朱薪豪 侯艷艷 單承剛 桑得水

摘要：物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)采用當(dāng)前熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方法，并搭載了各種傳感器（溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、土壤濕度傳感器、熱釋紅外感應(yīng)傳感器）和無線通信模塊，最終實現(xiàn)了對大棚生產(chǎn)過程中各項環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)測量，并智能控制大棚內(nèi)各項環(huán)境狀況，進而實現(xiàn)大棚環(huán)境的自動保溫、保濕、土壤濕度、歷史數(shù)據(jù)的記錄和安防監(jiān)測等功能。物聯(lián)網(wǎng)智能大棚系統(tǒng)還具有遠程訪問與控制功能。用戶使用PC機不僅可以遠程訪問大棚內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實時觀察植物的長勢，還可以遠程控制大棚內(nèi)部的執(zhí)行器件（風(fēng)扇、加濕器、加熱器）來改變大棚內(nèi)部環(huán)境。

關(guān)鍵詞：ZigBee；溫室大棚；物聯(lián)網(wǎng)；智能農(nóng)業(yè)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）11-0244-03

1 方案背景

隨著我國城市化建設(shè)的進一步推進，我國可耕種地面積在逐年減少，如何充分利用現(xiàn)有的土地資源顯得十分重要。目前，我國北方大部分地區(qū)都有溫室大棚，由于溫濕度，光照，CO2濃度直接影響作物的產(chǎn)量，因此如何給作物提供一個適宜生長的大棚環(huán)境，是一個值得研究的課題。本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿足了用戶在遠距離條件下對大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，采用本系統(tǒng)可以實現(xiàn)大棚內(nèi)溫濕度、CO2濃度等環(huán)境變量的自動調(diào)節(jié)適宜作物生長的區(qū)間，真正實現(xiàn)溫室大棚的無人化管理。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)分為無線傳感網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和主控中心三個部分，把嵌入式技術(shù)，傳感器檢測技術(shù)，無線通信等技術(shù)相結(jié)合。無線傳感網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器、五個數(shù)據(jù)采集節(jié)點（溫度傳感器節(jié)點、濕度傳感器節(jié)點、光照度傳感器節(jié)點、安防傳感器節(jié)點、土壤濕度節(jié)點）及一個控制節(jié)點組成。五個數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責(zé)采集大棚內(nèi)溫度、濕度、光照度、土壤濕度、安防等信息的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進行匯總處理，一方面，協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)通過串口傳送大棚內(nèi)各種設(shè)置參數(shù)、命令及數(shù)據(jù)，另一方面協(xié)調(diào)器將控制命令發(fā)送給控制節(jié)點，控制風(fēng)扇、加濕器、加熱器的開關(guān)來調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境。系統(tǒng)整體功能框圖如圖1所示。

智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)可實時采集大棚內(nèi)的溫濕度、光照信息、土壤濕度、安防信息，通過高精度測量溫室大棚生產(chǎn)過程中的參數(shù)，智能控制大棚內(nèi)溫度、濕度、通風(fēng)狀況等，自動實現(xiàn)保溫、保濕和歷史數(shù)據(jù)的記錄的功能。該系統(tǒng)還具有遠程訪問和控制功能，用戶可以通過PC機遠程訪問大棚內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實時關(guān)注植物的長勢，并可遠程控制農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部設(shè)備的開關(guān)，調(diào)整大棚內(nèi)部環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)整體功能框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件采用模塊化的思路完成設(shè)計，主要包括傳感器模塊、控制器模塊和協(xié)調(diào)器模塊三部分。傳感器模塊、控制器模塊和協(xié)調(diào)器模塊是搭載在ZigBee無線通信核心板和外接主板之上的，分別構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集節(jié)點、控制節(jié)點和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。這樣的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方便用戶更換器件，最大限度的滿足實際設(shè)計的需求。

3.1 無線通信核心板和外接主板

ZigBee無線通信模塊是由核心板和外接主板組成。ZigBee無線通信核心板的主控芯片采用TI公司生產(chǎn)的ZigBee無線通信芯片CC2530，負責(zé)驅(qū)動傳感器以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。CC2530是一個真正用于IEEE 802.15.4的ZigBee 和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（ SOC）解決方案，其能以較低的成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530 集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU，在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，8kB 的RAM和其他功能，且適合需要超低功耗的系統(tǒng)。

主板主要由電源電路、USB轉(zhuǎn)串口通信電路、接口電路等三部分組成。接口電路連接核心板與傳感器模組或控制模組，并為它們提供電源接口。電源電路為核心板、傳感器模組或控制模組供電。USB轉(zhuǎn)串口通信電路將CC2530 單片機的串口轉(zhuǎn)換為USB口，方便節(jié)點與PC機進行串口通信。

3.2 協(xié)調(diào)器模塊

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中唯一的協(xié)調(diào)器，主要負責(zé)組建個域網(wǎng)及接收處理各節(jié)點傳遞過來的信號。處理器部分采用了CC2530作為主控芯片。一般情況下，協(xié)調(diào)器節(jié)點接口主要包括串行接口、電源接口及JTAG接口，也可增加USB接口。當(dāng)管理機無串口時，采用USB接口可使該節(jié)點應(yīng)用更為方便靈活。協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，完成各個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)匯總打包，并將打包后的數(shù)據(jù)信息通過串口傳送給嵌入式網(wǎng)關(guān)。

3.3 傳感器模塊

傳感器模塊由不同的傳感器實現(xiàn)，包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、土壤濕度傳感器和熱釋紅外傳感器。

