李瑋瑤等

摘 要： 根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植智能化的需要，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端控制器的硬件和軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合ZigBee傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)棚內(nèi)空氣土壤溫濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度等參數(shù)的無(wú)線監(jiān)測(cè)和控制。該系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)蔬菜大棚管理中布線難、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性差和系統(tǒng)可擴(kuò)展性差等問(wèn)題，滿足了蔬菜大棚中環(huán)境參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的需要，具有很強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 蔬菜大棚； 環(huán)境監(jiān)控； ZigBee； 無(wú)線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）12?0051?04

0 引 言

大棚蔬菜對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求很高，如何利用智能無(wú)線控制技術(shù)對(duì)棚內(nèi)的溫度、濕度、光照、CO2濃度等條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向智能化和信息化發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。傳統(tǒng)監(jiān)控方式一般采用離線的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境的監(jiān)測(cè)，很難做到實(shí)時(shí)和在線監(jiān)測(cè)，普遍存在缺乏靈活性、準(zhǔn)確性較低，速度慢等問(wèn)題[2?5]。因此，本文依照物聯(lián)網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)，采用 ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，使用傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)信息采集設(shè)備，利用嵌入式微處理器 LPC2103 設(shè)計(jì)顯示終端，設(shè)計(jì)了一種蔬菜大棚智能無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)將信息采集設(shè)備結(jié)合嵌入式設(shè)計(jì)，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，降低了系統(tǒng)功耗。通過(guò)可移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)，方便了管理人員隨時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。具有可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、方便操作等特點(diǎn)，大大提高了蔬菜種植的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊：信息采控模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和控制終端模塊。采用主從式無(wú)線監(jiān)控原理，在棚內(nèi)布置多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給分節(jié)點(diǎn)，由分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行記錄顯示并通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳到大棚主節(jié)點(diǎn)[6]，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析后發(fā)送給控制終端模塊。

其中，信息采控模塊由傳感器和微處理器組成，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)進(jìn)行采集信息的上傳和控制指令的下達(dá)，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)棚內(nèi)土壤和空氣的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，微處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行控制指令對(duì)卷簾電機(jī)、澆灌設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備和照明設(shè)備等調(diào)控設(shè)施控制閥門進(jìn)行相應(yīng)啟動(dòng)。數(shù)據(jù)傳輸模塊包括無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[7]。控制終端模塊包括PC控制終端和嵌入式手持監(jiān)測(cè)終端。監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于高性價(jià)比原則，無(wú)線傳輸采用Chipcon公司的CC2430的32 kB版本的ZigBee模塊，該模塊低功耗、低成本、處理速度快，內(nèi)部具有工作電壓監(jiān)測(cè)和溫度感知功能，適用于多種開發(fā)平臺(tái)[8?9]。

傳感器也是耗能單元[10]，為降低系統(tǒng)功耗，根據(jù)不同傳感器特征進(jìn)行了相應(yīng)選擇。光照強(qiáng)度傳感器，選用特性參數(shù)以真實(shí)太陽(yáng)光做為參考，可降低光源對(duì)傳感器采集產(chǎn)生影響的HA2003 高精度的傳感器模塊[11]。濕度傳感器采用體積小，可浸沒(méi)、抗干擾能力強(qiáng)、可進(jìn)行露點(diǎn)測(cè)試的DWS?S8模塊[12?14]。CO2濃度傳感器采用BMG?CO2?NDIR傳感器；溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括負(fù)責(zé)信息采集、測(cè)量環(huán)境參數(shù)和無(wú)線發(fā)送的終端節(jié)點(diǎn)；負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)信息、完成信息傳輸?shù)穆酚善鞴?jié)點(diǎn)；負(fù)責(zé)收集信息、傳送信息、控制網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示，其中傳感器模塊由包括溫度、濕度、光照、CO2傳感器構(gòu)成的一組傳感器和驅(qū)動(dòng)電路組成。只需在 CC2430 微處理器的 32（RF_P）管腳和34（RF_N）管腳接震蕩電路即可實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)線收發(fā)[15]。

