樊昊男，茍松松，萬恒志，史文鳳，石金鑫，苗鳳娟

基于石墨烯基多維傳感器的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊昊男，茍松松，萬恒志，史文鳳，石金鑫，苗鳳娟＊

（齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

基于石墨烯的集成多維傳感器設(shè)計(jì)了智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，對農(nóng)產(chǎn)品生長及儲存過程中的各個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測，該系統(tǒng)利用電阻測量電路測試采集溫敏傳感器、光敏傳感器的電阻值，利用555定時(shí)器構(gòu)建電容測量電路測試采集濕敏傳感器、氣敏傳感器的電容值，再通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)對傳感器采集數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)行組網(wǎng)傳輸?shù)胶笈_處將數(shù)據(jù)存儲分析顯示。上位機(jī)軟件通過讀取數(shù)據(jù)庫，將傳感器實(shí)時(shí)信息展示給用戶，也可以通過上位機(jī)發(fā)出指令來控制無線傳輸網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)等方面擁有潛在的科研價(jià)值，且所用材料性價(jià)比高，具有較大的經(jīng)濟(jì)社會價(jià)值。

石墨烯基多維傳感器；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；人機(jī)交互；智慧農(nóng)業(yè)

中國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，我國實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)騰飛的基礎(chǔ)是發(fā)展農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)發(fā)展關(guān)系到整個(gè)國家的穩(wěn)定[1-3]。智慧農(nóng)業(yè)將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代傳感器技術(shù)相結(jié)合，將新興技術(shù)運(yùn)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推進(jìn)信息化農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，在智慧農(nóng)業(yè)的推行進(jìn)程中需要使用眾多低成本、易操作、可快速部署的農(nóng)業(yè)專用傳感器[4-6]。

目前專用于農(nóng)業(yè)的傳感器數(shù)量較少，測量參數(shù)單一，且大多數(shù)是將工業(yè)用傳感器應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上，成本較高。APPIAGYEI等[7]利用濺射法將ZnO/V2O5復(fù)合材料在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維表面構(gòu)建三功能傳感器；HGK等[8]基于碳復(fù)合材料的電阻隨溫度的變化構(gòu)建溫度傳感器，利用溶液澆鑄法集成兩種傳感器；WAJID等[9]以Ag/SnNcCl2/Ag構(gòu)建新型有機(jī)半導(dǎo)體溫濕度傳感器，但是材料不適合大規(guī)模推廣；KARIMOV等[10]利用摩擦法制備彈性層狀橡膠-石墨烯復(fù)合材料構(gòu)建多維傳感器，通過測試發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在位移、頻率、溫度和壓力傳感器方面具有廣闊的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一種無線通信技術(shù)，通過各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將大量傳感器節(jié)點(diǎn)組合搭建成為一個(gè)聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)[11-13]。整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其中通過數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和能量供應(yīng)4個(gè)單元搭建傳感器節(jié)點(diǎn)。將多種傳感器集成為一種多參數(shù)傳感器，利用無線傳感網(wǎng)技術(shù)不僅可測量多個(gè)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息（溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度），深度融合農(nóng)作物生長與信息技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測作物生長環(huán)境情況，為打造智慧農(nóng)業(yè)、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展貢獻(xiàn)力量[14-16]。

本文提出基于石墨烯的集成多參數(shù)傳感器設(shè)計(jì)了智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，運(yùn)用所制備的多參數(shù)傳感器對溫度、濕度、光照和CO2濃度進(jìn)行測試。首先闡述了系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)，從硬件和軟件方面進(jìn)行詳細(xì)介紹，最后對所制備的系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

農(nóng)副產(chǎn)品的最終產(chǎn)量與農(nóng)產(chǎn)品種植過程中的各種環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度息息相關(guān)，因此要嚴(yán)格控制農(nóng)作物的生長環(huán)境，保證農(nóng)作物產(chǎn)量。利用實(shí)驗(yàn)室所制備的石墨烯基多維傳感電極（如圖1所示）進(jìn)行石墨烯基多參數(shù)傳感器的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要適用于農(nóng)業(yè)大棚種植環(huán)境。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)如圖2所示，系統(tǒng)主要由多維傳感器、嵌入式控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)組成，功能可概括為4種環(huán)境參數(shù)快速檢測、數(shù)據(jù)的無線傳輸以及數(shù)據(jù)的終端顯示3個(gè)部分。

