC++環(huán)境下利用MFC的MSComm控件編寫串口通信程序，在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行，控制中心界面如圖10所示。軟件是選用MFC進(jìn)行多線程的編譯方式。第一個(gè)線程是用來接收下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)緩存起來進(jìn)行解碼后顯示，第二個(gè)線程是按鍵操作發(fā)送命令給下位機(jī)。

圖10 PC控制中心界面

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

節(jié)點(diǎn)溫濕度曲線測試結(jié)果如圖11所示，顯示了控制系統(tǒng)的界面，通過該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)觀看到每個(gè)節(jié)點(diǎn)溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，同時(shí)可以通過該系統(tǒng)對溫室大棚進(jìn)行控制。測試結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高。

圖11 控制中心監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)完成了對溫室大棚環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)采集，并且可以通過無線的方式把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口把數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)上顯示。本文設(shè)計(jì)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)有組網(wǎng)簡單、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、采集范圍廣、精度高等特點(diǎn)，對溫室大棚環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制有利于農(nóng)作物的生長，大大提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量。