王嘉寧 牛新濤 徐子明 鄭傳濤 王一丁

(1．吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012;2．集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130012)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室CO2濃度監(jiān)控系統(tǒng)

王嘉寧1，2牛新濤1，2徐子明1，2鄭傳濤1，2王一丁1，2

(1．吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012;2．集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130012)

設(shè)計(jì)了一種溫室二氧化碳(CO2)濃度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、CO2濃度調(diào)控節(jié)點(diǎn)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)軟件平臺(tái)構(gòu)成。采用紅外CO2測(cè)量模塊S300作為傳感器節(jié)點(diǎn)的核心模塊對(duì)溫室CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將采集到的CO2濃度、溫濕度、光照等環(huán)境信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)軟件平臺(tái)對(duì)采集到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行處理、信息網(wǎng)絡(luò)同步，并通過(guò)模糊PID算法對(duì)溫室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。在通信過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)，在保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的同時(shí)有效調(diào)整無(wú)線發(fā)射功率以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。在實(shí)驗(yàn)室條件下配備了標(biāo)準(zhǔn)濃度的CO2氣體樣品對(duì)設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行了標(biāo)定和表征，結(jié)果顯示，該傳感器對(duì)CO2體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)下限小于5×10－5;對(duì)體積分?jǐn)?shù)為3×10－4和6.5×10－4的CO2氣體樣品分別進(jìn)行了10 h的長(zhǎng)期測(cè)量，相對(duì)波動(dòng)小于2.6%。將該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在吉林省長(zhǎng)春市雙陽(yáng)區(qū)奢嶺鎮(zhèn)國(guó)信采摘園進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控試驗(yàn)，試驗(yàn)溫室面積為640m2，設(shè)定溫室中CO2的目標(biāo)體積分?jǐn)?shù)為8×10－4，經(jīng)調(diào)控后溫室中CO2體積分?jǐn)?shù)的波動(dòng)范圍約為(8±0.42)×10－4。該CO2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有小型化、高性?xún)r(jià)比、高測(cè)量精度等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了信息的智能化管理與遠(yuǎn)程同步，以及溫室內(nèi)CO2濃度的智能調(diào)控。

溫室;CO2濃度傳感器;無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò);監(jiān)控系統(tǒng)

引言

隨著近年來(lái)我國(guó)設(shè)施園藝的快速發(fā)展，截止2015年，我國(guó)溫室總面積已突破208萬(wàn)hm2，其中北方設(shè)施蔬菜耕種面積已超過(guò)125萬(wàn)hm2［1－2］。與此同時(shí)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步向精細(xì)化農(nóng)業(yè)過(guò)渡。其中，傳感器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、信息處理、決策服務(wù)等智能化技術(shù)正逐步運(yùn)用于溫室大棚的有效管理之中［3］。尤其是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，有效降低了溫室內(nèi)信息傳遞的復(fù)雜性，促進(jìn)了溫室智能化管理的發(fā)展進(jìn)程［4－6］。GUTIERREZ等［7］設(shè)計(jì)了以實(shí)時(shí)監(jiān)控的溫室環(huán)境信息為基礎(chǔ)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。JEONGHWAN等［8－9］研制了環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，并將其應(yīng)用于室外及溫室環(huán)境。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量中，除多節(jié)點(diǎn)觀測(cè)外，ROLDN等［10］采用無(wú)人機(jī)(UAV)加載傳感器的方式，對(duì)溫室內(nèi)氣體分布進(jìn)行測(cè)量。然而，相對(duì)于溫濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)，溫室CO2濃度參數(shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量對(duì)精細(xì)化農(nóng)業(yè)種植及智能灌溉具有更重要的意義。季宇寒等［11］采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了采集，建立了基于支持向量機(jī)的光合速率預(yù)測(cè)模型，并針對(duì)CO2氣肥優(yōu)化調(diào)控進(jìn)行了相應(yīng)研究。蔣毅瓊等［12］設(shè)計(jì)了基于JN5139的溫室CO2氣肥調(diào)控系統(tǒng)，并在日光溫室內(nèi)(2.5× 1.0×2.5)m3的薄膜密閉空間內(nèi)進(jìn)行調(diào)控試驗(yàn)，驗(yàn)證了調(diào)控系統(tǒng)的有效性。為實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境信息智能化管理，本文分別從應(yīng)用層、中間層和物理層3個(gè)層面進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的溫室智能化監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、CO2氣肥補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)及基于LabVIEW的上位機(jī)軟件平臺(tái)組成。