路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3所示，其硬件結(jié)構(gòu)與終端節(jié)點(diǎn)相似，不同之處在于，為了實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，其加入了路由表功能程序。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖4所示。其中按鍵模塊中有4個(gè)功能鍵，用以完成新建網(wǎng)絡(luò)、允許綁定、關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)和復(fù)位功能，同時(shí)為確保功能鍵軟件和硬件的獨(dú)立性，除復(fù)位鍵連接微處理器的復(fù)位引腳外，其他3個(gè)功能鍵分別占用處理器的一個(gè)I/O端口。報(bào)警器電路由一個(gè)三極管和一個(gè)蜂鳴器組成。顯示模塊使用LCD12864 液晶顯示屏，該屏具有帶字庫(kù)、便于操作、可交互性強(qiáng)等特點(diǎn)。電源模塊為保證向CC2430處理器和LCD12864 液晶顯示屏提供穩(wěn)定電壓，設(shè)計(jì)加入了穩(wěn)壓器芯片78M05，起到過(guò)熱過(guò)流關(guān)斷保護(hù)功能。

2.2 監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

為方便工作人員隨時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在監(jiān)測(cè)終端開發(fā)時(shí)，除完成PC終端的硬件設(shè)計(jì)外，還重點(diǎn)進(jìn)行了嵌入式手持監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)。嵌入式手持監(jiān)測(cè)終端主要由32位ARM7系列的LPC2103 微處理器、負(fù)責(zé)人機(jī)交互的按鍵電路、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示和界面操作的液晶顯示屏、負(fù)責(zé)與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，獲得采集參數(shù)數(shù)據(jù)的CC2430通信單元和負(fù)責(zé)為微處理器提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)的晶振電路5個(gè)部分組成。手持終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

按鍵電路有3個(gè)功能鍵，分別是選擇、確認(rèn)和復(fù)位，通過(guò)占用LPC2103微處理器的相應(yīng)I/O端口實(shí)現(xiàn)。電源電路負(fù)責(zé)為CC2430通信單元和LPC2103主控制器提供穩(wěn)定的工作電壓，可通過(guò)USB電源或安裝4節(jié)干電池2種形式進(jìn)行供電CC2430通信單元通過(guò)內(nèi)部串口 UART 完成與LPC2103微處理器間的信息交互，采用異步串行通信協(xié)議完成傳輸過(guò)程，其內(nèi)部通信結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用 IAR 軟件開發(fā)環(huán)境對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)程序進(jìn)行開發(fā)，采用ADS1.2開發(fā)環(huán)境完成嵌入式手持監(jiān)測(cè)終端LPC2103主控制器中的程序開發(fā)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要包括終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)的工作流程主要為打開電源初始化硬件設(shè)備、搜索網(wǎng)絡(luò)、請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)和上傳信息至網(wǎng)絡(luò)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作流程主要為初始化硬件、新建網(wǎng)絡(luò)、允許設(shè)備綁定和數(shù)據(jù)上傳，路由器節(jié)點(diǎn)的工作流程主要為接收協(xié)調(diào)器指令、連接終端節(jié)點(diǎn)、上傳數(shù)據(jù)、發(fā)送采集數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

溫度傳感器與微處理器間是串行通行方式，為了確保正確讀取數(shù)據(jù)，其代碼編寫通常采用C語(yǔ)言和匯編相結(jié)合的方式進(jìn)行，主要的控制命令為溫度轉(zhuǎn)換、讀暫存器、寫暫存器和復(fù)制暫存器[16]。

傳感器節(jié)點(diǎn)的代碼設(shè)計(jì)為：?jiǎn)?dòng)溫度傳感器，寫入命令數(shù)據(jù)44H，開始溫度數(shù)據(jù)的輸出；讀暫存器9位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過(guò)寫入數(shù)據(jù) BEH 到讀暫存器來(lái)實(shí)現(xiàn)；寄存器TH、TL 寫入一個(gè)寄存器中的數(shù)據(jù)4EH；CPU獲得供電信號(hào)，設(shè)置電源的工作方式。

3.3 監(jiān)測(cè)終端程序設(shè)計(jì)

這里重點(diǎn)對(duì)嵌入式無(wú)線手持終端的按鍵程序、顯示程序和通信程序設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

