張開(kāi)生，　張盟蒙

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張開(kāi)生，張盟蒙

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

[摘要]為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的自動(dòng)化、智能化管理，采用ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于微型無(wú)人機(jī)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以PC機(jī)為控制核心，通過(guò)各種傳感器和微型無(wú)人機(jī)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息的獲取，經(jīng)由無(wú)線收發(fā)模塊CC2430和GPRS網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的傳輸，最終將采集到的數(shù)據(jù)信息直觀地顯示在PC機(jī)上。系統(tǒng)將無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)與微型無(wú)人機(jī)采集模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

[關(guān)鍵詞]微型無(wú)人機(jī)；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；溫室大棚；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在農(nóng)作物種植技術(shù)方面，溫室大棚早已突破了傳統(tǒng)農(nóng)作物種植技術(shù)受地域、自然環(huán)境和氣候等諸多因素的限制，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大意義[1]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，溫室大棚的生產(chǎn)模式將主要向著規(guī)?；l(fā)展。因此，在溫室作物生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)效率方面，需要有快速大面積的無(wú)損監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田作物的精準(zhǔn)管理，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精細(xì)化要求[2]。

考慮到溫室作物生長(zhǎng)過(guò)程中除了受環(huán)境因素影響外，還會(huì)受到各種病蟲(chóng)害影響，再結(jié)合溫室大棚在結(jié)構(gòu)上具有的分散性和區(qū)域化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是依靠固定式攝像頭，但是固定式攝像頭主要是通過(guò)攝像頭自身旋轉(zhuǎn)來(lái)采集相關(guān)信息，這樣的信息采集方式會(huì)存在采集盲區(qū)[3-4]。而無(wú)人機(jī)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)田間信息監(jiān)測(cè)與獲取，能夠?qū)r(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行全面觀察，并對(duì)其生長(zhǎng)信息及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[5]。所以該系統(tǒng)將ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)和微型無(wú)人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)和作物生長(zhǎng)狀態(tài)圖進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和動(dòng)態(tài)分析，以便指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值[6]。

1系統(tǒng)整體框架

溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)由微型無(wú)人機(jī)圖像采集單元、無(wú)線傳感網(wǎng)單元和監(jiān)控中心組成，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和作物生長(zhǎng)健康狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2　微型無(wú)人機(jī)圖像采集模塊

微型無(wú)人機(jī)圖像采集單元負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集溫室大棚內(nèi)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)圖，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線的方式將采集的溫室作物生長(zhǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心PC機(jī)；無(wú)線傳感網(wǎng)單元直接面向監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)采集?？紤]到溫室大棚的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此無(wú)線傳感網(wǎng)選用簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)溫室大棚中的若干傳感器節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇，并且設(shè)置一個(gè)固定的簇首[7]。傳感器節(jié)點(diǎn)之間不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，屬于一個(gè)簇的傳感器只能與本簇的簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。各簇之間可通過(guò)簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，簇首節(jié)點(diǎn)之間則是通過(guò)單跳或多跳的方式將數(shù)據(jù)輸送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心PC機(jī)。監(jiān)控中心完成溫室環(huán)境數(shù)據(jù)和作物生長(zhǎng)狀態(tài)圖的存儲(chǔ)、分析和顯示功能。系統(tǒng)的控制執(zhí)行模塊根據(jù)分析結(jié)果控制相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室作物生長(zhǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8]。

2無(wú)人機(jī)圖像采集單元設(shè)計(jì)

考慮到溫室作物生長(zhǎng)不僅受環(huán)境因素影響較大，還與病蟲(chóng)害等因素有關(guān)，所以設(shè)計(jì)微型無(wú)人機(jī)圖像采集單元，主要負(fù)責(zé)采集溫室作物的生長(zhǎng)狀態(tài)圖，并將采集到的圖像通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到監(jiān)控中心PC機(jī)，有利于觀測(cè)溫室作物生長(zhǎng)狀態(tài)，作物是否有病蟲(chóng)害，從而提高大棚植物監(jiān)測(cè)的靈活性。微型無(wú)人機(jī)圖像采集模塊如圖2所示。

圖2中圖像采集模塊采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照，并將獲取的圖像存放至微處理器；超聲波測(cè)距模塊主要負(fù)責(zé)測(cè)取無(wú)人機(jī)與障礙物(溫室作物、大棚等)之間的距離，避免無(wú)人機(jī)在采集圖像過(guò)程中與大棚或作物相撞。利用超聲波來(lái)探測(cè)無(wú)人機(jī)離大棚作物、大棚頂端、大棚左右兩側(cè)以及大棚前后的距離，然后通過(guò)微控制器計(jì)算并判斷，最終將控制命令發(fā)送至無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行的方向，避免撞到大棚和作物；微處理器負(fù)責(zé)對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理和存儲(chǔ)，并將處理后的圖像通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送的方式發(fā)送到監(jiān)控中心PC機(jī)[9]。除此之外，微處理器還負(fù)責(zé)對(duì)超聲波傳回的測(cè)距信息進(jìn)行分析處理，以便控制無(wú)人機(jī)的航向和飛行姿態(tài)。