3.3.1 溫濕度傳感器

溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用SHT10采集農(nóng)業(yè)大棚中的溫度和濕度，工作電壓2.4-2.5V，測濕精度為+-4.5%RH，足以滿足大棚要求。SHT10采用SMD貼片封裝，用兩條串行線與處理器進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)采集完后ZigBee無線通信芯片將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，完成了一次數(shù)據(jù)采集。

圖2 SHT10電路連接圖

3.3.2 光照度傳感器

光照度傳感器實現(xiàn)光照數(shù)據(jù)采集功能，它采用光敏電阻采集環(huán)境的光照度信息，當(dāng)光照度發(fā)生變化時，光敏電阻的阻值會減小。數(shù)據(jù)采集后轉(zhuǎn)化為電壓值送給CC2530單片機，并通過CC2530單片機的射頻通信模塊將數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，完成一次數(shù)據(jù)采集，相關(guān)電路， 光照傳感器電路輸出的為電壓模擬信號，需要用CC2530內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，光照度傳感器與CC2530的P0_0相連，P0_0端口設(shè)置為ADC輸入工作模式。

3.4 控制器模塊

控制模塊主要實現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)控制，主要由繼電器及控制電路組成。它采用USB接口與外圍設(shè)備連接。控制節(jié)點負責(zé)執(zhí)行協(xié)調(diào)器發(fā)送的開關(guān)設(shè)備的命令。

控制節(jié)點配備繼電器模組，通過繼電器來驅(qū)動風(fēng)扇，調(diào)節(jié)室內(nèi)的通風(fēng)。光照度采集節(jié)點將光照信息采集送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器向網(wǎng)關(guān)發(fā)送實時光照度數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)將實時數(shù)據(jù)和閥值進行比較，如果實時數(shù)據(jù)大于上限閥值就發(fā)送信息給控制節(jié)點通過繼電器開啟風(fēng)扇，反之關(guān)閉風(fēng)扇。這與其它外圍設(shè)備的控制原理類似。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

ZigBee底層協(xié)議棧及其應(yīng)用層軟件構(gòu)成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件平臺。ZigBee協(xié)議棧由TI公司提供，OSAL操作系統(tǒng)的使命就是對幾項不同的任務(wù)進行調(diào)度，使其協(xié)調(diào)有序的在CPU上運行，應(yīng)用層程序通過OSAL操作系統(tǒng)的調(diào)用完成信息采集功能。應(yīng)用層軟件開發(fā)主要是各種傳感器驅(qū)動程序的編寫和自動控制程序的編寫。

4.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中唯一的協(xié)調(diào)器，主要負責(zé)組建個域網(wǎng)及接收處理各節(jié)點傳遞過來的信號。傳遞的信號分為節(jié)點入網(wǎng)請求信號，以及數(shù)據(jù)上傳信號。當(dāng)接收到入網(wǎng)請求信號后，將給節(jié)點分配16位的短地址標(biāo)識符，由于本系統(tǒng)采用的樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，其將采用根尋址的方法分配地址。若接收到的為數(shù)據(jù)上傳信號，則需要將各節(jié)點上傳的檢測到的環(huán)境參數(shù)傳給網(wǎng)關(guān)，交由網(wǎng)關(guān)進行處理。

4.2 傳感器軟件設(shè)計

4.2.1 溫濕度傳感器驅(qū)動程序

CC2530微控制器與SHT10進行通信時，首先要初始化SHT10，然后寫入命令，最后等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成將測量數(shù)據(jù)讀出。

圖3 溫濕度節(jié)點程序流程圖

4.2.2 光照度傳感器程序編寫

系統(tǒng)采用光敏電阻來采集室內(nèi)的光照度，當(dāng)光照度發(fā)生變化時，光敏電阻的阻值會變小，詳細流程。

圖4 光照度節(jié)點程序流程圖

4.2.3 熱釋紅外傳感器程序編寫

熱釋紅外傳感器能夠檢測人體發(fā)出的紅外波，當(dāng)沒有人時，輸出低電平；當(dāng)檢測到人時，輸出間隔一秒的高低電平。所以只有讀出輸出端口的高低電平狀態(tài)便可以判斷是否有人存在。熱釋紅外傳感器的輸出端口與 CC2530 的 P1_0 端口相連。這樣只要讀取 P1_0 端口的狀態(tài)便可以判斷是否有人存在。

4.3 控制器程序設(shè)計

當(dāng)網(wǎng)關(guān)檢測到協(xié)調(diào)器傳遞的參數(shù)不在設(shè)定的閾值之內(nèi)時，網(wǎng)關(guān)向協(xié)調(diào)器發(fā)送開啟相應(yīng)繼電器開關(guān)指令，進而協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到控制器，控制節(jié)點負責(zé)執(zhí)行協(xié)調(diào)器發(fā)送的開關(guān)設(shè)備的命令，實現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的開關(guān)控制。

5 實驗測試

為驗證本系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，利用該系統(tǒng)在實驗室內(nèi)做了簡單的測試。實驗結(jié)果顯示，無線傳感器節(jié)點每隔一定的時間就將采集一次溫濕度、光照、人體紅外和土壤濕度數(shù)據(jù)，并將采集到的信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器，進而有協(xié)調(diào)器節(jié)點傳送到網(wǎng)關(guān)。圖5為檢測到的數(shù)據(jù)和網(wǎng)頁界面。

圖5 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)頁界面

測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠，可以實現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境的自動保溫保濕和安防系統(tǒng)的管理，適合大棚內(nèi)的各種需求。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)的創(chuàng)意在于將日漸成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)結(jié)合起來。通過無線采集技術(shù)及無線控制技術(shù)組建了一個可以遠程管理的農(nóng)業(yè)大棚。采集的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺刂行倪M行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)大棚從數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析匯總的一體化解決方案。

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