劉豐年

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程傳媒學(xué)院，河南 三門峽 472000)

基于ARM9和Zigbee的溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

劉豐年

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程傳媒學(xué)院，河南 三門峽 472000)

在智慧農(nóng)業(yè)的背景下，為實(shí)現(xiàn)溫室大棚的遠(yuǎn)程化、智能化與信息化管理，設(shè)計(jì)了一種以ARM9和Zigbee技術(shù)為核心的溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng).該系統(tǒng)用傳感器采集溫室大棚環(huán)境的溫濕度和二氧化碳參數(shù)，通過(guò)Zigbee網(wǎng)關(guān)上傳至手機(jī)客戶端，手機(jī)客戶端根據(jù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行報(bào)警提示，使用戶能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地掌握溫室大棚的環(huán)境狀況.測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有能耗低、性價(jià)比高、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

溫室大棚；ARM9；Zigbee；傳感器；智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著我國(guó)社會(huì)和科技的進(jìn)步，智慧農(nóng)業(yè)迅速崛起，溫室大棚技術(shù)作為農(nóng)業(yè)設(shè)施的一種常見(jiàn)形式被廣泛應(yīng)用，為農(nóng)作物營(yíng)造了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，大大提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，有力推動(dòng)了集約型農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展[1].然而，現(xiàn)有的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)手段落后，信息化和智能化管理水平較低，嚴(yán)重影響了溫室大棚的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，阻礙了溫室大棚的發(fā)展.因此，溫室大棚的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)受到了越來(lái)越多的關(guān)注[2-3].與此同時(shí)，隨著傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，ARM9系列處理器的高性能與Zigbee的低功耗、自組網(wǎng)、容量大等優(yōu)點(diǎn)逐漸被人們所認(rèn)可，已被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和智能家居領(lǐng)域且取得了較好的效果.

本研究針對(duì)溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，結(jié)合先進(jìn)的傳感器和無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種以S3C2410和Zigbee網(wǎng)關(guān)為核心的溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng).該系統(tǒng)采用HTU21D溫濕度傳感器和T6615二氧化碳傳感器實(shí)時(shí)采集溫室大棚的溫濕度和二氧化碳參數(shù)，通過(guò)Zigbee網(wǎng)關(guān)上傳至手機(jī)客戶端，手機(jī)客戶端根據(jù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行報(bào)警提示，達(dá)到了監(jiān)測(cè)溫室大棚環(huán)境的目的，節(jié)省了人力資源，提高了溫室大棚的信息化與智能化程度，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和應(yīng)用價(jià)值.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)溫室大棚中影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的主要環(huán)境因素和遠(yuǎn)程智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警的需求，系統(tǒng)采用獨(dú)立模塊原則，按照低功耗、微型化、可擴(kuò)展、穩(wěn)定可靠、協(xié)議統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和Zigbee網(wǎng)關(guān)3個(gè)部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structural diagram of system

(1)Zigbee網(wǎng)關(guān)是整個(gè)溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的核心，具體負(fù)責(zé)溫室大棚內(nèi)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立，管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有的Zigbee終端，向各個(gè)傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，收集采集到的數(shù)據(jù)，將Zigbee信息轉(zhuǎn)換為符合TCP/IP協(xié)議的信息，最終將轉(zhuǎn)換后的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至終端設(shè)備.

(2)HTU21D溫濕度傳感器具體負(fù)責(zé)采集溫室大棚環(huán)境的溫度和濕度，將采集到的信息通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳送給Zigbee網(wǎng)關(guān).該傳感器可以設(shè)置閾值并具有超閾值報(bào)警功能，還可以調(diào)整數(shù)據(jù)采集周期和接收Z(yǔ)igbee網(wǎng)關(guān)下達(dá)的數(shù)據(jù)采集指令.

(3)T6615二氧化碳傳感器具體負(fù)責(zé)采集溫室大棚里的二氧化碳濃度，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳送給Zigbee網(wǎng)關(guān).

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包括Zigbee網(wǎng)關(guān)、HTU21D溫濕度傳感器和T6615二氧化碳傳感器.

2.1 Zigbee網(wǎng)關(guān)

Zigbee網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要包含核心處理器、Zigbee協(xié)調(diào)器、3G接口電路、RS232/485接口電路、USB接口電路、以太網(wǎng)卡和備用電池電路等[4].

本系統(tǒng)選擇了三星公司的ARM9系列的S3C2410作為Zigbee網(wǎng)關(guān)的微處理器，通過(guò)以太網(wǎng)或3G/4G網(wǎng)上傳信息，外部供電采用15 V電源適配器將220 V電源轉(zhuǎn)化為15 V的直流電，電流為1 A，內(nèi)部供電采用MP2482將電壓轉(zhuǎn)化為5 V或3.3 V.Zigbee網(wǎng)關(guān)的整體框架如圖2所示.

2.2 HTU21D溫濕度傳感器

HTU21D溫濕度傳感器主要包括STM32F103R8T6處理器、HT7333和HTU21D，如圖3所示.