圖1 多維傳感器電極設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線如圖3所示，可以概述為4部分：（1）敏感電極的研制；（2）嵌入式控制系統(tǒng)的搭建；（3）物聯(lián)網(wǎng)WSN技術(shù)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；（4）PC端實(shí)時(shí)處理及顯示數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)方案

本文通過測量電路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ǖ肋x擇模塊，經(jīng)由CC2530終端節(jié)點(diǎn)計(jì)算通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上傳到數(shù)據(jù)庫云端，經(jīng)過分析處理數(shù)據(jù)由上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示，可由使用者或上位機(jī)根據(jù)大棚預(yù)設(shè)值自動(dòng)進(jìn)行判斷，控制大棚內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度營造適宜農(nóng)作物生長的環(huán)境，系統(tǒng)整體框架如圖4所示。利用CC2530構(gòu)建三層節(jié)點(diǎn)，主控制器的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、傳輸數(shù)據(jù)的路由器節(jié)點(diǎn)和傳感器采集數(shù)據(jù)的終端節(jié)點(diǎn)，整個(gè)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建并維護(hù)，其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)需要協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)允許，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，通過路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸至數(shù)據(jù)庫。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，上傳上位機(jī)的同時(shí)接收命令更新無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置參數(shù)。

圖4 系統(tǒng)總體框架

2.2 主控電路設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集4種傳感器信息數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)的過程中需要滿足大棚環(huán)境測量的需求，考慮到大棚的應(yīng)用環(huán)境，基于低成本、易操作、可快速部署等需求，主控電路設(shè)計(jì)如下：

將CC2530作為主控芯片，通過電阻測量電路與電容測量電路采集電阻值、電容值得到測量值，CC2530最小系統(tǒng)如圖5所示。通過實(shí)驗(yàn)獲得擬合曲線數(shù)據(jù)，分別求出對應(yīng)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度的數(shù)據(jù)值，基于傳感器的需求分別設(shè)計(jì)CC2530的采集數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的硬件電路和軟件程序?qū)崿F(xiàn)，通過ZigBee自組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將外界環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)情況傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。基于設(shè)計(jì)思路將傳感器采集模式設(shè)計(jì)為不同的采集方式，分為主動(dòng)型和被動(dòng)型，主動(dòng)模式下受到條件觸發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)主動(dòng)將外界環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)上傳；被動(dòng)模式下接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的采集命令，通過查詢的方式獲得外界參數(shù)的數(shù)據(jù)?？紤]到后期可以繼續(xù)添加新的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展系統(tǒng)，設(shè)計(jì)規(guī)定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸編碼格式，以特定的編碼格式進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的傳輸。接收到經(jīng)過編碼的傳感器數(shù)據(jù)后微控制器同樣以特定的格式解析數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸存儲至數(shù)據(jù)庫云端中以便使用者調(diào)用顯示。利用CC2530為控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信，根據(jù)閾值系統(tǒng)自動(dòng)判斷溫室大棚內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度的信息值，超過上限閾值或低于下限閾值系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，通知使用者進(jìn)行處理調(diào)控，當(dāng)長時(shí)間無人處理后自動(dòng)調(diào)控設(shè)備進(jìn)行處理。

圖5 CC2530最小系統(tǒng)

將多維傳感電極與微控制器相結(jié)合，以電極A端口對應(yīng)連接CC2530 P1.6引腳，電極B端口對應(yīng)連接P1.7引腳，電極C端口對應(yīng)連接P2.0引腳，電極D端口對應(yīng)連接P2.1端口，以4個(gè)I/O端口為數(shù)據(jù)采集端口，構(gòu)成以AD、BC為端口的電阻型溫敏、光敏傳感器，以AB、CD為端口的電容型濕敏、氣敏傳感器，終端節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示，多維傳感電極與微控制器電路連接如圖7所示。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)采集流程

