舒丹丹，許 鐘，強大壯，李 寧

(1.朝陽師范高等專科學(xué)校 信息工程系，遼寧朝陽122000；2.三峽新能源朝陽發(fā)電有限公司 電力生產(chǎn)部，遼寧朝陽122000)

0 引言

我國傳統(tǒng)的溫室大棚缺乏科學(xué)的監(jiān)測手段，不能及時準確采集信息，導(dǎo)致大棚內(nèi)農(nóng)作物不能及時得到所需的光照和營養(yǎng)，因此會造成不必要的損失.如果將ZigBee應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚，構(gòu)建規(guī)范化的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，就能準確地采集農(nóng)作物生長情況和環(huán)境變化情況的信息，從而大幅度減少勞動力，優(yōu)化整體工作效率，真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化.因此，選取朝陽市綜合試驗站的多個溫室大棚，在其中建立了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用Wi-Fi等技術(shù)對長度為40 m、寬度為8 m的大棚進行監(jiān)測，各個大棚內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負責(zé)整個系統(tǒng)中信息的采集，使用者可隨時掌握大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長情況，效果良好.

1 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的功能

溫室大棚是一個非常繁雜的系統(tǒng)[1]，在溫室大棚環(huán)境中，能夠利用智能控制系統(tǒng)對影響農(nóng)作物生長的環(huán)境溫度與濕度、土壤溫度與濕度、光照強度和CO2濃度等主要因素進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，從而使環(huán)境調(diào)控在既定水平，同時增加了農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì).溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)功能如下：

(1) 溫室大棚智能控制系統(tǒng)可連續(xù)采集溫室內(nèi)的土壤濕度、CO2濃度、空氣溫度、光照強度和空氣濕度5種對農(nóng)作物生長影響顯著的環(huán)境因子，并在設(shè)備云平臺上實現(xiàn)實時顯示和在線監(jiān)測.

(2) 當(dāng)環(huán)境參數(shù)不適合農(nóng)作物生長時，可以利用手機或者上位機遠程對水泵、風(fēng)機、燈光、電機等進行控制，即啟動軟件系統(tǒng)運行實現(xiàn)各種控制設(shè)備的開關(guān)和功能狀態(tài)調(diào)節(jié).

2 基于ZigBee的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

如圖1所示，該設(shè)計以ZigBee技術(shù)為核心，根據(jù)溫室大棚環(huán)境主要影響因素的特點，實現(xiàn)對溫室大棚的智能控制.首先在各個溫室大棚內(nèi)的ZigBee終端節(jié)點上設(shè)計能夠檢測大棚內(nèi)空氣溫度、濕度、光照強度、土壤濕度和CO2濃度的傳感器，在傳感器獲取數(shù)據(jù)之后，將其從終端節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)器.結(jié)合ZigBee無線通信協(xié)議構(gòu)建完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)上傳至Wi-Fi網(wǎng)關(guān)，通過數(shù)據(jù)的融合處理以及數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)后端連接到Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)，用戶通過計算機、手機、平板電腦等客戶端均可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控.

2.2 系統(tǒng)具體設(shè)計

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)空氣溫度和濕度數(shù)據(jù)采集使用數(shù)字傳感器DHT11[2].在DHT11內(nèi)部溫度測定過程中應(yīng)用NTC元件,濕度檢測則選用電阻式感濕模塊；光照強度信息采集選用數(shù)字型光強傳感器BH1750FVI； CO2濃度檢測選擇固體電解質(zhì)二氧化碳濃度傳感器MG811；土壤濕度采集則選擇 YL-69土壤濕度傳感器和數(shù)據(jù)發(fā)射器.