按鍵程序主要實(shí)現(xiàn)主控制器 LPC2103 對(duì)復(fù)位、選擇、確認(rèn)3個(gè)功能按鍵的識(shí)別和對(duì)應(yīng)函數(shù)的設(shè)計(jì)。

通信程序主要通過(guò)串口方式實(shí)現(xiàn)芯片間的數(shù)據(jù)交互[17]，代碼設(shè)計(jì)為：設(shè)置嵌入式主控制器 LPC2103 中串口 UART1 的波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位等規(guī)則，完成串口初始化；程序進(jìn)入讀取狀態(tài)；將讀到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 ASCII 碼；調(diào)用顯示函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

顯示程序的代碼設(shè)計(jì)為：讀取 DB7 數(shù)據(jù)端的高低電平狀態(tài)，測(cè)試數(shù)據(jù)線是否處于忙狀態(tài)；設(shè)置輸入數(shù)據(jù)類型；設(shè)置液晶屏的引腳 EN選擇端口的使能狀態(tài)；關(guān)閉使能端。核心代碼如下：

4 溫度控制算法設(shè)計(jì)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植中，為增產(chǎn)高效，蔬菜大棚的面積日漸增大。對(duì)棚內(nèi)溫度的控制主要通過(guò)分布在不同位置的各個(gè)卷簾設(shè)備實(shí)現(xiàn)，所以卷簾的控制策略將直接影響到棚內(nèi)溫度的調(diào)控。為確保棚內(nèi)溫度均勻分布，設(shè)計(jì)一套溫度控制算法很有必要。設(shè)將大棚分為16個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)溫度值，溫度分布區(qū)域如圖7所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和無(wú)線調(diào)控，系統(tǒng)通過(guò)采用ZigBee 技術(shù)構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)和不同型號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)完成采集，從而達(dá)到保證系統(tǒng)的低功耗、低成本和高性能的目的。為卷簾設(shè)備控制溫度設(shè)計(jì)了相應(yīng)算法以確保棚內(nèi)各區(qū)域溫度分布的均勻性。采用嵌入式微處理器LPC2103 結(jié)合無(wú)線通信芯片 CC2430 設(shè)計(jì)出了嵌入式手持終端，與傳統(tǒng)的 PC 監(jiān)測(cè)終端相結(jié)合共同完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單，使用方便，易于維護(hù)擴(kuò)展等特點(diǎn)，很好地解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 安國(guó)民，徐世艷，趙華春.國(guó)外設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2004，12（5）：34?36.

[2] 蔡鑌，馬玉芳，邱秀榮，等.面向智能農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013（14）：337?338.

[3] 馬國(guó)美，宋仲康.基于 DSP 的智能大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2011，21（8）：36?37.

[4] 陳一飛.農(nóng)業(yè)復(fù)雜大系統(tǒng)的智能控制與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)系探討[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2012（2）：8?11.

[5] 高翔，齊新丹，李驊.我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（11）：3453?3454.

[6] 馬玉泉，盧衛(wèi)娜，藺志鵬.主從分布式溫室環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011（3）：84?86.

[7] 康鴻雁.基于 GSM 短消息的農(nóng)業(yè)大棚信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（4）：2526?2527.

[8] 李文仲，段朝玉.ZigBee 2006無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[9] 翟雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee 技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[10] 程元，鄢楚平，雷昕，等.基于低能耗的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)方法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（24）：6221?6222.

[11] 袁少博，楊誠(chéng)，花梅.無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息通信，2011（5）：40?42.

[12] 張西紅.無(wú)線傳感器網(wǎng)技術(shù)及其軍事應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[13] 張小斌，鄭可鋒，張建成，等.無(wú)線傳感網(wǎng)在浙江設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用探討[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，23（2）：400?402.

[14] 張小偉.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].西安：陜西科技大學(xué)，2014.

[15] 吳新生.基于3G和ZigBee的蔬菜大棚遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2013（5）：124?127.

[16] 王軍，孫建程，曾靜.基于ZigBee的蔬菜大棚無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34（3）：1126?1129.

[17] 侯衛(wèi)平，鐘蘇立，包君.基于ZigBee蔬菜大棚溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（4）：196?198.