通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對溫室大棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控，將CC2530 P1.1引腳控制連接聲光報(bào)警，P1.2引腳控制連接加濕器，P1.3引腳控制連接太陽光模擬器，P1.4引腳控制連接換氣扇，通過微控制器與人工結(jié)合的方式對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)溫度過高時(shí)，控制排氣扇進(jìn)行通風(fēng)換氣降低溫室大棚內(nèi)的溫度，過低時(shí)可以打開加熱器升高環(huán)境溫度；環(huán)境內(nèi)的濕度過低，影響作物生長可以打開加濕器增加溫室大棚內(nèi)空氣中的水分；同理可以利用太陽光模擬器與遮陽板等控制溫室大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度等，以此來實(shí)現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)控，為農(nóng)作物提供更加適宜的生長環(huán)境。

圖7 多維傳感電極與微控制器電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇蜂鳴器模塊作為聲光警報(bào)，CC2530的I/O口并不能直接驅(qū)動(dòng)較大電流，但是蜂鳴器卻要求使用較大的工作電流，所以本文采用放大電路將電流放大以供蜂鳴器工作。蜂鳴器報(bào)警電路如圖8所示，將三極管放置于蜂鳴器和電源之間對電流進(jìn)行放大，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到閾值時(shí)微控制器會發(fā)送時(shí)延1s的信號激發(fā)三極管的基極，導(dǎo)通三極管電路后能夠使蜂鳴器上電鳴響；當(dāng)外界環(huán)境參數(shù)小于閾值時(shí)，停止鳴叫。聲光報(bào)警開關(guān)通過CC2530的引腳P1.5進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)傳感信息值滿足閾值超過提前設(shè)定好的范圍時(shí)，蜂鳴器鳴叫并點(diǎn)亮報(bào)警燈。

圖8 蜂鳴器電路

2.3 測量電路設(shè)計(jì)

本文多維傳感器分為電阻型和電容型傳感器兩類，因此設(shè)計(jì)測量電路分為電阻測量與電容測量。通過轉(zhuǎn)換不同量程將采集的4種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算轉(zhuǎn)換為環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)供使用者查看，多維傳感器測量電路流程如圖9所示。

圖9 測量電路流程

電阻型傳感器測量電路由微控制器CC2530與精密電阻（TEKESKY 100K）、恒壓源模塊（OPA548）、電源模塊（江蘇長電CJA1117）構(gòu)成，電阻型傳感器測量電路流程如圖10所示。通過CC2530控制內(nèi)部集成的12位DAC向OPA548輸入電壓，控制運(yùn)放芯片的輸出電壓間接控制采樣的輸出電壓傳輸給CC2530內(nèi)部12位ADC，將輸出電壓與采集的輸入電壓進(jìn)行比對，過程中OPA548保持恒壓為5V。通過利用第一路ADC的雙倍數(shù)值計(jì)算5V恒壓數(shù)值，利用串聯(lián)分壓電路電流相等的特點(diǎn)計(jì)算待測電阻，提高測量精度：

圖10 電阻型測量電路流程

其中，1為第一路ADC的采集值；2為第二路ADC的采集值；R為待測電阻；3為精密電阻。

通過運(yùn)算放大器OPA548與精密運(yùn)算器TLC2202構(gòu)建恒壓源模塊電路如圖11所示，通過CC2530內(nèi)部ADC輸出值調(diào)節(jié)OPA548的輸出值，整個(gè)測量電路構(gòu)成5V的恒壓閉環(huán)系統(tǒng)。測量電路可以通過恒壓模塊電路對電極進(jìn)行控制，維持電極電位的穩(wěn)定使傳感器檢測更加精確穩(wěn)定。

圖11 恒壓模塊電路

電容型傳感器以555定時(shí)器與電阻、電容構(gòu)建測量電路，電容測量電路原理如圖12所示。通過電阻與電容量確定測量電路的頻率。以1代表脈沖維持時(shí)間，2代表脈沖低電平時(shí)間，計(jì)算脈沖周期：

圖12 電容測量電路原理

圖13 電容測量電路

2.4 外圍電路設(shè)計(jì)