1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

所需測(cè)量的溫室環(huán)境信息主要有溫濕度、光照度、二氧化碳濃度。所設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為:采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)及接收控制信號(hào)進(jìn)行決策性灌溉的物理層、傳輸溫室環(huán)境數(shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)調(diào)控信息的中間層以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、共享并基于模糊PID算法得出最佳調(diào)控參數(shù)的應(yīng)用層。通過(guò)基于無(wú)線通信的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取相應(yīng)信息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至終端。由終端的上位機(jī)軟件完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存、同步等功能。

圖1 溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure diagram of environmental monitoring system for greenhouse

1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

1.2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

物理層功能主要由基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)來(lái)完成。該傳感器節(jié)點(diǎn)采用ARM Cortex M3系列單片機(jī)(STM32F103R)作為核心微處理器與傳感器模塊及無(wú)線通信模塊進(jìn)行通信。圖2為傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。采用鋰電池獨(dú)立供電，支持多路傳感器分時(shí)復(fù)用進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。底板提供Flash芯片(W25Q64BV)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)按要求寫(xiě)入，預(yù)留的Uart通信接口可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的有線讀取，避免因電力不足，無(wú)線通信質(zhì)量不佳等情況引起的數(shù)據(jù)丟失?？紤]到無(wú)線通信模塊NRF24L01發(fā)射功率較低，溫室環(huán)境植物遮擋嚴(yán)重等因素，采用功率可調(diào)射頻放大芯片RFX2401C進(jìn)行功率放大，以確保無(wú)線傳輸在溫室環(huán)境中能達(dá)到所需的發(fā)射功率。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Structure diagram of sensor node

1.2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

圖3為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)物照片。傳感器節(jié)點(diǎn)包括供電電池、CO2傳感器及相應(yīng)的電路部分，封裝于(8×8×4.5)cm3的防水盒中，如圖3a所示。為防止溫室內(nèi)高濕度環(huán)境對(duì)內(nèi)部紅外二氧化碳傳感器及測(cè)量電路造成影響，在外壁通氣孔處采用ePTFE材料制成的防水透氣膜進(jìn)行防水透氣處理，如圖3b所示。經(jīng)過(guò)防水處理的空氣將不會(huì)對(duì)內(nèi)部紅外二氧化碳傳感器的測(cè)量造成影響，同時(shí)避免了由于溫室晝夜溫差較大造成的結(jié)露現(xiàn)象。溫濕度傳感器、光照度傳感器及無(wú)線通信天線露置于殼體外部，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境因素的準(zhǔn)確測(cè)量及數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，如圖3c中虛線所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖Fig．3 Photos of sensor node

1.2.3 傳感器的選擇及校正

考慮到溫室半封閉環(huán)境，白日最低CO2體積分?jǐn)?shù)可達(dá)2×10－4以下，且準(zhǔn)確的CO2濃度測(cè)量直接影響到溫室農(nóng)業(yè)的決策性氣肥灌溉，傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器(如 MG811型)具有較高的檢測(cè)下限(4× 10－4)及較大的功耗(1.2W)，不滿(mǎn)足密閉溫室測(cè)量下限的同時(shí)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立工作，均不適用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)，由于溫室應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，由化肥和土壤等釋放的注入甲烷等其他氣體成分極大限制了半導(dǎo)體類(lèi)CO2傳感器的可用性。在考慮到性?xún)r(jià)比的前提下，傳感器節(jié)點(diǎn)選用基于直接吸收法設(shè)計(jì)的S300型紅外CO2傳感器對(duì)溫室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行測(cè)量，相比于電化學(xué)、半導(dǎo)體傳感器等，確保了較高的測(cè)量精度及較低的檢測(cè)下限。

針對(duì)溫室環(huán)境溫濕度變化范圍及低成本小型化設(shè)計(jì)需求，傳感器節(jié)點(diǎn)選用SHT15型溫濕度傳感器對(duì)溫室內(nèi)溫濕度進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行相應(yīng)非線性校正以提高其檢測(cè)精度。測(cè)量光照度采用BH1750FVI型數(shù)字光照度傳感器，其測(cè)量中心波長(zhǎng)為560 nm，為可見(jiàn)光范圍，測(cè)量結(jié)果具有較高分辨率，測(cè)量范圍為1～65 535 lx。