2.2.2 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集層中，各種傳感器采集數(shù)據(jù)匯總到ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，然后通過智能網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)內(nèi)部的傳輸網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接，無線傳感網(wǎng)絡(luò)由ZigBee終端節(jié)點、ZigBee路由器節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點組成[3].系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器、終端以及路由器節(jié)點均采用相同的ZigBee硬件模塊設(shè)計，核心芯片采用德州儀器的CC2530 ZigBee射頻芯片.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的主體部分，ZigBee終端節(jié)點上接有各種傳感器，從而對溫室大棚當(dāng)中的環(huán)境參數(shù)進行精確地采集，每個節(jié)點間隔2 min采集一次環(huán)境信息.每次采集完成后，終端節(jié)點將得到的數(shù)據(jù)信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)議轉(zhuǎn)換器(即ZigBee/Wi-Fi網(wǎng)關(guān))，再通過ZigBee/Wi-Fi網(wǎng)關(guān)將信息傳輸給上位機.上位機對數(shù)據(jù)展開標準化的處理之后，調(diào)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)所涵蓋的各項設(shè)備參數(shù)，最終實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)溫度、濕度、光照等環(huán)境因素的調(diào)節(jié).

如圖2(見 82頁)所示，ZigBee節(jié)點采用核心芯片CC2530，可以提高20 dBm的射頻功率，同時還能減少很多的外圍器件，因此既降低了電流消耗，還節(jié)約了成本.

2.2.3 Wi-Fi無線模塊

通信模塊選用ESP8266模塊.ESP8266是樂鑫公司研發(fā)的一款Wi-Fi芯片[4]，其搭配的外圍電路較少，能最大化減少占用的 PCB 空間，價格低、功耗小，把它作為通信終端，能夠有效地適配實時操作系統(tǒng).ESP8266電路圖如圖3(見 82頁)所示.

2.2.4 終端控制模塊

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植中，應(yīng)該時刻保持通風(fēng)，以提升環(huán)境中的O2濃度，幫助植物進行光合作用[5].氣溫較低的環(huán)境不利于農(nóng)作物的生長，因此可在溫室內(nèi)安裝加熱裝置和保溫裝置(如卷簾).另外，當(dāng)空氣濕度和土壤濕度不足時還可以裝配滴灌裝置.上述各類控制設(shè)備通常情況下可以裝配在大棚內(nèi)，并能夠?qū)ζ溥M行智能化控制，因此如何通過網(wǎng)絡(luò)來控制終端執(zhí)行器實現(xiàn)遠程控制是系統(tǒng)要解決的重要問題.可選用固態(tài)繼電器SSR控制，通過遠程控制端發(fā)出命令，利用特定的模塊進行接收，在這之后向繼電器傳輸相應(yīng)的開關(guān)信號，以此調(diào)控執(zhí)行器的開關(guān)狀態(tài).此終端控制系統(tǒng)可靠性高、無噪聲、壽命長.

2.2.5 接口電路

為了實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器與Wi-Fi模塊之間的通信，接口電路利用RS232串口電路來實現(xiàn).串口通信模塊選擇能耗較低的MAX232，RS232串口電路如圖4所示(見 83頁).

2.2.6 電源電路

電路能否正常工作取決于電源的配置.溫室大棚一般無人值守，而且環(huán)境多變，有時還受到人為因素影響，因此在溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)傳感器的選擇上，盡量選擇對供電電壓要求較低的數(shù)字型傳感器.為了適應(yīng)溫室大棚多變惡劣的環(huán)境，無線傳感節(jié)點還需要具有移動性，并且Wi-Fi無線模塊和CC2530等模塊的供電電壓都是3.3 V，所以選擇2節(jié)5號電池就可以滿足所有模塊的供電需求.

3 結(jié)語

本研究中將ZigBee技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)相結(jié)合，構(gòu)建了農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)選擇了適合溫室大棚環(huán)境的低功耗數(shù)字型傳感器進行信息采集，完成了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建，通過Wi-Fi網(wǎng)關(guān)(ESP8266)進行傳輸.在無線傳感節(jié)點的軟件設(shè)計上，也考慮到了能量消耗的問題，如果沒有事件發(fā)生，則傳感器斷電，無線傳感節(jié)點進入休眠狀態(tài).經(jīng)過實際使用發(fā)現(xiàn)，基于ZigBee的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，不僅能夠準確監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高效通信，同時可以在線遠程控制排風(fēng)、卷簾等設(shè)備.