由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)外界環(huán)境比模擬測試時(shí)的條件復(fù)雜，為預(yù)防系統(tǒng)在上電之后無法正?；謴?fù)到原始電位，導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，在外圍電路中利用復(fù)位電路恢復(fù)電路初始化狀態(tài)，可以重新開始運(yùn)行程序，復(fù)位電路如圖14所示。啟動(dòng)復(fù)位程序后整個(gè)系統(tǒng)將發(fā)生復(fù)位重新啟動(dòng)，恢復(fù)初始化重新運(yùn)行系統(tǒng)上電，電容兩側(cè)的電位由于電壓不能突變而無法相同時(shí)RST顯示低電平狀態(tài)，隨后通過電源電路給電容充電使RST變成高電平，即正常系統(tǒng)工作運(yùn)行時(shí)為高電平，上電進(jìn)行低電平復(fù)位。當(dāng)電源電路對電容放電后RST成為低電平正常工作，高電平發(fā)生復(fù)位。復(fù)位電路設(shè)置兩種模式，自動(dòng)上電復(fù)位通過復(fù)位電容向微控制器復(fù)位引腳施加高電平進(jìn)行復(fù)位；手動(dòng)復(fù)位時(shí)微控制器獲得VCC高電平，系統(tǒng)重新開始運(yùn)行。

圖14 復(fù)位電路

圖15 電源電路設(shè)計(jì)

硬件電路通過電源模塊通電提供能量，電源電路設(shè)計(jì)如圖15所示，本文選擇江蘇長電CJA1117電源變換芯片構(gòu)建電源電路。

電源電路接入電源時(shí)由于起始電壓波動(dòng)較大，所以通過輸入濾波電容施加足夠量的電容對電路進(jìn)行濾波，利用電容充放電的過程對電路脈動(dòng)直流進(jìn)行波紋遏制。在輸出電路部分同樣加入輸出濾波電容，在輸出采樣的過程中為電路進(jìn)行穩(wěn)壓，防止電壓波動(dòng)頻率因?yàn)樨?fù)載導(dǎo)致與穩(wěn)壓電路產(chǎn)生振蕩，使輸出電路失控，增加輸出穩(wěn)壓電路的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中帶有各類傳感器、液晶顯示屏、控制模塊以及無線傳感模塊，由于采集設(shè)備的功耗也在10 mW到100 mW之間，ZigBee無線模塊也具有超低功耗功能，所以電源電路采用5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路即可滿足功耗需求。

在測量電路中采用繼電器電路實(shí)現(xiàn)電阻與電容測量中的自動(dòng)換擋，作為電子開關(guān)通過小量程電流控制其它大量程元器件，當(dāng)電路中測量的頻率過低時(shí)，微控制器通過控制繼電器電路轉(zhuǎn)換測量電路的量程，繼電器電路如圖16所示。在電路中通過三極管放大電路的電流，利用二極管保護(hù)繼電器電路。

為防止突然斷電，在系統(tǒng)中加入掉電存儲電路，以可編程只讀存儲器EEPROM電可擦芯片為核心構(gòu)建保護(hù)電路，在突發(fā)情況下保存已采集的數(shù)據(jù)，通過電信號修改內(nèi)容，不需要清除原本數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行寫入與修改數(shù)據(jù)，極大地保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)用性。EEPROM掉電儲存電路如圖17所示。

圖16 繼電器電路

圖17 掉電儲存電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)的各個(gè)模塊都需要軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)不僅要考慮實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的測量功能，還應(yīng)該考慮到系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、低成本等?；赯igBee無線技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和上位機(jī)顯示系統(tǒng)3部分構(gòu)建整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中由多維終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成發(fā)射機(jī)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分別連接數(shù)據(jù)采集模塊與ZigBee的I/O端口組網(wǎng)。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程如圖18所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，將ZigBee協(xié)議棧初始化，對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后，等待任務(wù)事件響應(yīng)，根據(jù)相關(guān)的指令進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位、節(jié)點(diǎn)信息查詢，以及檢查設(shè)備狀況等。

圖18 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程

終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖19所示，終端節(jié)點(diǎn)上電將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)的信號請求，加入網(wǎng)絡(luò)成功開始判斷信道空閑情況，當(dāng)信道空閑時(shí)候，向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送四路采集數(shù)據(jù)，并判斷發(fā)送狀態(tài)是否成功，直到發(fā)送成功，再次進(jìn)行下一輪四路數(shù)據(jù)的采集。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等待響應(yīng)判斷是否有傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送，上位機(jī)接收串口數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中以供后續(xù)使用。

