張 瑋

(石家莊學院 機電學院，石家莊 050035)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)關(guān)系著國計民生，對我國建成小康社會、決勝脫貧攻堅具有重要的意義。農(nóng)業(yè)的做大做強根本上要依靠農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化，而科技興農(nóng)則是其發(fā)展的必由之路。現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)設施大棚是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個典型代表[1]。一方面，它可以為作物提供適宜生長的基礎環(huán)境，促進作物快速生長，并提高質(zhì)量；另一方面，它將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展方式進行了改變，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不再被自然資源和土地資源牢牢束縛，為農(nóng)業(yè)走向標準化、工廠化生產(chǎn)提供了有效路徑。尤其是在北方地區(qū)，可使農(nóng)產(chǎn)品不再受季節(jié)性限制，實現(xiàn)均衡可控的反季節(jié)上市，充分滿足了社會的多元化、多層次的需求，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益顯著提升，農(nóng)民收入隨之進一步提高?，F(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)設施區(qū)別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)就是農(nóng)業(yè)設施環(huán)境的數(shù)字化采集和監(jiān)測[2]。顯然，用人工巡查的方式會耗用大量人力，工作量巨大，對于采集數(shù)據(jù)的實時性和有效性也保障較低。若采用有線數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)，雖可以解決采集數(shù)據(jù)的實時性和有效性問題，但是無法避免大規(guī)模進行布線，因此就會存在布線復雜、布線成本高、不適于擴展的問題，所布線在大棚內(nèi)的環(huán)境中，也不可避免會受到影響，系統(tǒng)傳輸?shù)目垢蓴_性和系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性都會降低。在設備設計壽命到來之前，就會出現(xiàn)過多維護，增加使用成本[3]。針對以上問題，采用無線傳感器網(wǎng)絡，借助低功耗近距離組網(wǎng)通信技術(shù)，設計了大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)智能監(jiān)測，無線傳輸，大量減少了勞動力，大大降低了勞動強度，降低了布線成本和維護難度，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

針對大棚中重要的環(huán)境參量(溫度、濕度、光強度、二氧化碳濃度)，系統(tǒng)采用模塊化設計，終端傳感器模塊采用了無線傳感器網(wǎng)絡架構(gòu)進行定義，為防止傳輸線路中節(jié)點故障導致數(shù)據(jù)傳輸中斷，在傳感器節(jié)點布置中，每一傳感器節(jié)點的覆蓋范圍內(nèi)都包含另外兩個節(jié)點。根據(jù)測量的需要，可布置在任何所需位置，可進行方便地移動，具有小巧和自適應的特點。數(shù)據(jù)的傳輸依照路徑最短原則進行[4]。終端傳感器節(jié)點負責采集環(huán)境參量數(shù)據(jù)，并使用無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器將收集的信息通過RS232傳輸給主機，主機系統(tǒng)實現(xiàn)參量數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、查詢、刪除等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 使用的無線網(wǎng)絡技術(shù)原理

根據(jù)本系統(tǒng)的設計目的和要求，選擇使用ZigBee技術(shù)來實現(xiàn)無線組網(wǎng)通信。ZigBee是在IEEE802.15.4標準基礎上建立的協(xié)議框架，由此標準所定義的個人區(qū)域網(wǎng)絡的特征很多是與無線傳感器網(wǎng)絡的特征是相似的。因此很多研究機構(gòu)也將它作為無線傳感器網(wǎng)絡的通信標準[5]。它所工作的頻段屬于免費公用頻段2.4 GHz，在智能家居、工業(yè)監(jiān)控、交通安防等方面有著廣泛的應用。

