于泓博 李靜輝 陶佰睿

摘要：隨著智能農(nóng)業(yè)與精細農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)的提出，針對目前在大棚中對各種環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測就要進行復雜繁瑣的布線的情況，為了實現(xiàn)農(nóng)作物能夠在大棚中有適宜的生長環(huán)境，同時還要達到對溫室環(huán)境進行實時監(jiān)測的目的，提出1種基于北斗和ZigBee技術(shù)的溫大棚環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)實現(xiàn)對溫室大棚的空氣溫度、土壤濕度和光照度等指標進行數(shù)據(jù)采集，并由LCD顯示器實時顯示出測量的數(shù)據(jù)，并通過北斗通信技術(shù)實現(xiàn)實時遠程監(jiān)測的目的。經(jīng)試驗測試，該系統(tǒng)可以實時采集和遠程傳輸大棚內(nèi)的參數(shù)信息，達到了對溫室花房環(huán)境實時監(jiān)控的作用，為人們管理大棚提供了很大的方便，具有廣闊的推廣價值。

關(guān)鍵詞：大棚監(jiān)測；北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；傳感器網(wǎng)絡；ZigBee

中圖分類號： TP274文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0398-05

目前農(nóng)業(yè)生物環(huán)境監(jiān)測工程十分普及，它已經(jīng)成為可使農(nóng)作物快速生長、提高質(zhì)量和產(chǎn)量的重要手段，更是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要目標之一。大棚是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設施上為各種農(nóng)作物提供最佳生長環(huán)境的基礎場所，它能夠促進農(nóng)作物快速生長，提高農(nóng)作物質(zhì)量，我國高檔農(nóng)作物大多采用的是大棚栽培技術(shù)[1]，空氣溫濕度，土壤濕度、光照度等都是影響農(nóng)作物生長的重要因素[2]，大棚的監(jiān)測技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)相融合，尤其是與ZigBee技術(shù)的結(jié)合，完成采集大棚中的多種環(huán)境參數(shù)的系統(tǒng)，成為未來“物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的主流。本研究設計的系統(tǒng)利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)實時監(jiān)測大棚局部的環(huán)境參數(shù)[3]，最后將這些參數(shù)通過我國自行研制的北斗無線通信衛(wèi)星實時傳送到監(jiān)控中心，大棚管理員就可以根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)對大棚的各種指標進行及時處理，以確保溫室中的農(nóng)作物盡可能處在一個良好的生長環(huán)境中，這樣便能夠有效提高農(nóng)作物的成品質(zhì)量[4]，從而使農(nóng)作物產(chǎn)品在市場競爭中變得更加有利，提高市場占有率，進而增加生產(chǎn)者的經(jīng)濟收入。

1系統(tǒng)網(wǎng)絡總體設計方案

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，繼美國全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯和歐盟衛(wèi)星導航系統(tǒng)之后第4個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導航和授時服務。系統(tǒng)網(wǎng)絡主要包括北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡。由北斗與ZigBee網(wǎng)絡組成的監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖1所示。ZigBee 網(wǎng)絡主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點與終端節(jié)點組成。結(jié)合此系統(tǒng)的具體使用環(huán)境場合，可以多種形式組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器節(jié)點將作為網(wǎng)絡系統(tǒng)的主要節(jié)點，完成對網(wǎng)絡的建立與管理、環(huán)境數(shù)據(jù)收集管理及連接北斗終端發(fā)送數(shù)據(jù)。其他路由、支路節(jié)點與終端節(jié)點負責環(huán)境數(shù)據(jù)采集并發(fā)送數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器節(jié)點。

[FK（W13][TPYHB1.tif][FK）]

該系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)調(diào)器節(jié)點還有一個重要任務，就是在系統(tǒng)網(wǎng)絡中其他節(jié)點第1次與協(xié)調(diào)器節(jié)點通信時，如果出現(xiàn)該通信節(jié)點不在其路由列表中，此時協(xié)調(diào)器節(jié)點依據(jù)不同路徑情況，將選擇最佳匹配的網(wǎng)絡路由路徑。通過協(xié)調(diào)器節(jié)點將信息匯總，通過北斗終端模塊發(fā)送給北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，再通過地面接收站接收，在監(jiān)控中心就可以實時收到被監(jiān)測的環(huán)境信息。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)主要包括：光照傳感器模塊、土壤濕度監(jiān)測模塊、土壤溫度檢測模塊、ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點、ARM主控模塊、北斗定位模塊和LCD顯示模塊組成，系統(tǒng)具體方案如圖2所示。

