黨磊 倪旭光

摘 要：本項(xiàng)目旨在研究渭南當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)溫室大棚的智能化改造，針對(duì)傳統(tǒng)溫室大棚因人工管理種植模式造成產(chǎn)量損失的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要以影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的大棚環(huán)境溫濕度、土壤濕度為被監(jiān)測(cè)對(duì)象，建立星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以協(xié)調(diào)器為核心，利用終端節(jié)點(diǎn)連接傳感器對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行無(wú)線、快速和準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線短距離通信；大棚；溫濕度；土壤濕度

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）08-0068-03

Abstract：The purpose of this project is to study the intelligent transformation of the traditional greenhouse shed in Weinan area. Aiming at solving the problem of the yield loss caused by artificial management and planting mode in the traditional greenhouse shed，a kind of environment monitoring system based on ZigBee is designed in this paper. It is mainly based on the greenhouse environment temperature and humidity which affect the growth of crops，and the soil moisture as the monitored object to establish the star network structure. With the coordinator as the core，the terminal node is used to connect the sensor to monitor the greenhouse environment wirelessly，quickly and accurately.

Keywords：wireless short-range communication；greenhouses；temperature and humidity；soil moisture

0 引 言

目前，傳統(tǒng)菜農(nóng)依靠簡(jiǎn)單的人工管理種植方式對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這種測(cè)量方式的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較差，種植及管理作業(yè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率低，人們不可能時(shí)刻關(guān)注著農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境因素。通常人們?yōu)榱烁玫亓私獯笈飪?nèi)部的環(huán)境參數(shù)，在大棚內(nèi)部安裝各類采集設(shè)備，種植者進(jìn)入大棚內(nèi)部進(jìn)行讀取才能夠清楚地了解情況。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷增強(qiáng)以及智能化產(chǎn)品不斷普及，智能化溫室大棚必將成為發(fā)展趨勢(shì)，它將融合電子、計(jì)算機(jī)通信、傳感器等，具有多參數(shù)、功耗低、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由終端采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)顯示三部分構(gòu)成。包含多個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)，每個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)連接有溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器。各個(gè)終端分布在大棚的不同區(qū)域，對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集到的大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行匯聚，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)；液晶顯示屏將采集到的不同區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)用USB數(shù)據(jù)線相連，構(gòu)成監(jiān)控中心，在PC機(jī)串口助手界面分區(qū)域1、區(qū)域2等區(qū)域顯示采集到的參數(shù)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

無(wú)線短距離通信技術(shù)主要包括藍(lán)牙、WiFi、紅外、ZigBee等，考慮到農(nóng)業(yè)大棚的種植規(guī)模在不斷擴(kuò)大，需要對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。相較于其他無(wú)線通信方式，ZigBee技術(shù)無(wú)論是在通訊的距離、傳輸?shù)姆€(wěn)定性及組網(wǎng)的能力上均有顯著優(yōu)勢(shì)。綜合考慮之后采用ZigBee技術(shù)作為本系統(tǒng)的通信方式，該技術(shù)具有低功耗、低成本等特點(diǎn)。有星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)三種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可供選擇[1]，本設(shè)計(jì)選用星狀結(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中使用的節(jié)點(diǎn)有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端采集節(jié)點(diǎn)兩種。各節(jié)點(diǎn)以CC2530為核心，配合外圍電路，包括天線模塊、晶振模塊、電源模塊。其中CC2530在CC2430的基礎(chǔ)上改進(jìn)得來(lái)，繼承了其優(yōu)良的性能并加以改造，是真正片上系統(tǒng)。CC2530結(jié)合了RF收發(fā)器，是適用于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型芯片，具有8KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、32/64/128/256KB閃存和強(qiáng)大的外設(shè)[2]。天線模塊主要由SMA接口與桿狀天線構(gòu)成；在使用過(guò)程中模塊與芯片的RF_P、RF_N相連，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)從RF_P、RF_N引腳輸出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)從RF_P、RF_N進(jìn)入芯片。晶振模塊分為內(nèi)部RC振蕩器和外部晶振振蕩器兩種。CC2530內(nèi)部有16MHz和32KHz兩種RC振蕩器；外部采用32MHz和32.768KHz兩種晶振振蕩器。系統(tǒng)中32MHz振蕩器比16MHz RC振蕩器啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，但數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，主要用來(lái)提供系統(tǒng)時(shí)鐘[3]；32KHz RC振蕩器和32.768KHz振蕩器相比，32KHz RC振蕩器功耗較低，32.768KHz晶振精度較高，但不能同時(shí)工作。