1.2.4 CO2調(diào)控節(jié)點(diǎn)

通過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的溫室環(huán)境參數(shù)，通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)基于模糊PID算法處理后所得的控制信號(hào)將傳輸至CO2濃度補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)由瓶裝CO2氣源、無(wú)線驅(qū)動(dòng)電路及電磁閥組成。

驅(qū)動(dòng)電路將接收到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁閥開(kāi)關(guān)過(guò)程中不同的占空比，從而達(dá)到智能調(diào)控CO2釋放流量的目的。微處理器及控制端采用TPL521型光耦進(jìn)行隔離，防止驅(qū)動(dòng)端脈沖信號(hào)對(duì)前端電路造成影響。采用為SONGLE型電磁閥，其最大工作頻率可達(dá)4 Hz，起重力超過(guò)10 kg。但考慮到溫室環(huán)境的延遲特性及探測(cè)最小周期等限制，在該設(shè)計(jì)中，調(diào)控周期設(shè)置為10 s。

1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信設(shè)計(jì)

1.3.1 通信頻段及通信流程

433MHz通信模塊具有可集成度高，小型化，繞射性好，通信距離遠(yuǎn)，發(fā)射功率可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，對(duì)溫室環(huán)境信息監(jiān)測(cè)具有較好的針對(duì)性［13－14］。中間層的數(shù)據(jù)傳輸主要由433 MHz無(wú)線通信模塊來(lái)完成，該模塊采用si4463作為主芯片，采用射頻放大芯片對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行放大且功率可調(diào)。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中，當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端無(wú)數(shù)據(jù)采集命令時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)采用監(jiān)聽(tīng)式工作模式，傳感器處于休眠狀態(tài)，經(jīng)測(cè)試單片機(jī)耗電在30μA以下，整體節(jié)點(diǎn)耗電在850μA以下，極大延長(zhǎng)了傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

1.3.2 通信頻段及通信流程

收發(fā)信息的同時(shí)，接收終端會(huì)對(duì)每次通信的RSSI值進(jìn)行測(cè)量，以評(píng)價(jià)鏈路質(zhì)量?？紤]通信可靠性、丟包率、同頻干擾等因素，在該設(shè)計(jì)中，會(huì)根據(jù)用戶(hù)需求設(shè)定所需的 RSSI數(shù)值范圍，當(dāng)接收到的RSSI數(shù)值超出該區(qū)間，將對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到盡可能降低能源消耗的同時(shí)確保無(wú)線通信的信號(hào)質(zhì)量。

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)終端之間，確定有效通信距離、最大通信距離、發(fā)射功率、RSSI等參數(shù)之間關(guān)系為

式中 r——傳輸距離 n——傳播因子

PR——無(wú)線信號(hào)接收功率

PT——無(wú)線信號(hào)發(fā)射功率

由于一般情況下發(fā)射功率可由用戶(hù)自行設(shè)定，可將式(1)轉(zhuǎn)換為

式中 A——隨發(fā)射功率而變化的常數(shù)

從式(2)可發(fā)現(xiàn)，隨通信距離的增加，接收功率呈反指數(shù)曲線關(guān)系［15－17］。實(shí)際情況將由實(shí)地測(cè)試結(jié)果給出并進(jìn)行分析。

1.4 基于LabVIEW的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計(jì)中，各項(xiàng)功能主要由上位機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用 LabVIEW 2013［18－20］和Microsoft Office 2007進(jìn)行開(kāi)發(fā)，操作系統(tǒng)為Windows7。

作為溫室數(shù)據(jù)收發(fā)終端，LabVIEW軟件平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享和模糊PID調(diào)控算法3個(gè)功能。

1.4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信

上位機(jī)將按設(shè)定好的采集頻率定期喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)，接收并保存接收到的測(cè)量結(jié)果，如數(shù)據(jù)接收無(wú)誤，則反饋相應(yīng)的ACK驗(yàn)證結(jié)果，使傳感器重新回到睡眠監(jiān)聽(tīng)模式。圖4中紅色虛線部分為傳感器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信的相應(yīng)參數(shù)設(shè)置區(qū)域。對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)及無(wú)線通信質(zhì)量(如電池電量、RSSI值等)進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控結(jié)果將與預(yù)先設(shè)置的要求實(shí)時(shí)比對(duì)，當(dāng)不滿(mǎn)足要求時(shí)，將對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)調(diào)整命令，如改變發(fā)射功率，進(jìn)入休眠模式等。該標(biāo)準(zhǔn)可在圖4中藍(lán)色虛線部分進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置。上位機(jī)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信采用RS232通用Uart模式。