主控模塊采用ARM7中STM32模塊，該芯片屬于32位的[CM（25]微控制器，主要先負責對北斗模塊和顯示模塊進行相關(guān)初[CM）]

[FK（W13][TPYHB2.tif][FK）]

始化，并接收和處理ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，處理好的信息將在LCD屏中顯示，同時北斗衛(wèi)星模塊將這些數(shù)據(jù)實時發(fā)送至大棚環(huán)境監(jiān)控中心。由于ZigBee具有自動組網(wǎng)功能，所以系統(tǒng)采用多個ZigBee終端節(jié)點組成大規(guī)模監(jiān)控網(wǎng)絡，使監(jiān)控范圍增加，多個終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)最終匯聚到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點在整個網(wǎng)絡中只有1個，負責ZigBee無線傳感網(wǎng)的建立及維護[5]。同時接收各終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給主控模塊。終端節(jié)點負責采集所需的測量參數(shù)。每個節(jié)點都與光照傳感器模塊、空氣溫度傳感器模塊和土壤濕度傳感器相連接，實現(xiàn)對空氣中的懸浮顆粒物濃度、空氣的溫度以及土壤濕度進行實時監(jiān)測和傳輸。本系統(tǒng)采用UM220北斗芯片模塊，完成地理坐標定位，得到所在點的經(jīng)緯度，在主控模塊的控制下，將定位信息和傳感器采集大棚環(huán)境參數(shù)發(fā)送至監(jiān)控中心[6]，同時這些信息將顯示到LCD屏幕上。

2.2北斗模塊接口電路設計

本研究采用基于雙系統(tǒng)多頻率高性能SOC芯片和芯星通UM220-Ⅲ N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，能夠同時支持BD2、B1、GPS L1這2個頻點。UM220是針對車輛監(jiān)控、氣象探測和電信電力授時等應用推出的BD2/GPS雙系統(tǒng)模塊，其工作電壓為2～3.7 V直流電，工作溫度為-40～+85 ℃，定位精度為2.5 m，是市場上尺寸最小的BD2/GPS模塊，集成度高，功耗低，非常適合北斗系統(tǒng)大規(guī)模應用的需求。作為相互通信需要，將北斗UM220的TXD2引腳連接嵌入式ARM 7模塊STM32的PA10引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，將北斗UM220的RXD2引腳連接嵌入式STM32的PA9引腳接收數(shù)據(jù)。UM220的接口電路設計示意圖如圖3所示。

2.3光照度采集模塊接口電路設計

光照度采集模塊使用GY-30模塊，它采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，供電電源為3～5 V，光照度范圍為0～655 35 lx，傳感器內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字輸出，不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1 lx的高精度測定，標準NXP Ⅱ C通信協(xié)議，模塊內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換，其接口電路如圖4所示。

電路中的10 kΩ電阻主要起到分壓的作用，放大器和 10 kΩ 滑動電阻主要是放大信號源信號，104電容主要起到去耦的作用。

2.4ZigBee模塊硬件接口設計

本設計中，CC2530終端節(jié)點作為測量終端，也是任務的真正執(zhí)行者，除了具有基本的最小電路外，必須要同任務相關(guān)的DS18b20溫度傳感器、光照空氣質(zhì)量傳感器、YL-69土壤濕度傳感器相連接。終端節(jié)點接口電路圖如圖5所示，其中P05與YL-69的模擬輸出AO相連接，P06與光照傳感器的模擬輸出AO相連接，P07與DS18B20的數(shù)據(jù)輸出DQ相連接。在本設計中均采用采集其模擬量的辦法，并通過CC2530內(nèi)部的ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）功能模塊，進行采集量從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。DS18B20采用1-WIRE通信方式，其余CC2530僅通過DQ-P07連接。節(jié)點通過DQ根據(jù)協(xié)議發(fā)出不同的電平變化即可操作相關(guān)寄存器，進行初始化及讀取測量值。

CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點因為其主要任務是建立和維護網(wǎng)絡，并與ARM主控模塊進行串口通信，所以協(xié)調(diào)器上并未安置其他傳感器，本設計中選用其最小系統(tǒng)電路來作為CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點的基本電路設計。

2.5濕度采集模塊接口電路設計

YL-69土壤濕度傳感器可用于檢測土壤的水分含量，接口電路圖如圖6所示。當土壤水分含量低到預先設定的閾值時，傳感器輸出一個高電平，反之輸出低電平。傳感器的比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定，其工作電壓為3.3～5.0 V，靈敏度可調(diào)。

