金偉，陶偉，谷龍龍，孟浩

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽合肥230036）

我國國土幅員遼闊，位居世界第三，但是人均耕地面積少。而且我國可耕種地面在逐年減少。如何充分利用現(xiàn)有的土地資源，是一個(gè)值得研究的課題。我國大部分地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，四季溫度差別大。同時(shí)我國南北氣候相差很大，北方大部分的時(shí)間都是低溫，不能正常的進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，浪費(fèi)大量的人力、物力。文獻(xiàn)[1]是使用GSM網(wǎng)絡(luò)對溫室大棚環(huán)境因素進(jìn)行檢測，文獻(xiàn)[2]是基于RS485總線的形式對溫室大棚相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測與調(diào)控，文獻(xiàn)[3]是采用CAN總線傳輸方式設(shè)計(jì)了溫室大棚檢測系統(tǒng)。通過對以上學(xué)者和工程技術(shù)人員研究成果的分析，可以嘗試采用無線自組網(wǎng)形式進(jìn)行溫室大棚相關(guān)研究。

作物的生長需要合適的生長環(huán)境，這種環(huán)境可以是自然（如田間）的生長環(huán)境，也可以是人工可控制的環(huán)境（如溫室內(nèi)）。感知環(huán)境的變化是作物生長環(huán)境的首要工作，它包括溫度、濕度、光照、營養(yǎng)成分、土壤酸堿度等等。本系統(tǒng)主要針對將作物生長環(huán)境信息采集后，通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，控制中心的管理人員可根據(jù)需要控制相應(yīng)的電氣裝置，從而達(dá)到環(huán)境的感知和控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

系統(tǒng)利用了單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)等，設(shè)計(jì)了一款基于Zigbee的農(nóng)業(yè)溫室大棚測控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有價(jià)格低廉，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

溫室中影響農(nóng)作物生長的環(huán)境因子主要有溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照等。在作物的整個(gè)生長發(fā)育周期中，這些環(huán)境因子不可能完全滿足作物的需要。因此，就需要采取必要的調(diào)節(jié)措施把這些環(huán)境因子維持在適合于作物生長發(fā)育的水平，收獲優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的農(nóng)作物。因此，系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)溫度、濕度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因子的監(jiān)測和控制。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本著低成本、高性價(jià)比的技術(shù)創(chuàng)新為指導(dǎo)思路，挑選了價(jià)格低廉和功能強(qiáng)大的51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器，以功能強(qiáng)大、穩(wěn)定且價(jià)格適中的DHT22溫濕度傳感器、光照傳感器作為主要采集設(shè)備，穩(wěn)定的Zigbee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)通訊，以及單片機(jī)控制的可控硅、繼電器作為最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)原理

系統(tǒng)通過分布在溫室內(nèi)四處的各種傳感器設(shè)備采集諸如溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度、EC值、pH值等信息，利用新一代的Zigbee無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，再通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心，實(shí)現(xiàn)對大棚環(huán)境信息的無線監(jiān)控。各傳感器采集的數(shù)據(jù)既可以通過5110 液晶屏就地實(shí)時(shí)顯示，也可以通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)匯總分析后在控制中心進(jìn)行相應(yīng)的顯示，還可以根據(jù)相關(guān)的條件，設(shè)置是否打開或關(guān)閉溫室的相關(guān)電氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境監(jiān)控的自動(dòng)化操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)整體拓?fù)鋱D

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)各監(jiān)測點(diǎn)采用STC89C52 單片機(jī)為中央處理器[4]，通過串口與Zigbee模塊進(jìn)行通信，同時(shí)通過相關(guān)傳感器的通訊，監(jiān)測環(huán)境信息。本部分電路可分為溫濕度數(shù)據(jù)采集部分、光照傳感器數(shù)據(jù)采集部分、Zigbee 通訊部分和調(diào)光調(diào)速部分。

