李萌，鄧琛，王昌志

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海，201620）

李萌（碩士），研究方向?yàn)榍度胧街悄芟到y(tǒng)、智能交通；鄧琛（教授），主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息檢測(cè)與處理、嵌入式智能系統(tǒng)；王昌志（碩士），主要研究方向?yàn)榍度胧缴漕l識(shí)別技術(shù)應(yīng)用。

引 言

智能農(nóng)業(yè)是目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向，它根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)習(xí)性及時(shí)調(diào)整土壤狀況和環(huán)境參數(shù)，較為典型的應(yīng)用是大棚蔬菜水果的管理，以最少的投入獲得最高的收益，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中必須依靠環(huán)境種植的弊端及粗放的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理模式［1－2］。

智能農(nóng)業(yè)的核心問(wèn)題涉及4 個(gè)部分：農(nóng)業(yè)信息的獲取、獲取信息的處理、農(nóng)業(yè)信息的分析及決策的制定、由決策而決定的具體實(shí)施方針［3］。隨著通信、計(jì)算機(jī)、傳感器等技術(shù)的迅速發(fā)展，“物聯(lián)網(wǎng)＋”的概念已經(jīng)滲透到很多行業(yè)和領(lǐng)域，“物聯(lián)網(wǎng)＋農(nóng)業(yè)”即構(gòu)成了智能農(nóng)業(yè)，它將采集的溫度、光照、濕度、植物生長(zhǎng)狀況等信息進(jìn)行加工、傳輸和利用，為農(nóng)業(yè)在各個(gè)時(shí)期的精準(zhǔn)管理和預(yù)警提供信息支持，以最少的資源消耗獲得最大的產(chǎn)出。

本文結(jié)合智能農(nóng)業(yè)涉及的4 個(gè)核心問(wèn)題，基于Lab－View 和ZigBee以及多種傳感器搭建一個(gè)模擬仿真硬件平臺(tái)。數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備以Arduino控制器為核心，上位機(jī)采用LabView2011，無(wú)線傳輸設(shè)備采用XBEE 模塊，多種傳感器作為采集模塊，小型直流電機(jī)作為執(zhí)行設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集以及上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的數(shù)據(jù)分析、記錄和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 無(wú)線監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

在一些大型農(nóng)田以及室內(nèi)大棚，由于作物生長(zhǎng)環(huán)境的需要，大棚內(nèi)需要定期進(jìn)行開(kāi)窗處理（傳統(tǒng)的大棚主要采用薄膜加蓋處理，常常施行人工加蓋和揭蓋處理，改進(jìn)后的大棚可利用電機(jī)控制開(kāi)窗動(dòng)作，類似自動(dòng)窗簾的處理），從而獲得適時(shí)的光照、溫度等。夜間其各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)均需要維持在一定的范圍內(nèi)，對(duì)控制要求的精度較高，基礎(chǔ)設(shè)施配置較高的農(nóng)田或大棚常常附有灌溉功能。為實(shí)現(xiàn)上述要求，無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在硬件上采用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee模塊可靠傳輸，軟件上采用LabView 和Access。

系統(tǒng)主要包含4個(gè)模塊：采集模塊、傳輸模塊、處理監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)記錄模塊。采集模塊主要包含DHT11濕度傳感器、LM35 溫度傳感器、BH1750FVI光照傳感器，傳感器主要完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，傳感器模塊和核心控制芯片Arduino相連，完成信息的轉(zhuǎn)換和處理，為信息傳輸做好準(zhǔn)備工作。

傳輸模塊利用XBEE模塊和嵌入式組件連接，這里主要和Arduino控制器連接，根據(jù)農(nóng)田測(cè)量點(diǎn)的分布情況，可完成近距離或者遠(yuǎn)距離的信息傳輸；處理監(jiān)控模塊主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳輸進(jìn)入PC 機(jī)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理，通過(guò)，設(shè)定閾值的判斷完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的處理，及時(shí)地完成環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)和預(yù)警處理等措施。