本研究中YL-69的探頭將探測到的數(shù)據(jù)傳由LM393比較芯片進行電壓的比較，將比較的結(jié)果通過OUT1引腳輸出至ZigBee CC2530的P0引腳。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1系統(tǒng)的軟件設計方案

系統(tǒng)的軟件分為三大部分，分別是ZigBee、ARM和北斗。從上電開始，系統(tǒng)分別進入初始化，傳感器節(jié)點將監(jiān)測到的溫度、濕度、可燃氣體濃度和光照度等數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM進行數(shù)據(jù)解析，同時，北斗也將其定位信息發(fā)送到ARM，ARM在解析數(shù)據(jù)后，將其顯示在LCD顯示屏幕上，系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。

3.2北斗發(fā)送模塊程序設計

北斗模塊UM220在系統(tǒng)中通過串口與ARM上位機進行通信，并且根據(jù)要求將數(shù)據(jù)報文返回給ARM進行處理。軟件中通過對報文進行逐字分析來獲得對應所需要的坐標和發(fā)送信息，具體流程如圖8所示。

其中初始化函數(shù)設計BD_init（），即為ARM對UM220模塊進行初始化的函數(shù)。北斗模塊初始化的關(guān)鍵是進行模塊復位，模塊復位需要通過串口對UM220發(fā)送復位命令，所以本設計調(diào)用串口命令，發(fā)送USART2_SendStr，來實現(xiàn)對UM220模塊進行芯片級復位，以熱啟動的方式進行。

3.3路由與終端節(jié)點工作流程設計

由于系統(tǒng)外接模塊較多，所以每個功能獨立設計成子函數(shù)的形式，再由主程序依次調(diào)用每個子函數(shù)，從而實現(xiàn)不同的功能[7]。在編程語言上，本研究采用適合將程序模塊化的C語言來實現(xiàn)，這樣不但可以提高編程速率，也方便了各個程序之間的調(diào)用和嵌套，使整個應用系統(tǒng)能更穩(wěn)定地運行下去。該系統(tǒng)中核心部分的就是路由與終端節(jié)點算法，此算法決定系統(tǒng)整個ZigBee網(wǎng)絡通信的組成和信息的傳輸，算法流程如圖9所示。

系統(tǒng)初始化主要是在上電后，對各個模塊完成初始化，以便之后的程序加載，首先，加載頭文件#include“MT_UART.h”來進行串口的初始化，#inclu de“ds18b20.h”來進行溫度傳感器DS18B20的初始化，#include“hal_adc.h”來進行芯片內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的初始化，#include“SampleApp.h”來進行 ZigBee 軟件的初始化，對各個采集模塊進行宏定義，

4結(jié)果與分析

選取不同時間段對大田的溫度、土壤的濕度進行測量，驗證系統(tǒng)準確度，該系統(tǒng)測得的測量值與標準化設備計量得的標準值進行比較，并進行誤差分析，具體如表1所示。

從表1中可以看出，試驗中分別測量了7個不同時刻的溫、濕度，對測得數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)測量的溫濕度存在一定的誤差，溫度的相對誤差值在±2%的范圍之內(nèi)，測量值比實際值偏?。粷穸日`差值小于2%，測量值比實際值偏大，在傳感器的允許的范圍之內(nèi)。由以上的試驗數(shù)據(jù)說明，系統(tǒng)誤差值在允許的誤差范圍之內(nèi)，系統(tǒng)的準確性達到要求。

5結(jié)論

本研究設計的監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了遠距離無線大棚環(huán)境主要數(shù)據(jù)的采集，其中ZigBee終端可以自由組成無線傳感器網(wǎng)，該網(wǎng)絡具有容量大、傳輸距離遠和可擴展等特點，可以對大面積大棚的土壤濕度、空氣溫度、空氣質(zhì)量以及光照進行實時性

遠程監(jiān)測。與傳統(tǒng)的監(jiān)測方式相比，不受時間和空間的限制，從而提高管理人員的工作效率，更加及時地了解農(nóng)作物的生長環(huán)境。本研究采用的北斗通信技術(shù)是我國未來衛(wèi)星通信業(yè)務的主流，不受地域、時域和周邊環(huán)境限制，實現(xiàn)對大棚的遠程監(jiān)測，系統(tǒng)具有測量誤差小、數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定以及效率高等特點，其應用領域和前景廣闊。

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