數(shù)據(jù)經(jīng)過路由器所產(chǎn)生的延時，就必然會帶來能量的損耗，而數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡中的傳輸往往還會通過多個路由器才能完成。因此消息傳遞的路徑損耗是不可避免的。對此ZigBee系統(tǒng)采取了一定的架構(gòu)策略，比如讓網(wǎng)絡核心位置路由器短暫停止工作，期間由其它路由器完成需轉(zhuǎn)發(fā)的消息，這樣就可以避免該路由器因位置核心、消息不斷、不得休閑而導致的能量損耗很快的情況。ZigBee的協(xié)議棧比較特殊，特殊之處在于協(xié)議棧所使用的事件輪循機制。當ZigBee的4個層初始化完成之后，整個系統(tǒng)以低功耗模式狀態(tài)運行。在這一過程中，一旦有事件發(fā)生，系統(tǒng)狀態(tài)就會馬上發(fā)生改變，從低功耗模式中被喚醒，轉(zhuǎn)入到事件的中斷處理之中。在事件發(fā)出中斷請求，系統(tǒng)響應中斷，然后保留中斷的斷點，完成中斷服務子程序直到恢復站點中斷返回，這一完整過程結(jié)束之后，系統(tǒng)會重新以低功耗模式狀態(tài)運行。如果遇到不同的事件卻在同一時間發(fā)生的狀況，系統(tǒng)將會依照優(yōu)先級的不同，按照事件優(yōu)先級從高到底的順序依次處理。ZigBee技術(shù)有工作和休眠兩種模式，在工作模式中，數(shù)據(jù)的傳輸速率不高，并且傳輸數(shù)據(jù)量有限，很短的時間內(nèi)就能完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。只要不工作，ZigBee節(jié)點就會以休眠狀態(tài)存在[6]，功耗很低，一般的電池工作時間可以達到1年。相較于其它無線傳輸技術(shù)而言，ZigBee協(xié)議棧要簡單的多，因而對控制器的要求較低，8位單片機及規(guī)模很小的存儲器就可以滿足它的需要，具有系統(tǒng)開發(fā)成本低的特點。ZigBee具有很多種樣式的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同的系統(tǒng)設計需求，選擇可滿足需要的拓撲機構(gòu)[7]，具有靈活性強的特點。

2 硬件部分的設計

2.1 節(jié)點電路模塊

為了解決目前棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)使用有線系統(tǒng)的成本高，布線復雜等問題，在硬件電路設計上使用了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。棚內(nèi)環(huán)境參量中的溫濕度，光照強度，二氧化碳濃度等重要參數(shù)數(shù)據(jù)并不需要節(jié)點處理器有很高的的處理能力，所以選擇TI公司的第二代ZigBee/IEEE802.15.4 RF收發(fā)器CC2530作為核心。工業(yè)級增強型8051微控制器內(nèi)核集成在CC2530片內(nèi)，具有較高的靈敏度和較好的連接性能[8]。節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

CC2530芯片，不僅具有較高靈敏度的無線接收能力，而且功耗很低，這得益于它所采用的三種運行模式：休眠模式、喚醒模式和中斷模式[9]。在功耗最低的休眠模式下，電流消耗僅有1 μA。在休眠模式中，系統(tǒng)可被外部中斷所喚醒，從休眠至激活的時延僅為15 ms，有效降低了系統(tǒng)的功耗。以CC2530為核心，僅需較少的外圍電路就可以建成較強大的網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)快速組網(wǎng)。

2.2 溫濕度傳感器模塊電路

本系統(tǒng)中的溫濕度傳感器模塊是要將環(huán)境中的溫濕度信息進行實時精準的采集，并發(fā)送給微處理器。在設計中所采用的是瑞士Sensirion公司推出的數(shù)字溫濕度傳感器SHT21。它的可適電壓范圍為0.4～5.5 V,本系統(tǒng)選擇3.3 V供電。在設計電路時，為了達到去耦濾波的目的，專門在VDD和GND之間串接了一個10 μ的電容，其電路如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器電路 圖4 光照強度傳感器電路

SHT21將溫度補償和標定數(shù)據(jù)都集成在了內(nèi)部電路，體積更小，功耗更低，采用了獨特的電極分布和鍍膜技術(shù)，使感應器在高濕環(huán)境下能夠避免被氧化，從而使其在高濕環(huán)境中性能更加穩(wěn)定[10]。

2.3 光照強度傳感器模塊

對于太陽光照強度參數(shù)的采集，本系統(tǒng)采用的是TAOS公司生產(chǎn)的TSL2561可編程光強度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。TSL2561內(nèi)部分別集成了光敏二極管、紅外響應光敏二極管以及可將光敏電流信號量轉(zhuǎn)成數(shù)字量輸出的積分式A/D轉(zhuǎn)換器。同時，其內(nèi)部擁有16個寄存器，這些寄存器都可以被微控制器所讀寫，通過讀寫，微控制器便能對TSL2561進行控制。電路如圖4所示。

TSL2561的工作電壓范圍是2.7～3.5 V,具備提供20 bit動態(tài)范圍的近適光響應的能力，能夠自動抑制50 Hz/60 Hz的光照波動[11]，具有功耗低，速度高，量程寬，配置靈活等優(yōu)點。

2.4 二氧化碳傳感器模塊電路

選用Cambridge CMOS Sensors(CCS) 半導體公司設計制造的微型低功耗二氧化碳氣體傳感器CCS811。電路如圖5所示。

圖5 二氧化碳傳感器電路圖

CCS811支持多種低功耗優(yōu)化測量模式，基于主動傳感模式和空閑模式不同，每小時的功耗在360 μW～72 mW之間。CCS所獨有的微加熱板技術(shù)應用于CCS811之中，使得它與傳統(tǒng)的金屬氧化物氣體傳感器相比[12]，簡化了設計，更加穩(wěn)定可靠。工作電壓范圍1.8～3.6 V。