2.1 溫濕度采集

系統(tǒng)選用DHT22 數(shù)字溫濕度傳感器，其內(nèi)部含有已經(jīng)校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它通過單總線外接一個(gè)約4.7～10 K的上拉電阻再與MCU 相連，電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)。DHT22 包含一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC 測溫元件，可以同時(shí)輸出環(huán)境中溫度和濕度信息,數(shù)據(jù)輸出格式為40 bit，其中高位在前，低位在后，輸出格式為

40 bit數(shù)據(jù)=16 bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和[5-6]

2.2 光照傳感器采集

系統(tǒng)選用的光照傳感器為模擬電壓式光照傳感器，測量范圍為1～200 klx，測量精度為±5%，信號輸出范圍為0～5 V，供電電壓為12 V。由于本系統(tǒng)提供5 V 供電，光照傳感器需要12 V 供電，所以本系統(tǒng)采用MC34063 進(jìn)行升壓，給光照傳感器提供穩(wěn)定的電壓。升壓電路如圖3所示。

圖3 升壓電路

2.3 Zigbee通信

系統(tǒng)選用的Zigbee模塊，是基于TI 公司CC2530F256 芯片[7]，內(nèi)部運(yùn)行Zigbee2007/PRO協(xié)議棧，具有Zigbee的全部特點(diǎn)，Zigbee模塊接口如圖4所示。系統(tǒng)Zigbee模塊功能如下：

1）可以形象地理解為“無線的RS232 連接”，所以使用這個(gè)模塊就像使用RS232電纜一樣；

圖4 Zigbee接口

2）不用考慮ZIGBEE協(xié)議，串口數(shù)據(jù)透明傳輸；

3）所有模塊上電即自動(dòng)組網(wǎng)，Coordinator自動(dòng)給所有的節(jié)點(diǎn)分配地址，不需要手動(dòng)分配地址，網(wǎng)絡(luò)加入、應(yīng)答等專業(yè)Zigbee組網(wǎng)流程。

2.4 調(diào)光調(diào)速

系統(tǒng)通過調(diào)光來模擬溫室中進(jìn)行人工補(bǔ)光的工作，通過風(fēng)扇調(diào)速來模擬控制溫室中的通風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器是一種新型的光電耦合器件，它可用直流低電壓、小電流控制交流高電壓、大電流。用該器件觸發(fā)晶閘管，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點(diǎn)。調(diào)光調(diào)速電路原理圖如圖5所示。

圖5 調(diào)光調(diào)速

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要組成部分。本系統(tǒng)分為下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分。下位機(jī)是各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行溫室大棚環(huán)境信息采集并且與上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)主要跟各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行通信同時(shí)進(jìn)行服務(wù)器相關(guān)處理。

下位機(jī)軟件流程如圖6所示，首先要進(jìn)行MCU初始化和Zigbee組網(wǎng)，然后進(jìn)行相關(guān)環(huán)境參數(shù)采集并存儲到MCU 自帶的EEPROM中，在上位機(jī)進(jìn)行輪詢時(shí)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)并清除。在數(shù)據(jù)上傳時(shí)，采用握手機(jī)制識別上、下位機(jī)是否準(zhǔn)備好或成功接收數(shù)據(jù)，下位機(jī)在發(fā)送完數(shù)據(jù)后一定時(shí)間內(nèi)接收到上位機(jī)回送的ACK 則認(rèn)為發(fā)送成功，否則將繼續(xù)發(fā)送，直到3次失敗以后停止發(fā)送，同時(shí)下位機(jī)實(shí)時(shí)接收控制指令。

圖6 下位機(jī)軟件流程圖

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，主控部分首先要進(jìn)行MCU的初始化和Zigbee 組網(wǎng)，上位機(jī)然后向下位機(jī)發(fā)送輪詢指令或控制指令，上位機(jī)獲得相關(guān)的溫室大棚的數(shù)據(jù)以后進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、分析與顯示。其軟件流程如圖7所示。

