饒章宇

摘? 要： 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展改變了各個(gè)行業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，文章使用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)一種能夠監(jiān)測(cè)溫室大棚環(huán)境并自動(dòng)控制的智能大棚系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，作物的生長(zhǎng)環(huán)境主要由水泵、換氣扇和遮陽(yáng)板三種設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓大棚內(nèi)的環(huán)境始終保持在適合作物生長(zhǎng)的最佳狀態(tài)，調(diào)節(jié)的依據(jù)是利用傳感器收集到的大棚內(nèi)各個(gè)環(huán)境參數(shù)的閾值。文章給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、通信協(xié)議設(shè)計(jì)，以及移動(dòng)端功能設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); ZigBee; 溫室大棚; 智能; 傳感器; 通信協(xié)議

中圖分類號(hào)：TP23; S126? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2019）08-21-03

Abstract： The development of Internet of Things technology has changed the traditional production methods of various industries. This paper uses ZigBee technology to design a intelligent greenhouse system that can monitor the greenhouse environment and automatically control it. The system can automatically adjust the growth environment of crops in the greenhouse. The growth environment of the crops is mainly regulated by three devices： water pump， ventilating fan and sun visor， so that the environment inside the greenhouse is always in the best state suitable for crop growth. The adjustment is based on the thresholds of various environmental parameters in the greenhouse collected by the sensors. This paper gives the overall design of the system， the design of the communication protocol， and the functional design of the mobile terminal.

Key words： Internet of things; ZigBee; greenhouse; intelligence; sensor; communication protocol

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是國(guó)家的重要經(jīng)濟(jì)命脈。溫室大棚可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境，根據(jù)作物的最佳生長(zhǎng)條件，調(diào)節(jié)溫室氣候，使之一年四季滿足植物生長(zhǎng)需要。與普通的溫室大棚相比，數(shù)字化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)溫室大棚不僅能夠種植優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)反季作物，而且將電子、計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制等信息技術(shù)引入到該領(lǐng)域，朝著精細(xì)農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展[1]。

采用無(wú)線方式對(duì)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因子進(jìn)行多點(diǎn)多參數(shù)的采集，可以避免在土壤中鋪設(shè)大量的線纜，影響作物的耕作。根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，需對(duì)溫室大棚的環(huán)境進(jìn)行良好的控制，有效地控制大棚內(nèi)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中需要的水分、通風(fēng)以及溫度等，高度有效地利用各種資源以求得到最大的產(chǎn)出。本文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)[2]的智能大棚系統(tǒng)可很好地滿足大棚的控制要求。

1 總體設(shè)計(jì)

智能大棚系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)，ZigBee網(wǎng)關(guān)以及包括移動(dòng)終端、云存儲(chǔ)在內(nèi)的上位機(jī)構(gòu)成。如圖1所示。

圖1中的各種傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)使用基于CC2530[3]的ZigBee節(jié)點(diǎn)來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸。ZigBee網(wǎng)關(guān)主要由一個(gè)CC2530模塊和一個(gè)RT5350模塊構(gòu)成，前者充當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，后者在嵌入式Linux系統(tǒng)OpenWrt[4-5]的支持下，實(shí)現(xiàn)Wifi路由器的功能，二者之間通過(guò)串口通信。圖中的移動(dòng)設(shè)備可以直接通過(guò)局域網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)關(guān)通信，也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接云服務(wù)器，再與ZigBee網(wǎng)關(guān)通信。

每個(gè)大棚有一套環(huán)境參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的設(shè)備，以及攝像頭。智能大棚系統(tǒng)具有如下功能。

⑴ ZigBee網(wǎng)關(guān)周期性地將各個(gè)大棚的環(huán)境參數(shù)及執(zhí)行類設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)保存到云端。保存的數(shù)據(jù)包括環(huán)境參數(shù)和控制設(shè)備的狀態(tài)，保存數(shù)據(jù)的周期可以更改。

⑵ 針對(duì)不同的季節(jié)和不同的作物，根據(jù)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)閾值，自動(dòng)啟停相應(yīng)的設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。

⑶ 移動(dòng)端查詢最新的環(huán)境參數(shù)及執(zhí)行類設(shè)備狀態(tài)。查詢的結(jié)果與⑴中的數(shù)據(jù)一樣。

⑷ 移動(dòng)端設(shè)置適合大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)閾值，比如最低溫度和最高溫度，最低濕度和最高濕度等。

⑸ 通過(guò)攝像頭監(jiān)視作物的生長(zhǎng)情況，可以在移動(dòng)端查看。使用至少兩個(gè)攝像頭，一個(gè)監(jiān)視大范圍作物，一個(gè)監(jiān)視局部作物。

⑹ 通過(guò)移動(dòng)端控制大棚內(nèi)的執(zhí)行設(shè)備，以調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。盡管智能大棚可以自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，但是某些情況下可能需要手動(dòng)調(diào)節(jié)。比如某些傳感器出現(xiàn)了故障造成數(shù)據(jù)失真;天氣突然變化等。因此，除了自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)外，有時(shí)候還需要人工干預(yù)。

2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

智能大棚系統(tǒng)中的通信發(fā)生在ZigBee網(wǎng)關(guān)和移動(dòng)端、ZigBee網(wǎng)關(guān)和云端，以及ZigBee網(wǎng)關(guān)（或ZigBee協(xié)調(diào)器）與各個(gè)ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)或設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)之間。需要規(guī)定這些通信的協(xié)議或消息格式，才能保證整個(gè)系統(tǒng)有條不紊的正常工作[6]。