采用微型無(wú)人機(jī)獲取溫室作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息，主要是利用其精準(zhǔn)拍攝和快速獲取的特點(diǎn)，且無(wú)人機(jī)獲取的圖像是通過(guò)GPRS傳遞給控制中心PC機(jī)，所以在獲取溫室作物信息時(shí)，并不會(huì)和其它傳感器產(chǎn)生相互干擾。

3無(wú)線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)

傳感器模塊主要是對(duì)影響溫室作物生長(zhǎng)的溫濕度、土壤pH值、CO2濃度和光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以該模塊集成了溫濕度傳感器、土壤pH值傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器，以及上述傳感器所對(duì)應(yīng)的調(diào)理電路。其中溫濕度傳感器采用傳感器模塊DHT11，其特點(diǎn)有體積小、可浸沒(méi)、抗干擾能力強(qiáng)和露點(diǎn)測(cè)試；土壤pH酸堿度測(cè)量采用JASP2801土壤pH值傳感器；CO2濃度傳感器選擇T6004傳感器；光照強(qiáng)度傳感器選用TSL2561高精度的光照強(qiáng)度[10]。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件圖如圖3所示。

圖3　傳感器節(jié)點(diǎn)硬件圖

簇首節(jié)點(diǎn)不像傳感器節(jié)點(diǎn)，它沒(méi)有上述各傳感器及輔助電路。簇首主要實(shí)現(xiàn)將本簇傳感器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)路由協(xié)議，設(shè)計(jì)時(shí)將一個(gè)溫室大棚作為一個(gè)簇，所以每個(gè)溫室大棚內(nèi)都有一個(gè)人工設(shè)置的固定簇首。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要用于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和發(fā)送控制命令，該節(jié)點(diǎn)由一塊CC2430芯片模塊組成[9]，通過(guò)串口與監(jiān)控中心PC機(jī)相連。各溫室大棚簇首接收到的采集數(shù)據(jù)就是通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最終傳給監(jiān)控中心PC機(jī)。此外，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還將運(yùn)算得到的控制信號(hào)下傳給各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，達(dá)到對(duì)溫室大棚各環(huán)境因素的智能控制。

圖4　無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4軟件設(shè)計(jì)

4.1無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)各種傳感器，無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸給每個(gè)溫室大棚指定的簇首節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4所示。與無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)不同，簇首節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)融合和轉(zhuǎn)寄數(shù)據(jù)包，并沒(méi)有數(shù)據(jù)采集功能。

無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)向簇首發(fā)送的數(shù)據(jù)最終被轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由幀控制、目的地址、源地址、有效載荷等組成。其中目的地址表示該數(shù)據(jù)幀要被送達(dá)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，源地址表示數(shù)據(jù)由哪個(gè)無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出，再根據(jù)系統(tǒng)將每個(gè)溫室大棚視為一個(gè)簇。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)每個(gè)簇進(jìn)行編號(hào)，即對(duì)每個(gè)溫室大棚進(jìn)行編號(hào)，并且將源地址改為由簇號(hào)和節(jié)點(diǎn)編號(hào)共同組成。這樣應(yīng)用軟件就可以通過(guò)源地址的內(nèi)容判斷該數(shù)據(jù)幀由哪個(gè)簇(溫室大棚)發(fā)送，從而可以啟動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

4.2LEACH算法描述

LEACH是一種基于聚類(clustering)的路由協(xié)議，LEACH算法的特點(diǎn)是采用基于TDMA/CDMA的MAC層機(jī)制來(lái)減少簇內(nèi)和簇間的沖突。LEACH協(xié)議分為簇建立階段(setup phase)和穩(wěn)定運(yùn)行階段(ready phase)[11-12]。在簇建立階段，LEACH協(xié)議通過(guò)設(shè)定一個(gè)閾值T(n)，并讓節(jié)點(diǎn)在0，1之間選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果該隨機(jī)數(shù)比T(n)小，則該節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前輪成為簇首。T(n)的設(shè)置如下：

(1)

4.3監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的監(jiān)控軟件利用Visual Basic編寫，代碼編寫靈活方便，功能強(qiáng)大，具有很好的擴(kuò)展性。