圖7 上位機(jī)軟件流程圖

4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)如果有多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)同時(shí)向主控發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就有可能造成數(shù)據(jù)沖突，為保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性，需要在軟件設(shè)計(jì)過程中引入合適的通信協(xié)議。上、下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程采用握手確認(rèn)、CRC校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊⒎€(wěn)定和正確[8-9]。

幀頭、幀尾：0xAA表示幀頭，0xAF表示幀尾。用于識別數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始和結(jié)束，防止信息的混淆、錯(cuò)亂。

數(shù)據(jù)長度：幀頭、數(shù)據(jù)長度和CRC校驗(yàn)值的總字節(jié)數(shù)。

節(jié)點(diǎn)編號：用來識別該數(shù)據(jù)由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送,上位機(jī)發(fā)送時(shí)該值設(shè)為0。

命令值：由4個(gè)字節(jié)組成。下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)時(shí)該值設(shè)為0，上位機(jī)發(fā)送時(shí)，第1個(gè)字節(jié)用于區(qū)別系統(tǒng)的監(jiān)測與控制指令（參數(shù)設(shè)置也認(rèn)為是控制的一部分）。當(dāng)?shù)?個(gè)字節(jié)為0xBA時(shí)，表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集指令，第2個(gè)字節(jié)表示需要采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，剩余2個(gè)字節(jié)設(shè)置為全1；當(dāng)?shù)?個(gè)字節(jié)為0xCA時(shí)，表示系統(tǒng)控制指令，第2個(gè)字節(jié)表示設(shè)備的編號，第3個(gè)字節(jié)表示控制的動(dòng)作（例如0x01表示打開設(shè)備，0x02表示關(guān)閉設(shè)備），第4個(gè)字節(jié)表示系統(tǒng)傳遞的控制參數(shù)（例如進(jìn)行補(bǔ)光時(shí)光照度的值），如果控制的設(shè)備不需要控制數(shù)值，那設(shè)置為全1；當(dāng)?shù)?個(gè)字節(jié)為0xDA時(shí)，表示系統(tǒng)設(shè)置指令，第2個(gè)字節(jié)表示設(shè)置類型的編號（例如0x03表示采集頻率遠(yuǎn)程設(shè)置），剩下2個(gè)字節(jié)表示設(shè)置的具體參數(shù)（如果是采集頻率遠(yuǎn)程設(shè)置，這2個(gè)字節(jié)表示多少秒采集一次信息）。

光照值、溫度值、濕度值：系統(tǒng)所需采集的一些信息。

CRC校驗(yàn)：驗(yàn)證數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，對數(shù)據(jù)幀中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的正確性。系統(tǒng)通信協(xié)議格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)通信議格式

5 實(shí)地測試與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)對安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)翠園的玻璃溫室的溫度、濕度、光照度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)場地要求設(shè)置了6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)農(nóng)作物的生長規(guī)律，系統(tǒng)每隔30 min 采集一次數(shù)據(jù)[10]。表2為某一時(shí)刻系統(tǒng)采集的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖8為系統(tǒng)實(shí)物圖。

表2 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖

6 結(jié)束語

利用Zigbee模塊將傳感器整合到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過在溫室大棚內(nèi)布置溫度、濕度、光照等傳感器，對棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)就地顯示，同時(shí)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，管理人員通過上位機(jī)軟件對棚內(nèi)的電氣設(shè)施進(jìn)行控制，通過這種更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)監(jiān)控的方式對農(nóng)作物進(jìn)行管理，更能貼切地感知到農(nóng)作物的生長環(huán)境，更精準(zhǔn)地控制水、肥等生產(chǎn)物資的投入，從而提高資源利用率和生產(chǎn)水平。后期將結(jié)合太陽能供電的方式進(jìn)行改進(jìn)，以便系統(tǒng)可以更方便地進(jìn)行布置，可以進(jìn)行更大范圍地監(jiān)測研究。

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