圖4 基于LabVIEW的上位機(jī)系統(tǒng)前面板Fig．4 Front panel of PC terminal based on LabVIEW

1.4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享

接收的數(shù)據(jù)經(jīng)由后臺(tái)解碼后，將被實(shí)時(shí)顯示到前面板觀察界面。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)觀測(cè)區(qū)域如圖4中綠色虛線方框區(qū)域所示?？赏ㄟ^(guò)選擇結(jié)點(diǎn)序號(hào)觀測(cè)不同結(jié)點(diǎn)信息，實(shí)時(shí)環(huán)境信息將通過(guò)GSM通信緩存至GSM 900A外接芯片，或者由短信模式發(fā)送至來(lái)信手機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息同步。針對(duì)溫室大滯后漸變環(huán)境，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守遠(yuǎn)程信息監(jiān)控等功能。在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方面，SQL的數(shù)據(jù)庫(kù)建立 LabVIEW與 Access 2007連接，采集的環(huán)境數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)顯示到前面板的同時(shí)存儲(chǔ)至Access數(shù)據(jù)庫(kù)之中，以便后期數(shù)據(jù)的處理與分析。該過(guò)程由LabVIEW后臺(tái)函數(shù)DB Tools函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

1.4.3 模糊PID算法

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)的同時(shí)，LabVIEW后臺(tái)程序也將提取接收到的數(shù)據(jù)，作為模糊PID的輸入變量:測(cè)得CO2濃度與理想值之間的差值(E)與CO2變化趨勢(shì)(Ec)。

基于LabVIEW的模糊控制算法如下:首先對(duì)變量E、Ec進(jìn)行模糊化處理，將歸一化后變量的變化范圍定義在模糊集的論域上，即{NB，NS，ZO，PS，PB}，從而確立各模糊子集的隸屬度，該過(guò)程稱(chēng)之為模糊化。其次，針對(duì)模糊PID輸出量P、I、D確立其模糊規(guī)則表，該過(guò)程稱(chēng)為模糊規(guī)則的建立，以“IF…THEN…”的形式進(jìn)行表示，在該設(shè)計(jì)中，控制規(guī)則的生成主要采用經(jīng)驗(yàn)和模糊模型獲得，共設(shè)定25條模糊規(guī)則。最后，確定解模糊規(guī)則，該設(shè)計(jì)中選擇重心法進(jìn)行解模糊處理，將信息量進(jìn)行最大化利用以得到最佳的控制結(jié)果。設(shè)定完成后的模擬PID參數(shù)輸出如圖5所示。

圖5 基于LabVIEW的模糊規(guī)則結(jié)果測(cè)試Fig．5 Fuzzy test system for PID control based on LabVIEW

當(dāng)確定模糊算法計(jì)算原則后，通過(guò)模糊算法所得到的PID控制參數(shù)將根據(jù)外界環(huán)境因素實(shí)時(shí)調(diào)整。通過(guò)仿真與實(shí)地測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采樣間隔會(huì)直接影響調(diào)控性能的精度及響應(yīng)時(shí)間。

2 系統(tǒng)性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 S300型紅外CO2傳感器性能測(cè)試

考慮到溫室環(huán)境CO2濃度變化范圍較大，需對(duì)S300型紅外 CO2傳感器進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試。采用99.999%純氮?dú)馀c不確定度為2%、體積分?jǐn)?shù)為5× 10－3的CO2標(biāo)準(zhǔn)氣作為氣源，采用誤差為2%的質(zhì)量流量計(jì)(MT-300型)配氣，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。當(dāng)待測(cè)CO2體積分?jǐn)?shù)低于6×10－5時(shí)，待測(cè)信號(hào)淹沒(méi)在噪聲之中，測(cè)量結(jié)果失真，在6×10－5～3.2×10－3范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果線性度良好。隨后使用純氮?dú)鉀_洗氣室，再將傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期放置于3×10－4～6.5×10－4標(biāo)準(zhǔn)待測(cè)CO2氣體中，該氣體濃度選擇對(duì)應(yīng)實(shí)際應(yīng)用溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)濃度需求，直至讀數(shù)穩(wěn)定后開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)進(jìn)行10 h以上，結(jié)果如圖7所示，在3×10－4穩(wěn)定性測(cè)量時(shí)出現(xiàn)最大波動(dòng)，其誤差波動(dòng)范圍為2.6%。

