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        ZigBee技術(shù)在大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2021-12-03 10:35:27王子博
        鄉(xiāng)村科技 2021年1期
        關(guān)鍵詞:路由器溫室環(huán)境監(jiān)測

        王子博

        (遂川縣氣象局,江西 遂川 343900)

        溫室大棚的應(yīng)用歷史較長,但由于以往在技術(shù)方面存在一定短板,使得溫室大棚在應(yīng)用過程中仍存在諸多實(shí)際問題。例如,在大棚環(huán)境監(jiān)測中,受儀器精密度的影響,加之方法不科學(xué),造成應(yīng)用成本較高,從而導(dǎo)致使用效果難以得到保障。針對此類問題,可采用大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),提高大棚管理效率。此系統(tǒng)是ZigBee 技術(shù)的拓展應(yīng)用,受益于Zigbee的自組網(wǎng)、低功耗、大規(guī)模的特點(diǎn),可大量部署傳感器,實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境的精細(xì)化、規(guī)?;O(jiān)測,通過將獲取到的數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程終端,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離管理溫室大棚的目的。

        1 大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

        大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由ZigBee 物理層、媒體接入控制層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層組成,能及時獲取大棚內(nèi)環(huán)境狀況。根據(jù)大棚環(huán)境監(jiān)測實(shí)際需求,可將Zigbee 硬件構(gòu)建成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由主協(xié)調(diào)器和多個從設(shè)備組成。主協(xié)調(diào)器用以建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)服務(wù),啟動一個新的個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò),管理各類設(shè)備的入網(wǎng)及通信;路由器和終端設(shè)備等負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集及網(wǎng)內(nèi)的信息傳遞;終端設(shè)備能及時采集大棚環(huán)境參數(shù),將有效數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳送至主協(xié)調(diào)器,再到達(dá)網(wǎng)絡(luò)層[1]。如果設(shè)備終端出現(xiàn)故障,系統(tǒng)可利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)顯示出具有一定意義的參考數(shù)據(jù),并持續(xù)進(jìn)行故障報警。數(shù)據(jù)控制層由控制管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web 服務(wù)器組成,其中,控制管理服務(wù)器可針對系統(tǒng)中的服務(wù)進(jìn)程進(jìn)行統(tǒng)一管理,將數(shù)據(jù)及環(huán)境等情況及時錄入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中,如與既定溫度參數(shù)不一,還能采取人工干預(yù)措施,及時調(diào)節(jié)溫度。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)用了MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),具有極強(qiáng)的安全性能,此系統(tǒng)支持安卓(Android)智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問及控制。應(yīng)用層中,為用戶提供了一個全面開放的平臺,用戶可借助不同類型的終端設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制。

        2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)

        大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中Zigbee網(wǎng)絡(luò)硬件包含Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)3 種節(jié)點(diǎn),半功能設(shè)備(RFD)、全功能設(shè)備(FFD)2 種設(shè)備。節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊、射頻模塊等組成,通過集成化技術(shù),達(dá)到信息采集的目的。其中,大量半功能設(shè)備部署為終端節(jié)點(diǎn),將采集到的外界環(huán)境信息傳遞至全功能設(shè)備的路由節(jié)點(diǎn),最終由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成Zigbee 協(xié)議數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換通信。在信息采集終端,主要應(yīng)用了空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器。通過一系列傳感裝備,可以迅速準(zhǔn)確地采集大棚內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。安裝時可選擇使用直插式封裝法,將眾多數(shù)據(jù)集中于顯示終端中,極大地提升設(shè)備安裝調(diào)試及維修效率。日常中Zigbee處理器處于待機(jī)休眠狀態(tài),只有在到達(dá)既定時間后方可開始工作,對各類傳感裝備下達(dá)數(shù)據(jù)收集指令,此時傳感器即可按照自身功能,采集環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù),并將此類數(shù)據(jù)及時傳遞至Zigbee處理器中,隨之做出相應(yīng)的判斷。

        3 Zigbee技術(shù)軟件設(shè)計(jì)

        3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

        位于傳感網(wǎng)絡(luò)底層的采集終端即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),可快速收集大棚內(nèi)的溫濕度等關(guān)鍵性數(shù)據(jù),并將其顯示在LCD(Liquid Crystal Display 液晶顯示屏)上,此時即可采用ZigBee 無線通信協(xié)議將信息傳遞至協(xié)調(diào)器中,對此類數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。在采集終端首次通電的狀態(tài)下,需進(jìn)入系統(tǒng)初始化(硬件外設(shè)初始化、ZigBee 協(xié)議棧初始化)環(huán)節(jié),在初始化完成后,即可自動搜尋自身所在范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)。待組網(wǎng)成功后,能及時將各類數(shù)據(jù)借助Zig‐Bee 無線通信協(xié)議傳輸至協(xié)調(diào)器中,數(shù)據(jù)發(fā)送成功后,終端傳感網(wǎng)絡(luò)即會進(jìn)入休眠狀態(tài),只有再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時方可將其喚醒。

        3.2 數(shù)據(jù)控制層軟件

        數(shù)據(jù)控制層可為應(yīng)用層提供必要的數(shù)據(jù)支撐,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的多項(xiàng)功能。在Web 服務(wù)器中,所采用的各類軟件可滿足遠(yuǎn)程用戶的諸多需求,其中部署B(yǎng)/S 結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)及提供給終端用戶使用的Web Service,控制服務(wù)管理器需持續(xù)運(yùn)行,以及時接收用戶指令,并在處理完畢后給予用戶反饋。