圖19 終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)流程

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

控制程序設(shè)計(jì)主要功能為通過自動(dòng)控制與人工控制保持溫室大棚內(nèi)的環(huán)境，使大棚環(huán)境始終保持適宜農(nóng)作物生長的條件，控制程序流程如圖20所示。控制程序中人工控制權(quán)限更高，可人為地自由調(diào)控改變環(huán)境因素，自動(dòng)控制權(quán)限較低，上電后自動(dòng)判斷是否達(dá)到閾值，當(dāng)溫度過低時(shí)可控制升溫器來提高大棚內(nèi)溫度，過高時(shí)可制冷或通過開窗通風(fēng)等降低內(nèi)部溫度；當(dāng)濕度過低時(shí)可控制加濕器增大大棚內(nèi)環(huán)境濕度，過高時(shí)可打開風(fēng)扇換氣排濕等減少濕度；當(dāng)光照強(qiáng)度過低時(shí)可以拉起大棚上面的遮光板或通過太陽光模擬器提高大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度，過高時(shí)可以放下大棚上面的遮光板降低大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度；當(dāng)CO2濃度過低時(shí)可以通過人工控制增加CO2濃度，過高時(shí)可控制換氣扇自動(dòng)換氣降低濃度。

圖20 控制程序設(shè)計(jì)流程

3.3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

傳感器終端節(jié)點(diǎn)I/O端口驅(qū)動(dòng)程序流程如圖21所示，系統(tǒng)初始化后接收微控制器發(fā)出的指令，收到指令后程序開始運(yùn)行，通過終端節(jié)點(diǎn)利用4路傳感器采集數(shù)據(jù)并上傳，最終把數(shù)據(jù)打包發(fā)送至微控制器CC2530。

4路傳感器分為電阻型與電容型兩類傳感器，其中溫敏傳感器與光敏傳感器為電阻型傳感器，濕敏傳感器和氣敏傳感器為電容型傳感器。在數(shù)據(jù)處理過程中，通過對電阻型測量電路與電容型測量電路分別采集數(shù)據(jù)。經(jīng)過各項(xiàng)量程轉(zhuǎn)換計(jì)算后可由液晶顯示器將各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)顯示供使用者查閱，以便隨時(shí)掌控溫室大棚內(nèi)的環(huán)境條件，一旦發(fā)現(xiàn)環(huán)境失衡，某項(xiàng)環(huán)境參數(shù)過高或過低達(dá)到閾值，可以通過人工調(diào)配或經(jīng)由控制程序發(fā)出聲光報(bào)警自行調(diào)配。

3.4 人機(jī)交互界面程序設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)主要將分析處理后的數(shù)據(jù)通過PC端更好地進(jìn)行展示，讓測試者能夠更直觀、方便、快捷地了解測試結(jié)果，通過自動(dòng)調(diào)控與人工控制，對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)配控制。

上位機(jī)整體流程如圖22所示。系統(tǒng)初始化后進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集，利用傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲，通過C#語言重構(gòu)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的模型，將采集到的原始傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析校

準(zhǔn)并通過模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償，利用上位機(jī)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行分析處理，通過人機(jī)交互界面把分析處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行展示。

圖21 傳感器 I/O端口驅(qū)動(dòng)流程

圖22 上位機(jī)整體流程

人機(jī)交互界面程序設(shè)計(jì)主要為上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示程序與上位機(jī)控制程序兩部分，上位機(jī)顯示程序流程如圖23所示，系統(tǒng)初始化后接受組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)膫鞲衅鞑杉瘮?shù)據(jù)，將之存儲至數(shù)據(jù)庫后發(fā)送到上位機(jī)，顯示界面如圖24所示。再對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如某項(xiàng)數(shù)據(jù)超過閾值，則針對其過高或過低進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控，未超過閾值則返回記錄下一組數(shù)據(jù)。

圖23 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示流程

上位機(jī)控制流程如圖25所示，當(dāng)微控制器收到數(shù)據(jù)后，首先判斷數(shù)據(jù)類型，即數(shù)據(jù)屬于哪類傳感器進(jìn)而判斷數(shù)值是否達(dá)到閾值，若超過（低于或高于）閾值則發(fā)出報(bào)警指令，然后通過自動(dòng)調(diào)控與人工控制的方法對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)配控制，從而使溫室大棚內(nèi)的環(huán)境適宜作物生長；若未超過閾值，則發(fā)送數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫存儲，在人機(jī)交互界面處顯示大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。