數(shù)據(jù)庫(kù)記錄模塊主要將上位機(jī)分析處理的有效信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，針對(duì)異常信息的存儲(chǔ)，根據(jù)時(shí)間周期的變化，用戶可根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄信息對(duì)后期作物培養(yǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行適時(shí)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)最優(yōu)配置。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 智能農(nóng)業(yè)無(wú)線監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由LM35溫度傳感器、DHT11濕度傳感器、BH1750FVI光照傳感器、小型直流電機(jī)、Arduino系列單片機(jī)、XBEE無(wú)線模塊以及計(jì)算機(jī)組成。所有傳感器可直接將測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，利用單片機(jī)對(duì)其信號(hào)進(jìn)行采集和處理，通過(guò)無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理，并完成分析、預(yù)警、響應(yīng)和記錄等步驟。

2.1 溫度傳感器

溫度采集使用模擬溫度傳感器LM35。National Semiconductor生產(chǎn)的溫度傳感器LM35具有很高的工作精度，在室溫25 ℃時(shí)，無(wú)需外部校準(zhǔn)或微調(diào)其測(cè)量精度為±0.5 ℃［4］。它還有較高的線性工作范圍，溫度的測(cè)量范圍在0～100 ℃，而且LM35 的輸出電壓Vout＿Lm35與攝氏溫度T 之間成線性比例，線性變化系數(shù)為＋10mV／℃，其轉(zhuǎn)換公式為Vout＿LM35（T）＝10mV／℃×T ℃，當(dāng)0℃時(shí)其輸出電壓為0 V，每升高1 ℃，其輸出電壓會(huì)隨之增加10mV，其工作電壓為直流4～30V，功耗小于60μA。

2.2 溫濕度傳感器

濕度的采集使用含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的DHT11數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器。該傳感器是由一個(gè)電阻式感濕元件、一個(gè)NTC測(cè)溫元件與一個(gè)高性能的8位單片機(jī)相連接而成，這就確保了該傳感器具有極高的品質(zhì)和可靠性、超快的響應(yīng)、極強(qiáng)的抗干擾、較高的性價(jià)比以及卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器測(cè)量濕度的量程為20～90%RH，精度為±5%RH，測(cè)量溫度量程為0～50 ℃，精度為±2 ℃，工作電壓為3.5～5.5V，工作電流平均為0.5mA，分辨率為8 位，采樣周期為1s［5］。在本系統(tǒng)中主要利用了該傳感器測(cè)量濕度的測(cè)量信息，已經(jīng)使用了精度更高、更靈敏的溫度傳感器LM35，故不考慮其對(duì)溫度的測(cè)量。

2.3 光照強(qiáng)度傳感器

光照強(qiáng)度的采集使用不區(qū)分光源的16位數(shù)字輸出型環(huán)境光照強(qiáng)度集成電路——BH1750FVI，它是日本RHOM 株式社會(huì)推出的一款兩線式的串行總線接口的集成電路采集元件，可以根據(jù)實(shí)時(shí)收集到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境。該傳感器的分辨率很高，光照強(qiáng)度的感應(yīng)范圍為0～65 535lx，可以支持大范圍的光照強(qiáng)度變化的監(jiān)測(cè)，其工作電壓為3～5V，同時(shí)該傳感器內(nèi)置有16位的A／D 轉(zhuǎn)換器［6］。

2.4 Arduino單片機(jī)板

數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備采用Arduino Mega2560作為控制核心，其采用USB為接口的核心電路板，相比于Arduino Uno，它最大的特點(diǎn)就是具有54路數(shù)字輸入／輸出，十分適合需要大量接口的設(shè)計(jì)。Arduino Mega2560的核心處理器是ATmega2560，具有54 路數(shù)字I／O 口，其中的16路可作為PMW 輸出或16路模擬輸入，每一路都具有10位（即1024 位）的分辨率，默認(rèn)的輸入信號(hào)范圍為0～5V；具有4路UART 接口、一個(gè)USB接口、一個(gè)16 MHz的晶體振蕩器、一個(gè)ICSP header、一個(gè)復(fù)位按鈕和一個(gè)電源插 座［7］。其 工 作 電 壓 為5 V，I／O 引 腳 直 流 電 流 為40mA，F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器為256 KB，SRAM 為8 KB，EEPROM 為4KB，工作時(shí)鐘為16 MHz。Arduino Mega2560的正反面外觀如圖2所示。