        3.3 應(yīng)用軟件

        為直觀顯示大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù),要通過專業(yè)化的軟件搭建起大棚智能監(jiān)控平臺,及時調(diào)節(jié)溫濕度等環(huán)境狀況,協(xié)助用戶完成管理工作。應(yīng)用軟件系統(tǒng)應(yīng)具有環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備操作、報表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)曲線分析、系統(tǒng)配置及數(shù)據(jù)查詢等功能。其中,環(huán)境監(jiān)控功能可將大棚內(nèi)環(huán)境變化情況以三維動畫的形式實(shí)時展現(xiàn)在顯示系統(tǒng)中,用戶可在控制室內(nèi)及時了解環(huán)境變化及生產(chǎn)狀況,如發(fā)現(xiàn)環(huán)境異常波動,系統(tǒng)可及時報警。設(shè)備控制功能方便了用戶操作,能夠依據(jù)天氣變化情況及生產(chǎn)所需手動調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。報表統(tǒng)計(jì)功能是為便于查詢?nèi)請蟊怼⒅軋蟊淼葰v史報表所設(shè)計(jì),能及時儲存各類歷史數(shù)據(jù),作為數(shù)據(jù)分析的重要參考[2]。曲線分析則可全面展示出大棚內(nèi)的溫度變化情況,系統(tǒng)不僅能提供實(shí)時的曲線分析圖,還可儲存歷史曲線圖,便于后期進(jìn)行查詢及使用。系統(tǒng)配置可滿足用戶個性化需要,用戶可設(shè)置個人賬號,使管理更為方便、快捷。

        3.4 主機(jī)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

        主機(jī)應(yīng)用程序基于Visual Studio 2010 系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā),主要借助了ASP.NET 技術(shù),采用了C#作為開發(fā)語言。此軟件為模塊化設(shè)計(jì),依據(jù)不同的模塊功能,做出針對性極強(qiáng)的設(shè)計(jì),有助于降低軟件功能模塊間的耦合性,保障系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。軟件是在三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求下進(jìn)行的開發(fā),可使表現(xiàn)層、控制層、邏輯層所包含的內(nèi)容更為豐富,提升軟件及系統(tǒng)的實(shí)用性。另外,為加強(qiáng)客戶端的可操作性及美觀度,運(yùn)用Ajax 技術(shù)優(yōu)化了客戶端的表現(xiàn)方式。在邏輯層中,可直接調(diào)用Web Service 方法,直接對終端服務(wù)器發(fā)送管理指令,借助此方式,用戶可進(jìn)一步提升系統(tǒng)管理的便捷度,能在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任一位置進(jìn)行全方位管理,實(shí)現(xiàn)對大棚生產(chǎn)過程的不間斷監(jiān)控。

        4 Zigbee系統(tǒng)性能測試

        為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性,應(yīng)在系統(tǒng)安裝完畢后及時進(jìn)行性能測試。本文在某溫室大棚基地進(jìn)行了相關(guān)的系統(tǒng)性能測試工作,將試驗(yàn)觀察期設(shè)定為7 d,查看在此時間段內(nèi)此系統(tǒng)軟硬件的工作狀態(tài)。要在溫室內(nèi)布置一批協(xié)調(diào)器、路由器、信息終端采集裝備,其中,協(xié)調(diào)器需連接基地的監(jiān)控中心,與相應(yīng)的監(jiān)控軟件形成統(tǒng)一整體。安裝路由器時,不宜將其安置于遠(yuǎn)離溫室的區(qū)域,以防數(shù)據(jù)傳輸失真。為達(dá)到最佳效果,應(yīng)將路由器放置于溫室耳房內(nèi),并將數(shù)據(jù)采集裝置放置于溫室中間區(qū)域[3]。在終端節(jié)點(diǎn)中,可將采集周期設(shè)定為5 min,可在每次采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)(如光照、溫濕度、二氧化碳濃度等)時,及時通過路由器將其傳送至監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi),待采集結(jié)束后進(jìn)入休眠狀態(tài),可在下次采集周期到來時再次喚醒,將第一手資料傳遞出去。本系統(tǒng)中,終端節(jié)點(diǎn)距離路由器節(jié)點(diǎn)的距離在80 m 以內(nèi),路由器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心協(xié)調(diào)器的距離為150 m。軟件系統(tǒng)可將采集到的信息及時儲存,再將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包傳送至信息服務(wù)系統(tǒng)中,及時將數(shù)據(jù)加入農(nóng)業(yè)信息服務(wù)平臺,以備今后查詢使用。通過本次試驗(yàn)可以看出,此類溫度控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性能,能勝任大部分情景下的溫室大棚種植,發(fā)揮出自身的實(shí)用價值。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能,保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及準(zhǔn)確性,今后應(yīng)不斷完善系統(tǒng)功能,將誤差率降至最低水平。

        5 結(jié)語

        ZigBee 技術(shù)適合應(yīng)用于大棚環(huán)境監(jiān)測中,取得了良好的應(yīng)用效果。此技術(shù)可對大棚內(nèi)的環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時檢測,通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),將其發(fā)送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),具有使用便捷、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee 技術(shù)突破了有線傳感器的局限性,可使用戶隨時了解大棚內(nèi)的環(huán)境變化情況,依據(jù)此類數(shù)據(jù)資料及時進(jìn)行種植調(diào)整,避免因人為疏忽影響農(nóng)業(yè)物長勢。ZigBee技術(shù)是智慧化農(nóng)業(yè)的具體表現(xiàn),具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢,值得在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大范圍推廣應(yīng)用。

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