圖2 Zigbee網(wǎng)關(guān)框架Fig.2 The frame diagram of Zigbee gateway

圖3 HTU21D溫濕度傳感器Fig.3 HTU21D temperature humidity sensors

(1)STM32F103R8T6處理器電路

該處理器具有ARM CortexTM-M3內(nèi)核，處理速度快、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、性價(jià)比高、穩(wěn)定可靠.STM32F103R8T6處理器電路如圖4所示.

圖4 STM32F103R8T6處理器電路Fig.4 The circuit design of STM32F103R8T6 processor

(2)報(bào)送電路

在Zigbee模塊中使用的Zigbee芯片型號(hào)為ZS05-L-PRO，該芯片是基于MC1322X開(kāi)發(fā)的，與IEEE802.15.4兼容，具有方便組網(wǎng)、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，傳輸距離可以達(dá)到800 m，有16個(gè)信道，65 535個(gè)ID，發(fā)射功率和接收功率分別為18 dBm和-92 dBm，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的透明傳輸.由于處理器I/O口和ZigbeeI/O口的電壓不匹配，所以需要在二者之間增加一個(gè)100 Ω的電阻.報(bào)送電路如圖5所示.

(3)HTU21D溫濕度傳感器電路

HTU21D溫濕度傳感器采用DFN封裝，支持?jǐn)?shù)字顯示，擁有標(biāo)準(zhǔn)的12C接口，具有功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)溫為-40～125 ℃，濕度為0%～100% RH，處理器使用的是STM32F103R8T6.考慮到傳感器位置可能需要經(jīng)常調(diào)換，再加上所用的都是低功耗元件，所以HTU21D溫濕度傳感器供電采用的是3節(jié)5 V電池，通過(guò)HT7333穩(wěn)壓芯片把15 V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V.測(cè)試發(fā)現(xiàn)，3節(jié)5 V電池可以持續(xù)為傳感器供電6～10個(gè)月，能滿足實(shí)際需求.HTU21D溫濕度傳感器電路如圖6所示.

圖5 報(bào)送電路Fig.5 The circuit of submission

圖6 HTU21D溫濕度傳感器電路Fig.6 The circuit of HTU21D temperature humidity sensors

2.3 T6615二氧化碳傳感器

二氧化碳傳感器主要包括PIC16F690處理器、T6615傳感器和HT7650.供電采用6 V的電壓適配器將220 V電壓變換為6 V，LDO需要的5 V電壓通過(guò)HT7650轉(zhuǎn)換，處理器與傳感器之間通過(guò)IIC通訊，處理器與Zigbee芯片間通過(guò)TTL通訊.

圖7 PIC16F690處理器電路Fig.7 The circuit of PIC16F690 processor

(1)PIC16F690處理器電路

該處理器具有8位CMOS閃存，20個(gè)引腳，一個(gè)串口，可以直接驅(qū)動(dòng)LED，性能高，功耗工作電流為11 μA.PIC16F690處理器電路如圖7所示.

(2)T6615二氧化碳傳感器電路

T6615二氧化碳傳感器的精確度為75×10-6，測(cè)量范圍為0～2 000×10-6，單次采集信息的時(shí)間為4 s，具有功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，供電電壓為5 V.T6615二氧化碳傳感器部分電路如圖8所示.

圖8 T6615二氧化碳傳感器部分電路Fig.8 Some parts of the circuit of T6615 carbon dioxide sensors

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括Zigbee網(wǎng)關(guān)和各傳感器的軟件設(shè)計(jì).

3.1 Zigbee網(wǎng)關(guān)

先將Zigbee模塊連接到電腦，完成基本配置，確保組網(wǎng)成功.Zigbee模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)與終端之間的數(shù)據(jù)通信，對(duì)串口發(fā)來(lái)的指令，處理后就發(fā)送給終端設(shè)備，對(duì)終端設(shè)備發(fā)來(lái)的指令，處理完后發(fā)送給處理器.Zigbee模塊的工作流程如圖9所示.

3.2 傳感器軟件

HTU21D溫濕度傳感器和T6615二氧化碳傳感器采集溫室大棚的環(huán)境信息，通過(guò)Zigbee報(bào)送給網(wǎng)關(guān)，用戶可以在客戶端查詢相關(guān)信息.由于傳感器的工作原理相似，所以僅以HTU21D溫濕度傳感器為例，介紹傳感器軟件.

HTU21D溫濕度傳感器每隔1 h采集一次信息并報(bào)送給Zigbee網(wǎng)關(guān)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高于閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)送報(bào)警信息給Zigbee網(wǎng)關(guān).經(jīng)測(cè)試，濕度閾值設(shè)定為40%～60%，溫度閾值設(shè)定為15～25 ℃較為合理.HTU21D溫濕度傳感器的程序如圖10所示.