圖6 CO2傳感器(S300型)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．6 Calibration results of CO2sensor(S300)

圖7 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．7 Experimental results of sensor stability

2.2 實(shí)地通信試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)為吉林省長(zhǎng)春市雙陽(yáng)區(qū)奢嶺鎮(zhèn)國(guó)信采摘園。通信測(cè)試地點(diǎn)為大型韭菜溫室，測(cè)試期間植株處于成熟期，該日光溫室為無(wú)柱拱形屋面式溫室，面積為220×8m2，高度約3m，夜間棚頂采用草簾覆蓋，達(dá)到夜間保溫的效果。在試驗(yàn)中，為避免天線增益的產(chǎn)生，發(fā)送端與接收端采用同種天線，其收發(fā)節(jié)點(diǎn)天線方向一致，距地高度大于1m，由上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄RSSI。

圖8 隨距離增加，無(wú)線通信性能測(cè)試結(jié)果Fig．8 Wireless communication measurement resultswith increase of communication distance in greenhouse

圖8a為接收無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度RSSI值隨傳輸距離增加的變化趨勢(shì)，可以看出，隨著收發(fā)距離的增加，RSSI值逐漸減小，當(dāng)傳輸距離在0～20m范圍以?xún)?nèi)RSSI值變化較為明顯，從 －25 dBm迅速降低至－60 dBm。隨著收發(fā)距離的進(jìn)一步增加，RSSI值呈現(xiàn)出比較緩慢的變化趨勢(shì)，當(dāng)傳輸距離達(dá)到200 m時(shí)，RSSI降低至－100 dBm以下。該試驗(yàn)結(jié)果符合RSSI值隨傳輸距離增加而變化的理論關(guān)系。

圖8b為傳輸丟包率隨傳輸距離增加而變化的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)傳輸距離超過(guò)120m，即RSSI值低于－80 dBm時(shí)，丟包率高于2%，且隨著傳輸距離的進(jìn)一步增大，丟包率明顯增加。而隨丟包率增加而引起的數(shù)據(jù)重傳則意味著傳感器節(jié)點(diǎn)能量的進(jìn)一步消耗，使用壽命隨之縮短。

圖8c為RSSI檢測(cè)誤差隨距離的變化關(guān)系，當(dāng)傳輸距離在100m之內(nèi)，RSSI檢測(cè)誤差波動(dòng)較為平穩(wěn)，最大檢測(cè)誤差在3%以?xún)?nèi)，測(cè)量精度較高，可有效確保依據(jù)RSSI判斷信號(hào)質(zhì)量的有效性。當(dāng)傳輸距離在100～200m之間，檢測(cè)誤差較大同時(shí)伴有較大的波動(dòng)性，在該傳輸距離內(nèi)，通過(guò)RSSI值判斷信號(hào)質(zhì)量的方法的可靠性有限。

2.3 實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集

實(shí)地通信測(cè)試結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)通信性能有限，在100m以?xún)?nèi)可達(dá)到良好的通信性能。因此，實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集選擇在面積為80 m×8 m的韭菜溫室內(nèi)進(jìn)行，所采集的數(shù)據(jù)除二氧化碳濃度外還包括溫室內(nèi)溫濕度及光照度。為提高數(shù)據(jù)可讀性，采樣間隔設(shè)置為每10 s采集一組數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要增加采樣間隔時(shí)間以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命，其實(shí)物圖及測(cè)量結(jié)果如圖9所示。測(cè)試日期為2月初，測(cè)試環(huán)境為日光韭菜溫室，如圖9a所示。

圖9b為截取的2 d內(nèi)溫室CO2及光照度測(cè)量結(jié)果，結(jié)果符合植物生長(zhǎng)規(guī)律，白天當(dāng)光照度較強(qiáng)時(shí)，植物進(jìn)行光合作用，CO2濃度降低。16:00左右為保持溫室內(nèi)夜間溫度，將使用卷簾機(jī)對(duì)溫室棚頂進(jìn)行遮蓋保暖，因此，所測(cè)得光照度降低為0，夜間植物以呼吸作用為主，CO2體積分?jǐn)?shù)顯著提升，峰值可超過(guò)7×10－4。

圖9 實(shí)驗(yàn)溫室實(shí)地照片及測(cè)試結(jié)果Fig．9 Photo of greenhouse and related measured results