3.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字式溫度傳感器采用單串行總線，具有高速數(shù)據(jù)處理能力、功率低、節(jié)省用戶使用空間等優(yōu)點(diǎn)。在采集過(guò)程中，DHT11一直處于低速模式，當(dāng)接收到采集命令后，立刻轉(zhuǎn)換到高速狀態(tài)下，并送出40bit數(shù)據(jù)，觸發(fā)第一次采集，在測(cè)量過(guò)程中，溫濕度分辨率為8bit[4]。本次設(shè)計(jì)中DHT11的DATA端口與CC2530的P0.7管腳相連，其電路圖如圖2所示。

3.3 土壤濕度傳感器

設(shè)計(jì)以FC-28濕度傳感器作為探頭，LM393作為比較器，在使用過(guò)程中將探頭插入待測(cè)土壤中，探頭與電路中的電阻分壓，通過(guò)LM393比較得到土壤水分含量值[5]。其中土壤濕度傳感器AOUT、DOUT接口分別與CC2530的P0.6、P1.5管腳相連，其電路圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，首先由協(xié)調(diào)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的組建，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行初始化，選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)信道進(jìn)行組建；其次，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建好后，等待終端采集節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，協(xié)調(diào)器允許合法的終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，加入的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始對(duì)負(fù)責(zé)區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳輸給協(xié)調(diào)器，若協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)，則將其送入液晶和PC機(jī)顯示，其流程圖如圖4所示。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)采用關(guān)聯(lián)式入網(wǎng)方式。終端采集節(jié)點(diǎn)初始化后，在它能夠覆蓋的通信范圍內(nèi)尋找協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并向組建好的網(wǎng)絡(luò)發(fā)起入網(wǎng)請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)允許合法的終端采集節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。各終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后，開(kāi)始控制傳感器設(shè)備對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將采集到的數(shù)據(jù)整理、儲(chǔ)存，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器設(shè)備。其流程圖如圖5所示。

4.3 DHT11采集軟件設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)組建成功后，DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行初始化，當(dāng)接收到讀取命令時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)利用傳感器對(duì)棚內(nèi)溫濕度進(jìn)行采集，芯片將采集到的模擬信號(hào)處理成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，中央控制中心將數(shù)據(jù)處理后得到大棚內(nèi)溫濕度的個(gè)位及十位數(shù)據(jù)，經(jīng)校驗(yàn)位檢測(cè)數(shù)據(jù)是否正確，若數(shù)據(jù)無(wú)誤，將其數(shù)據(jù)打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器；若數(shù)據(jù)有誤，則重新采集數(shù)據(jù)。其流程圖如圖6所示。

4.4 土壤濕度采集軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組網(wǎng)成功后，對(duì)土壤濕度傳感器進(jìn)行初始化，啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器超時(shí)后，調(diào)用ADC采樣函數(shù)，設(shè)置最大采樣值為8192，將采集到的數(shù)值轉(zhuǎn)化成百分比形式，取百分比前兩位數(shù)字得到相應(yīng)的土壤濕度模擬量。其流程圖如圖7所示。

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)針對(duì)渭南當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)溫室大棚因人工管理方式難以掌控作物生長(zhǎng)所需環(huán)境的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以CC2530為核心，通過(guò)搭建星型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用終端采集節(jié)點(diǎn)采集大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，在液晶顯視屏和串口界面分別顯示，實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)部植物生長(zhǎng)所需環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸及顯示，方便了管理者對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的掌控，減少了重復(fù)的勞動(dòng)，對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的改造具有一定的意義。

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作者簡(jiǎn)介：黨磊（1994.02-），男，陜西寶雞人，本科。研究方向：電子通信。