圖2 Arduino Mega2560的正反面外觀

2.5 XBEE模塊

XBEE模塊是美國(guó)Digi公司的ZigBee模塊產(chǎn)品，是一種遠(yuǎn)距離低功耗的無(wú)線模塊，頻段包含2.4GHz、900 MHz、868 MHz三種，同 時(shí) 可 兼 容802.15.4 協(xié) 議［8］，其 可 搭 配Mesh網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)模塊都可以作為路由節(jié)點(diǎn)、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)。XBEE OEM RF模塊接口，通過(guò)邏輯電平連接到主機(jī)設(shè)備的異步串行端口。通過(guò)其串行接口，該模塊可以與任意邏輯和電壓兼容的UART 相連，或通過(guò)電平轉(zhuǎn)換到其他串行設(shè)備，其引腳接線示意圖如圖3所示。

圖3 XBEE與微控制器引腳接口示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)涉及傳感器設(shè)備較多，且系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)更新的實(shí)時(shí)性要求較高，故上位機(jī)采用并行結(jié)構(gòu)完成多路信號(hào)的采集和控制。多路傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)采集和處理后，在單片機(jī)中須通過(guò)串口將有效數(shù)據(jù)打印出來(lái)，所有字符串最終通過(guò)XBEE 模塊傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理。具體工作流程如圖4所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史曲線、手動(dòng)控制等功能［9］，主要完成對(duì)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)各個(gè)參數(shù)的上下限報(bào)警值完成參數(shù)設(shè)置。一旦系統(tǒng)中某個(gè)參數(shù)超出設(shè)定閾值，軟件界面立即產(chǎn)生指示燈報(bào)警，另一方面系統(tǒng)可根據(jù)報(bào)警的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整。例如，當(dāng)系統(tǒng)界面監(jiān)測(cè)到光照參數(shù)小于設(shè)定的下限值時(shí)，表示作物接收的光照強(qiáng)度過(guò)弱，上位機(jī)將立即給下位機(jī)一個(gè)開(kāi)啟照明設(shè)備的信號(hào)，此時(shí)照明設(shè)備開(kāi)啟。當(dāng)系統(tǒng)一切恢復(fù)正常后，報(bào)警燈將消失，同時(shí)相應(yīng)的設(shè)備也恢復(fù)到默認(rèn)的狀態(tài)。

圖4 上、下位機(jī)配合工作流程圖

LabView 程序設(shè)計(jì)分為前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)兩部分，其中程序結(jié)構(gòu)框圖是核心部分，整個(gè)系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖采用3個(gè)線程，分別完成溫度、濕度、光照的參數(shù)配置、數(shù)據(jù)報(bào)警預(yù)設(shè)以及數(shù)據(jù)的存?。?0］。前面板是程序運(yùn)行的顯示界面，即人機(jī)接口界面，操作者可直接在該界面上清晰地了解實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化，并可直接進(jìn)行參數(shù)配置和調(diào)整以及手動(dòng)控制等功能。上位機(jī)的程序結(jié)構(gòu)框圖及界面設(shè)計(jì)如圖5、圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

為測(cè)試監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)時(shí)性，配置好系統(tǒng)參數(shù)后，分別將光照上限參數(shù)設(shè)置為15lx，濕度上限參數(shù)設(shè)置為50%，溫度上限參數(shù)設(shè)置為20 ℃。待系統(tǒng)工作一段時(shí)間，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行加熱處理，對(duì)濕度傳感器進(jìn)行水蒸氣加濕處理，對(duì)光照傳感器進(jìn)行遮光處理，很快軟件監(jiān)控界面出現(xiàn)報(bào)警顯示，如圖7所示。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，該系統(tǒng)均能表現(xiàn)出較好的實(shí)時(shí)性。

圖5 部分程序結(jié)構(gòu)框圖

圖6 程序界面設(shè)計(jì)

結(jié) 語(yǔ)

基于LabView 和XBEE 的智能農(nóng)業(yè)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，充分利用了LabView 友好的人機(jī)界面以及XBEE 遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸?shù)墓δ?，配合多種傳感器檢測(cè)裝置以及執(zhí)行裝置，完成了環(huán)境參數(shù)的有效采集、傳輸以及實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等，較好地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的智能功能。針對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)＋”概念的逐漸推廣和完善，此測(cè)試系統(tǒng)也可運(yùn)用于其他領(lǐng)域中，如智能家居、無(wú)線探測(cè)、惡劣環(huán)境探測(cè)等。

圖7 報(bào)警界面

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