2.5 電源模塊電路

為滿足不同模塊對供電的需求以及節(jié)點的便捷性，需要設計一個外圍電源轉(zhuǎn)換電路。采用LM1117將USB接5 V電壓轉(zhuǎn)換輸出3.3 V，電壓精度在1%之內(nèi)，同時它提供電流限制和熱保護，為了改善瞬時響應和穩(wěn)定性，可在輸出端增加一個10 μF的電容來實現(xiàn)。

3 軟件設計

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設計

軟件設計基于由TI公司推出的與CC2530芯片相配套的ZigBee 2007/PRO協(xié)議棧和IAR集成的開發(fā)環(huán)境。傳輸網(wǎng)絡的核心是協(xié)調(diào)器，要先由協(xié)調(diào)器進行組網(wǎng)，同時對設備初始化，并選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡信道，然后等待終端采集節(jié)點加入網(wǎng)絡。通過判斷，只允許合法的終端節(jié)點加入網(wǎng)絡，加入的節(jié)點對所對應采集區(qū)的數(shù)據(jù)進行采集并傳輸給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器送入PC主機，程序流程如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器軟件流程圖

3.2 終端節(jié)點軟件設計

采用關(guān)聯(lián)入網(wǎng)方式，初始化后，在其覆蓋范圍內(nèi)搜尋協(xié)調(diào)器節(jié)點，并申請加入組建好的網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器節(jié)點判斷并允許合法的終端采集節(jié)點入網(wǎng)，在成功入網(wǎng)后，便開始控制傳感器對區(qū)域內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測采集，之后將數(shù)據(jù)打包傳送至協(xié)調(diào)器設備。程序流程如圖7所示。

圖7 終端節(jié)點軟件流程圖

3.3 PC主機監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件設計

軟件使用C語言進行編寫，系統(tǒng)具有模塊化特點，采用圖形化操作方式設計軟件[13]。軟件模塊如圖8所示，管理系統(tǒng)軟件劃分成包含用戶管理、通信系統(tǒng)、信息管理和數(shù)據(jù)管理在內(nèi)的四大功能模塊。可實現(xiàn)查詢測試點的不同環(huán)境參數(shù)指標、針對不同環(huán)境因子設置相應的閾值、對系統(tǒng)進行配置管理等功能。

圖8 PC主機監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件框圖

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 可靠性測試

測試設備在實際環(huán)境中的通信能力。以距離為變量，測量在不同距離情況下進行數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)包的丟失率，以此判斷能否滿足設計要求。設置距離變量分別為100 m，150 m，250 m，400 m，600 m，850 m，每次發(fā)送不同整數(shù)(100～129)的數(shù)據(jù)包，連續(xù)發(fā)送30次，測試結(jié)果如表1所示。

實際大棚室內(nèi)傳輸距離多為80 m左右，最長不會超過150 m，大棚與管理中心的半徑距離通常也在600 m之內(nèi)，故系統(tǒng)可滿足使用要求。

4.2 準確性測試

為了測試監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，分別測試某天中不同時刻的溫度值和濕度值，然后與相應時刻的實際值進行對比。在實驗中，實際值取在相同點位放置的3只數(shù)字式溫濕度表所顯示數(shù)值的平均值。測試對比結(jié)果如表2、表3所示。溫度誤差不超出±0.3 ℃，濕度誤差不超出±2%RH，準確性較高，能夠滿足實際使用的要求。

表3 濕度測試對比

表2 溫度測試對比

4.3 結(jié)果分析

通過模擬智慧農(nóng)業(yè)設施大棚環(huán)境，使用所設計的現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)設施大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，進行不同時刻的持續(xù)測量，上述實驗測試結(jié)果表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定良好，數(shù)據(jù)傳輸滿足實時性要求；采集節(jié)點采集數(shù)據(jù)信息穩(wěn)定、采集結(jié)果與標定裝置顯示結(jié)果誤差未超出系統(tǒng)精度。

5 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)設施大棚的發(fā)展方向是數(shù)字化、智能化及自動化，本系統(tǒng)設計根據(jù)設施農(nóng)業(yè)發(fā)展的客觀需求，將傳感器網(wǎng)絡和現(xiàn)代通信技術(shù)進行融合，實現(xiàn)了對智慧農(nóng)業(yè)設施大棚環(huán)境中溫、濕、光、氣等環(huán)境參數(shù)的無線遠程實時監(jiān)控。系統(tǒng)采用無線傳輸，實現(xiàn)遠程惡劣環(huán)境下的有效監(jiān)控，減少人工作業(yè)，提高大棚管理效率。