吳昊 杜選 肖世東 余英健 嚴(yán)涵婷 孫添程

摘要：加強(qiáng)農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)融合，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的潮流，智慧大棚作為智慧農(nóng)業(yè)的一部分，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)起了重要作用。智慧大棚系統(tǒng)基于智云物聯(lián)平臺(tái)設(shè)計(jì)，選取嵌入式微處理器，以CC2530作為底層硬件平臺(tái)，利用采集類傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數(shù)，利用可燃?xì)怏w，煙霧傳感器和聲光報(bào)警傳感器，保障大棚的安全。采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚環(huán)境的監(jiān)測(cè)和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，為農(nóng)業(yè)工作者提供一個(gè)實(shí)用、高效和便捷的工作環(huán)境，為農(nóng)作物生長提供一個(gè)舒適、安全的大棚環(huán)境。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化;嵌入式;智慧大棚;ZigBee;CC2530

中圖分類號(hào)：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）01-0220-03

1概述

近年來，耕地?cái)?shù)量的減少，資源的浪費(fèi)等問題使得農(nóng)業(yè)問題越發(fā)突出，加快補(bǔ)齊農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)短板成為全黨和全社會(huì)的共識(shí)。智慧大棚的研發(fā)也迎來了黃金發(fā)展期。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智慧大棚也開始進(jìn)入了人們的視線。它的出現(xiàn)極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)力成本，還減少了環(huán)境所帶來的經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)損失。普通的大棚技術(shù)將被更加高效、便捷與安全的智慧大棚所取代。智慧大棚是將智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用到大棚種植上，利用最先進(jìn)的生物模擬技術(shù)，模擬出最適合棚內(nèi)植物生長的環(huán)境，各類傳感器采集大棚環(huán)境數(shù)據(jù)：空氣溫濕度，C02濃度，光照強(qiáng)度等。實(shí)現(xiàn)根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的分析與比較，通過手機(jī)APP或web方式控制大棚內(nèi)的設(shè)備，對(duì)大棚進(jìn)行智能化控制。

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是國家現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和支撐，農(nóng)業(yè)信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要技術(shù)手段，智慧大棚作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)極其重要的一部分，將成為最具前景的農(nóng)業(yè)種植與管理技術(shù)之一。

2系統(tǒng)功能需求分析

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植方式下，農(nóng)民進(jìn)行澆水、施肥、打藥時(shí)大多依靠經(jīng)驗(yàn)，沒有量化指標(biāo)，單純依靠人為判斷，往往存在誤差，產(chǎn)量和質(zhì)量也會(huì)大打折扣。而使用智慧大棚系統(tǒng)，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過手動(dòng)模式、智能模式兩種方式管理大棚內(nèi)的各類設(shè)備，為農(nóng)作物生產(chǎn)提供良好的生長環(huán)境，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，給用戶帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。

該系統(tǒng)基于智云物聯(lián)平臺(tái)設(shè)計(jì)，通過溫濕度傳感器，C02傳感器等多種傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，利用聲光報(bào)警模塊識(shí)別大棚內(nèi)的突發(fā)情況進(jìn)行報(bào)警，底層采用的是單片機(jī)cc2530，同時(shí)采用了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。頂層采用了HTML5、CSS3、Ja-va、Android等技術(shù)。實(shí)現(xiàn)通過web或android手機(jī)app對(duì)智慧大棚的監(jiān)測(cè)與管理功能。

智慧大棚可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能：實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集大棚環(huán)境數(shù)據(jù)：空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度。被采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)APP或web端。

（2）執(zhí)行控制功能：在手機(jī)App或web端點(diǎn)擊濕簾風(fēng)機(jī)、滴灌、遮陽板等設(shè)備圖標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的管理。

（31智能化控制功能：智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)大棚中的設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)控，根據(jù)大棚實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)閾值比較的結(jié)果，觸發(fā)智能化控制設(shè)備。

（4）數(shù)據(jù)記錄功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤水分等各種環(huán)境數(shù)據(jù)的長期記錄。