圖9c為截取的2 d內(nèi)溫室中溫度與相對(duì)濕度測(cè)量結(jié)果。隨著白日日光照射，溫室溫度升高，濕度降低。相反，夜間溫室內(nèi)溫度較低，最低可降低至12℃，相對(duì)濕度較高，最高可達(dá)85%左右。

2.4 實(shí)地CO2濃度調(diào)控結(jié)果

在實(shí)地調(diào)控中，采用鋼瓶裝純CO2氣體，通過(guò)減壓閥、電磁閥接至通氣軟管之中，為均衡管內(nèi)壓力，使CO2均勻擴(kuò)散至棚內(nèi)，軟管每隔一段距離設(shè)置放氣孔，放氣孔間距隨遠(yuǎn)離氣源逐漸變小。經(jīng)實(shí)地測(cè)試，最終補(bǔ)償結(jié)果如圖10所示。從未受控階段至最終穩(wěn)定約需40 min，進(jìn)入穩(wěn)定階段后，溫室內(nèi)CO2氣體體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)范圍約為(8±0.42)×10－4，其中10:00—12:00間存在較為明顯波動(dòng)階段，其為人工開(kāi)窗散熱導(dǎo)致。

圖10 溫室CO2濃度調(diào)控結(jié)果Fig．10 Regulation result of CO2concentration in greenhouse

根據(jù)圖10監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用模糊PID算法成功地對(duì)溫室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行了合理調(diào)控，可通過(guò)優(yōu)化模糊算法隸屬函數(shù)及增加調(diào)控點(diǎn)以減小響應(yīng)時(shí)間等方式進(jìn)一步提升其調(diào)控性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)代化溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室CO2測(cè)控系統(tǒng)。集成紅外CO2模塊的小型化傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了溫室CO2濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?；赗SSI的433 MHz的無(wú)線通信在確保無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的同時(shí)延長(zhǎng)了傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命?；贚abVIEW的上位機(jī)終端實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享和在線分析。同時(shí)，模糊PID算法被應(yīng)用于溫室CO2濃度的智能調(diào)控。在溫室環(huán)境進(jìn)行了實(shí)地?cái)?shù)據(jù)測(cè)量，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性及可靠性。實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)CO2濃度的實(shí)時(shí)調(diào)控。

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Monitoring System for CO2Concentration in Greenhouse Based on Wireless Sensor Network

WANG Jianing1，2NIU Xintao1，2XU Ziming1，2ZHENG Chuantao1，2WANG Yiding1，2
(1．College of Electronic Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China 2．State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics，Changchun 130012，China)

A CO2concentration monitoring system targeting greenhouse application was designed，which included sensor nodes，CO2concentration regulation node，wireless communication and PC terminals．A remote real-time CO2concentration measurementwas realized by using an infrared CO2model S300 as the coremodel in sensor node．Environmental information derived by sensor nodeswas transmitted to the PC software panel based on LabVIEW through wireless sensor networks．

signal strength indication(RSSI)was sampled in transmission to ensure link quality and extend the service lives of sensor nodes by reasonably adjusting the transmission power．The designed and fabricated sensor node was calibrated and characterized by the standard CO2samples distributed under laboratory conditions．The experiment results indicated that the limitation of detection of the selected sensor was lower than 5× 10－5．The fluctuations for the long-term stability measurements on a 3×10－4CO2sample and a 6.5× 10－4CO2sample were less than 2.6%．This designed monitoring system was deployed in the Guoxin picking garden in the town of Sheling，Shuangyang District，Changchun City，Jilin Province，and the field experiment was carried out in a solar greenhouse whose area was 640 m2．The desired CO2concentration in greenhousewas set to 8×10－4，the fluctuation range under controlled CO2concentrationwas nearly(8±0.42)×10－4．The designed sensor node had advantages，including miniaturization，cost-effective and high precision，which realized intelligent management，remote synchronization of greenhouse factors and smart regulation of CO2concentration in greenhouse．

greenhouse;CO2concentration sensor;wireless sensor network;monitoring system

S625.5+1

A

1000-1298(2017)07-0280-06

2016-11-08

2016-12-27

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B03、2013BAK06B04)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61307124、11404129)、吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20120707、20140307014SF)、長(zhǎng)春市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(11GH01、14KG022)和集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目(IOSKL2012ZZ12)

王嘉寧(1987—)，男，博士生，主要從事紅外光電檢測(cè)技術(shù)研究，E-mail:18604409177@163．com

鄭傳濤(1982—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事紅外激光光譜學(xué)與傳感器研究，E-mail:zhengchuantao@jlu．edu．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．035