實(shí)時(shí)監(jiān)控部分實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的溫度、濕度、土壤pH值、CO2濃度、光照強(qiáng)度等影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵環(huán)境因素和溫室作物生長(zhǎng)狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并直觀地呈現(xiàn)在顯示界面。圖5顯示的是監(jiān)控軟件處于實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)的工作狀態(tài)，其中無(wú)人機(jī)圖像采集模塊使用航模進(jìn)行模擬仿真，監(jiān)測(cè)界面主要包括溫濕度、土壤pH值、CO2濃度和光照強(qiáng)度的參數(shù)顯示區(qū)域、無(wú)人機(jī)采集到的圖像顯示區(qū)域，同時(shí)右下側(cè)以曲線方式來(lái)顯示各溫室環(huán)境參數(shù)的變化趨勢(shì)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖5和圖6所示，圖中以溫度和CO2參數(shù)變化情況為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖5中顯示的是2#大棚ID為4的傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，其中環(huán)境實(shí)時(shí)參數(shù)包括溫度、濕度、pH值、CO2濃度和光照強(qiáng)度，數(shù)據(jù)曲線部分受事實(shí)部分的5個(gè)參數(shù)按鈕控制，當(dāng)按下溫度按鈕時(shí)，數(shù)據(jù)曲線部分則顯示的是溫度曲線圖，曲線圖為設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)從上午8:00到12:00每隔15 min采集一次的數(shù)據(jù)，從溫度曲線可以看出傳感器節(jié)點(diǎn)4測(cè)得的區(qū)域溫度在20~22 ℃之間平穩(wěn)變動(dòng)。作物生長(zhǎng)狀態(tài)圖中顯示的是航模采集到的圖像，從圖5中可以看出區(qū)域蔬菜生長(zhǎng)的大體狀態(tài)。作物生長(zhǎng)狀態(tài)圖上方的3個(gè)選項(xiàng)分別是放大、縮小和還原，目前顯示的是完整的一幅圖像，如果對(duì)圖像的某個(gè)區(qū)域感興趣，可以選擇放大選項(xiàng)，然后點(diǎn)擊該區(qū)域。圖6中數(shù)據(jù)曲線顯示的是CO2濃度曲線圖，作物生長(zhǎng)狀態(tài)圖顯示的就是圖5中橢圓區(qū)域放大的蔬菜圖像。

圖5　實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面一　　　　　　　　　　圖6　實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面二

5實(shí)驗(yàn)與討論

5.1實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取一蔬菜大棚的環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以大棚中溫度數(shù)據(jù)為代表，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和傳輸誤差實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,可以看出，數(shù)據(jù)誤差在-0.4～+0.2 ℃范圍內(nèi)，這個(gè)誤差范圍在可接受范圍內(nèi)，表明該系統(tǒng)性能可靠，可以滿足實(shí)際溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

表1　各種視頻場(chǎng)景描述

5.2討論

針對(duì)目前大量應(yīng)用于溫室大棚環(huán)境有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人力監(jiān)測(cè)所帶來(lái)的不便，根據(jù)溫室大棚規(guī)?；⒕珳?zhǔn)化發(fā)展的需求，將微小型無(wú)人機(jī)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，達(dá)到對(duì)溫室大棚環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和溫室作物生長(zhǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔友好的監(jiān)測(cè)界面，使工作人員可以方便的查看溫室環(huán)境情況和溫室作物生長(zhǎng)狀態(tài),從而可以對(duì)溫室大棚實(shí)現(xiàn)智能控制以及對(duì)溫室作物病蟲(chóng)害得到及時(shí)抑制。通過(guò)試驗(yàn)表明系統(tǒng)可以滿足溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要。

后續(xù)工作將對(duì)系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，主要是在采集到各環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)后，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行卷簾電機(jī)、澆灌設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、噴灑農(nóng)藥等設(shè)備的動(dòng)作，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的智能閉環(huán)控制。

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[責(zé)任編輯：李 莉]

2015年12月陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)

Research of environment monitoring system of greenhouse based on ZigBee

ZHANG Kai-sheng，ZHANG Meng-meng

(College of Electric & Information Engineering, Shannxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China)

Abstract:To realize the automation and intelligent management of greenhouse, an environment monitoring system of greenhouse based on micro UAV has been designed. PC works as the control center of monitoring system. The system collects environmental data and obtains crop growth status via a variety of sensors and micro unmanned aerial vehicle. And then these data will be transmitted through the wireless transceiver module CC2430 and GPRS network. Finally, collected data will eventually be displayed on the PC. The system is combined ZigBee wireless network with micro uav acquisition module, achieving real-time monitoring of the greenhouse crop growth status.

Key words:micro UAV;ZigBee network;greenhouse;real-time testing

作者簡(jiǎn)介：張開(kāi)生(1963—)，男，山西省永濟(jì)市人，陜西科技大學(xué)教授，博士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及開(kāi)發(fā);張盟蒙(1990—)，女，陜西省渭南市人，陜西科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理。

基金項(xiàng)目：陜西省西安市未央科技區(qū)項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)的信息監(jiān)控平臺(tái)研究”(2012-03)

收稿日期：2015-07-10

[中圖分類號(hào)]TP274

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1673-2944(2015)06-0018-05