（5）報(bào)警功能：對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)，當(dāng)可燃?xì)怏w值達(dá)到某一界限時(shí)，聲光報(bào)警模塊報(bào)警。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧大棚的總體設(shè)計(jì)思路是利用溫濕度傳感器采集空氣中的溫濕度、利用土壤溫濕度傳感器采集土壤的溫濕度、利用光敏傳感器采集光強(qiáng)值，利用CO2傳感器監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的CO2濃度，還可利用聲光報(bào)警模塊識(shí)別大棚內(nèi)的突發(fā)情況，進(jìn)行報(bào)警。將各種無線傳感器采集的信息通過zigbee無線網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與網(wǎng)關(guān)通信，網(wǎng)關(guān)通過Internet接入互聯(lián)網(wǎng)，在web端或者在智能手機(jī)上運(yùn)行app對(duì)大棚進(jìn)行監(jiān)控和管理。智慧大棚系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1所示。

3.2傳感器硬件驅(qū)動(dòng)

3.2.1 Zigbee節(jié)點(diǎn)電路

Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件電路采用TI公司的CC2530F256芯片實(shí)現(xiàn)無線通信方案。CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、Zig-Bee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（soc）解決方案。它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。CC2530F256結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元Zig-Bee協(xié)議棧（Z-Stack^TM），提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案。CC2530系統(tǒng)硬件電路包括穩(wěn)壓電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等（見圖2）。

3.2.2光敏傳感器

智慧大棚系統(tǒng)中，要采集并記錄光照強(qiáng)度，結(jié)合農(nóng)作物生長情況，調(diào)節(jié)遮陽板和補(bǔ)光燈。因此需要用到光敏傳感元器件。

光敏傳感器是一種利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，主要采集光照值。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。

光敏傳感器屬于采集類傳感器，驅(qū)動(dòng)程序邏輯如圖3所示：

光敏傳感器屬于定時(shí)采集類傳感器，設(shè)定每隔30s主動(dòng)上報(bào)傳感器數(shù)值。

3.2.3溫濕度傳感器

在智慧大棚應(yīng)用中，需要采集空氣和土壤溫濕度，因此需要溫濕度傳感器。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。使用4針單排引腳封裝，連接方便。

4運(yùn)行結(jié)果

4.1網(wǎng)關(guān)配置

智云網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)聯(lián)通，支持zig-Bee、Wi-n、BT、RF433、IPv6等多種傳感協(xié)議的數(shù)據(jù)解析，支持網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)M2M數(shù)據(jù)交互。智云網(wǎng)關(guān)配置如下：

（1）將一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與電腦連接，并通電建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

（2）運(yùn)行電腦端智云網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序WSN Service，選擇連接的串口和無線模塊類型，在用戶賬號(hào)、用戶密鑰欄輸入正確的用戶ID和秘鑰以及服務(wù)器地址。

（3）點(diǎn)擊“開啟遠(yuǎn)程服務(wù)”按鈕，成功連接智云服務(wù)后則支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)街窃茢?shù)據(jù)中心;點(diǎn)擊“開啟本地服務(wù)”按鈕，成功連接后智云服務(wù)將向本地進(jìn)行數(shù)據(jù)推送。配置界面如圖4所示。

圖5所示的是溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、CO2濃度傳感器節(jié)點(diǎn)、聲光報(bào)警傳感器節(jié)點(diǎn)等傳感器節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

4.2Android客戶端設(shè)計(jì)

智慧大棚android手機(jī)客戶端采用Hbuilder+MUI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

（1）人工控制模塊的手動(dòng)模式，用戶可以根據(jù)大棚環(huán)境自行開啟或關(guān)閉大棚設(shè)備。

（2）圖6顯示的是智能模式下的操作界面，系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前的溫濕度等數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，自動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）圖7是環(huán)境監(jiān)測(cè)界面，顯示了當(dāng)前大棚的溫濕度，土壤的溫度和土壤的水分，CO2濃度，光照度和風(fēng)速。

5總結(jié)

基于嵌入式平臺(tái)和ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)智慧大棚，其中，傳感器傳送信號(hào)、cc2530單片機(jī)作為主要的控制元器件，并且應(yīng)用了按鍵。應(yīng)用cc2530單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)減少了硬件的復(fù)雜性，傳感器接收外界信號(hào)，經(jīng)過A、D轉(zhuǎn)換后，傳送給單片機(jī)一個(gè)電信號(hào)，單片機(jī)經(jīng)過處理后，控制設(shè)備做出相應(yīng)的動(dòng)作。用戶通過web或Android智能手機(jī)app對(duì)智慧大棚進(jìn)行自動(dòng)或智能兩種方式控制，加上聲光報(bào)警功能，使得操作高效便捷，帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。