2.1 移動(dòng)端與ZigBee網(wǎng)關(guān)之間的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

移動(dòng)端通過(guò)向ZigBee網(wǎng)關(guān)發(fā)送相應(yīng)的請(qǐng)求消息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的環(huán)境參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)的查詢，實(shí)現(xiàn)設(shè)定大棚的環(huán)境參數(shù)閾值、或啟停執(zhí)行設(shè)備等功能。ZigBee網(wǎng)關(guān)收到請(qǐng)求消息后，會(huì)返回對(duì)應(yīng)的響應(yīng)消息。表1和表2是移動(dòng)端和ZigBee網(wǎng)關(guān)之間通信的消息格式。

大棚編號(hào)為“01”-“99”，“00”表示所有大棚，表1發(fā)送的消息表示對(duì)當(dāng)前大棚編號(hào)進(jìn)行操作。對(duì)于功能碼“0”，“5”，“6”，“7”，由于無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送，所以其請(qǐng)求消息的數(shù)據(jù)字段是0字節(jié)，即無(wú)。對(duì)于功能碼“1”，“2”，“3”，“4”，其數(shù)據(jù)字段表示設(shè)定的時(shí)間，由兩個(gè)字符表示。對(duì)于功能碼“8”，其數(shù)據(jù)字段為各環(huán)境參數(shù)的閾值，其中空氣溫濕度4字節(jié)，土壤濕度2字節(jié)，CO2濃度3字節(jié)，光照強(qiáng)度4字節(jié)，包括最低值和最高值，總共26字節(jié)。除了功能碼“0”的返回消息是返回大棚數(shù)據(jù)外，其他功能碼的返回消息都是返回發(fā)送消息執(zhí)行是否執(zhí)行成功。

2.2 ZigBee 網(wǎng)關(guān)周期性保存數(shù)據(jù)及響應(yīng)移動(dòng)端查詢的消息格式

ZigBee網(wǎng)關(guān)周期性地將各個(gè)大棚的環(huán)境參數(shù)及執(zhí)行類設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)保存到云端，這些數(shù)據(jù)有空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、空氣中二氧化碳濃度、大棚內(nèi)光照度，以及三種執(zhí)行類設(shè)備的狀態(tài)（開/關(guān)/未知）。另外，當(dāng)移動(dòng)端查詢大棚數(shù)據(jù)時(shí)（對(duì)應(yīng)于表3中的功能碼“0”，“1”），ZigBee網(wǎng)關(guān)也會(huì)返回同樣的數(shù)據(jù)。消息格式定義如表4。

2.3 各傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)向ZigBee網(wǎng)關(guān)提交數(shù)據(jù)的消息格式

每個(gè)大棚或監(jiān)控區(qū)，都有一套相同的環(huán)境參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)。四個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包括空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2傳感器、光照度傳感器。一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)控制水泵、換氣扇和遮陽(yáng)板。傳感器節(jié)點(diǎn)將相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳給ZigBee網(wǎng)關(guān)，控制節(jié)點(diǎn)將相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)傳給ZigBee網(wǎng)關(guān)。表5是4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)控制節(jié)點(diǎn)向ZigBee網(wǎng)關(guān)提交數(shù)據(jù)的格式。

上述消息格式中的大棚編號(hào)的含義同前。終端編號(hào)用于識(shí)別節(jié)點(diǎn)的作用，如“D4”用于收集光照強(qiáng)度。消息中的狀態(tài)或傳感器值同前，都用字符表示，如“D4012310q”表示1號(hào)大棚光照強(qiáng)度為2310lux，其中“q”為“D4012310”每個(gè)字符作異或操作得出來(lái)的校驗(yàn)碼。

3 移動(dòng)端設(shè)計(jì)

在智能大棚系統(tǒng)中，移動(dòng)端屬于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的上位機(jī)的一個(gè)重要組成部分，是人們與智能大棚系統(tǒng)進(jìn)行交互的媒介，它可以使人們對(duì)大棚的監(jiān)測(cè)與控制不受地點(diǎn)的約束。移動(dòng)端采用了Android技術(shù)[5]開發(fā)。

移動(dòng)設(shè)備的主要功能包括：查詢大棚環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)置大棚各個(gè)環(huán)境參數(shù)的閾值（適合作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)最小值和最大值），在某些情況下啟動(dòng)或關(guān)閉大棚的水泵、換氣扇和遮陽(yáng)板，以及設(shè)置ZigBee網(wǎng)關(guān)向云端保存數(shù)據(jù)的周期，還可以查看大棚內(nèi)監(jiān)控?cái)z像頭的畫面，如圖2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)家已經(jīng)將智能農(nóng)業(yè)作為戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)給予大力推進(jìn)，智能大棚系統(tǒng)是我們對(duì)智能農(nóng)業(yè)的一個(gè)探索。該系統(tǒng)的特色包括：1）將大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)保存到云端，一方面使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加安全可靠，另一方面也可供后續(xù)功能擴(kuò)展和數(shù)據(jù)分析使用;2）使用Android端對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，不受地點(diǎn)的約束;3）通信協(xié)議設(shè)計(jì)完整、簡(jiǎn)潔、高效。目前市面上的智能窗簾系統(tǒng)還未普及，現(xiàn)有的自動(dòng)窗簾系統(tǒng)也存在各種弊端。該系統(tǒng)相較于市面上的大多數(shù)自動(dòng)窗簾系統(tǒng)而言，更加便捷和高效，也更加智能。就生活中智能窗簾的普及程度和該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)窗簾系統(tǒng)具有應(yīng)用前景。

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