圖9 Zigbee模塊的工作流程Fig.9 The workflow of Zigbee modules

圖10 HTU21D溫濕度傳感器的程序流程Fig.10 The program flow chart of HTU21D temperature humidity sensors

HTU21D溫濕度傳感器主要包括入網(wǎng)、閾值設(shè)置、讀環(huán)境信息、超閾值報(bào)警和定時(shí)報(bào)送，各子程序如下：

(1)入網(wǎng).用戶通過(guò)按HTU21D溫濕度傳感器上的按鍵報(bào)送設(shè)備類型，Zigbee網(wǎng)關(guān)接收到Zigbee識(shí)別信息后將其加入網(wǎng)絡(luò)，Zigbee網(wǎng)關(guān)向HTU21D溫濕度傳感器返回指令，HTU21D溫濕度傳感器接收到指令后指示燈閃爍表明收到回復(fù).

(2)閾值設(shè)置.用戶通過(guò)客戶端設(shè)置HTU21D溫濕度傳感器上的報(bào)警閾值，報(bào)警閾值經(jīng)Zigbee網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為HTU21D溫濕度傳感器能夠識(shí)別的指令信息，存儲(chǔ)到傳感器中.

(3)讀環(huán)境信息.用戶通過(guò)客戶端向HTU21D溫濕度傳感器發(fā)送讀環(huán)境信息指令，HTU21D溫濕度傳感器得到指令后讀取環(huán)境信息并上傳至網(wǎng)關(guān)，得到網(wǎng)關(guān)的回復(fù)指令后程序結(jié)束.如果沒(méi)有得到回復(fù)指令，則繼續(xù)發(fā)送，直到收到回復(fù)為止.

(4)超閾值報(bào)警.閾值設(shè)置后處理器開(kāi)始啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，每秒讀值一次，然后將該值與閾值比較，如果超過(guò)即報(bào)送網(wǎng)關(guān)，接到網(wǎng)關(guān)回復(fù)之后程序結(jié)束.

(5)定時(shí)報(bào)送.HTU21D溫濕度傳感器的定時(shí)器每隔1 h采集一次數(shù)據(jù)并報(bào)送網(wǎng)關(guān).

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

圖11 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和距離的關(guān)系Fig.11 The diagram of data transmission time and range

借用紫光物聯(lián)平臺(tái)的客戶端，對(duì)溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了整體測(cè)試.所有設(shè)備聯(lián)網(wǎng)正常，覆蓋面積可以達(dá)到300 m2，設(shè)備經(jīng)網(wǎng)關(guān)到客戶端的傳輸時(shí)間基本上在1.5 s左右，主機(jī)和終端設(shè)備功能均符合實(shí)際需求，每隔1 h報(bào)送一次溫濕度和二氧化碳濃度，閾值設(shè)置有效且反應(yīng)靈敏.數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和距離的關(guān)系如圖11所示.

4 結(jié)語(yǔ)

本研究根據(jù)溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)的需求，采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種以S3C2410處理器和Zigbee網(wǎng)關(guān)為核心的溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng).該系統(tǒng)采用HTU21D溫濕度傳感器和T6615二氧化碳傳感器實(shí)時(shí)采集溫室大棚的溫濕度信息和二氧化碳參數(shù)，通過(guò)Zigbee網(wǎng)關(guān)上傳至手機(jī)客戶端，用戶可以通過(guò)手機(jī)客戶端查看溫室大棚的環(huán)境信息，手機(jī)客戶端也會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行報(bào)警提示，以達(dá)到溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的.該系統(tǒng)提高了無(wú)人值守情況下溫室大棚信息化與智能化的程度，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和應(yīng)用價(jià)值.

[1] 韓劍，莫德清．基于Android與GSM的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43(4)：397-399．

[2] 徐暉．基于PLC的智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．蘭州文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，29(4)：41-45．

[3] 邵春聲，張兵．基于PROTEUS的溫室大棚溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36(6)：92-95．

[4] 王憲磊．基于Zigbee的智能溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2016，16(7)：27-29,33．

[5] 陳會(huì)蓮，谷明月,鄭艷博,等．基于PLC的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36(2)：246-248．

On the online intelligent monitoring prewarning system of the greenhouse based on the ARM9 and Zigbee

LIU Fengnian

(DepartmentofInformationEngineeringandMedia,SanmenxiaPolytechnicCollege,Sanmenxia472000,China)

In order to implement the online, intelligent and informative management of the greenhouse in the background of the intelligent agriculture, an online intelligent monitoring prewarning system of the greenhouse is designed based on the ARM9 and Zigbee. In the system the temperature and the humidity of the greenhouse as well as the parameter of CO2are collected by the use of the sensor, and the parameter are to be uploaded to the clients of the mobile phone, and then the mobile phone will warn to reminder according to the figure set in advance, so the client can know correctly the environmental condition of the greenhouse on time. Having been tested by the experiment, the system costs fewer energy and gets higher performance price ratio and the stronger expandability, and it is applicable in practice.

greenhouse; ARM9; Zigbee; sensor; intelligent monitoring system

2017-01-07

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(15B520026)

劉豐年(1982-)，男，河南三門峽人，講師，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與智能系統(tǒng).

TP277

A

1674-330X(2017)02-0067-05