圖24 上位機(jī)顯示界面

圖25 上位機(jī)控制程序流程

4 運(yùn)行調(diào)試

系統(tǒng)整體功能調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩個(gè)方面，主要從ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)，采集并傳輸數(shù)據(jù)，利用軟件和硬件對應(yīng)的編譯器的debug串口對原始數(shù)據(jù)調(diào)試查看，通過串口助手整體觀察ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯總的傳感器數(shù)據(jù)，采用C#語言進(jìn)行編程，利用C#控件的框架開發(fā)上位機(jī)接口并將采集的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，方便后期數(shù)據(jù)的處理和顯示。

硬件部分調(diào)試?yán)瞄_發(fā)軟件IAR Embedded Workbench（簡稱IAR）進(jìn)行調(diào)試，通過IAR的編譯器和調(diào)試器對微處理器提供直觀的界面。通過IAR進(jìn)行二次開發(fā)CC2530協(xié)議棧，將協(xié)議棧程序經(jīng)過調(diào)試下載到微控制器中，硬件調(diào)試如圖26所示。打開協(xié)議棧工程文件，修改調(diào)用應(yīng)用層的設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用，編譯好程序后通過debug下載器分別將程序下載到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，重啟系統(tǒng)后分別觀察兩種節(jié)點(diǎn)的LED燈，若兩燈同時(shí)閃爍表示系統(tǒng)組網(wǎng)成功。將4種傳感器節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的采集電路分別與ZigBee規(guī)劃的I/O端口進(jìn)行連接，重啟節(jié)點(diǎn)后通過debug窗口觀察到數(shù)據(jù)采集成功。

圖26 硬件系統(tǒng)調(diào)試

軟件部分調(diào)試通過協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)簡單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。利用XCOM.V2.0查看ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)內(nèi)容，使用Microsoft Visual Studio進(jìn)行C#語言編程的開發(fā)，利用.NET Framework4.5.2中的Windows窗口應(yīng)用程序框架進(jìn)行上位機(jī)開發(fā)。

5 結(jié)論

本文介紹了智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中以CC2530芯片為核心微控制器搭建多維傳感器硬件測試系統(tǒng)，對多維傳感器進(jìn)行外界環(huán)境參數(shù)采集數(shù)據(jù)，利用WSN中ZigBee協(xié)議與.NET Framework4.5.2實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)相結(jié)合，使用Microsoft Visual Studio進(jìn)行C#語言編程的開發(fā)設(shè)計(jì)，人機(jī)交互界面將傳回的數(shù)據(jù)分析處理后實(shí)時(shí)直觀地展示給使用者。結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支持多維傳感器的采集、傳輸、分析處理、上位機(jī)顯示和調(diào)控的功能。

致謝

本研究受黑龍江省農(nóng)業(yè)多維傳感器信息感知工程技術(shù)研究中心和黑龍江省微納傳感器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室支持，特此致謝。

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Design of smart agricultural system based on graphene-based multi-dimensional sensor

FAN Hao-nan，GOU Song-song，WAN Heng-zhi，SHI Wen-feng，SHI Jin-xin，MIAO Feng-juan＊

(College of Communication and Electronic Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

The integrated multi-dimensional sensor based on graphene has designed a smart agricultural system, which can effectively monitor various environmental parameters during the growth and storage of agricultural products in real time. 555 timer builds a capacitance measurement circuit to test and collect the capacitance values of the humidity sensor and gas sensor, and then processes the data collected by the sensor through the wireless sensor network. The host computer software displays the real-time information of the sensor to the user by reading the database, and can also control the terminal node of the wireless transmission network by issuing instructions from the host computer. The system has potential scientific research value in smart agriculture and other aspects, and the materials used are cost-effective and have great economic and social value.

graphene-based multidimensional sensor；wireless sensor network；human-computer interaction；smart agriculture

TP212.1;TN492

A

1007-984X(2023)03-0046-09

2022-12-15

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目計(jì)劃（202210232136）；齊齊哈爾大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（145209804）

樊昊男（2002-），男，山西人，本科，主要從事傳感器和無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究，2669581322@qq.com。

苗鳳娟（1982-），女，黑龍江人，教授，博士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究，miaofengjuan@163.com。