物联网智能大棚信息采集与控制关键技术研究

杨召文，张正华，石俊逸，刘 学，秦立誉

（扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225127）

随着经济的发展和人们精神生活质量的提高，现代社会对花卉的需求越来越大。特别是高档花卉，对于环境要素的要求特别高。然而，在国内，生产设施和栽培技术比较落后，花农对于生产要素的控制缺乏经验，人工不能够精确控制环境要素，难度大。在这种情况下，一种能够精确自动采集与控制的技术就显得十分迫切。系统采集上来的数据传输到专家系统，专家系统根据已经制定好的数据库进行判断，然后向控制节点发送指令，启动相应的控制设备，从而达到实时准确控制的目的。另外，产品成本低，容易维护，可靠性强的特点，使得该技术在推广的时候拥有很大的优势。

1 硬件的实现

1.1 功能的实现过程

首先是利用传感器网络将各种环境要素进行信息采集，然后通过信息传输模块传输到专家系统，专家系统对采集上来的信息进行判断，产生的控制指令通过信息传输模块发送到反馈控制模块对大棚环境进行调节，从而达到平衡环境要素的目的。系统总体设计如图1所示。

1.2 信息采集

图1 系统总体结构示意图Fig.1 System overall structure diagram

信息的采集需要将非电信号转化为电信号，因此，需要用到温度，土壤湿度，二氧化碳，光照传感器。传感器采集的信号量为模拟信号，需经过AD转换器通过485总线进行传输。485总线的作用是将多个信息采集模块联系在一起，形成多级通信，多个模块采集到的信息通过总线传输到ZigBee进行数据发送，从而使得大棚内多个模块共用同一个ZigBee，降低成本。

1.3 信息传输

大棚内环境固定，适合利用485总线进行数据传输。而在大棚外部，传输距离远，环境复杂，适合利用无线传输。利用485总线将各个信息采集模块采集上来的数据通过一个ZigBee发送。长距离的有线通信具有成本高，布线难度大，并且，日常需要定期检查线路后期不易维护等缺点 ，Zigbee技术是一种面向自动化和无线控制的无线通信技术。和其他无线传输方式相比，具有低速率、低功耗、经济可靠、网络容量大等特点[2]，设计精巧，可以自由组网，便于维护和扩展[3、4]使其得到了广泛的应用。如图2所示。

图2 信息传输结构示意图Fig.2 Information transmission structure diagram

信息的传输主要包括2个部分：第一部分是信息采集模块和ZigBee之间通过485总线的有线传输，第二部分是ZigBee和专家系统之间通过网关进行信息的无线传输。因此，本文的无线传感器网络充分利用了Zigbee技术简单高效的特点，将ZigBee作为一个路由节点，对数据进行融合，然后分别发给专家系统或控制板[5-6]。

1.3.1 485总线传输

485总线的传输距离在几十米到上千米之间，非常适合在大棚内作为传输线使用。485总线采取平衡发送和差分接受，因此，在抗干扰方面具有很强的优势。其有效驱动点为32个，基本上不用采取方法来增加节点数，另外收发器的灵敏度非常高，能检测在200 mV以下的电压，因此非常适合在大棚内进行数据传输。在多级通信过程中，需要对每个信息采集模块设置ID号，在控制的时候，来判定是哪一块信息采集模块发送的信息，从而相应的控制模块启动。

1.3.2 ZigBee无线传输

ZigBee作为无线通信的一种，自身有很大的优点。其通信距离较远，在一公里左右；可以自由组网；功耗低；而且传输可靠性强。在通信过程中，采用Modus协议，以主从应答方式工作[7]，使得PC服务器的数据与其他设备之间的数据能够有效地交换和传输。

1.4 采集数据的判定与控制指令的产生

专家系统的功能是对传输上来的采集数据进行与标准值判定，然后根据判定结果产生相应的控制指令，其实质是模仿人类的思维过程。专家系统可以根据采集到的信息为用户答疑，同时，用户也可以和专家系统进行交互，包括参与大棚参数的设定。

1.5 环境反馈控制

一般的智能大棚控制系统，大部份控制技术都是基于开关量。而基于反馈的精确控制系统，是根据对环境变化的增量来调整控制信号。

反馈控制的设备有水泵、风扇、补光灯、卷帘窗。正常工作时，PC机接收到传感器发送的数据，并将其与标定值比较，实现反馈控制。当超过设定的范围时，水泵、风扇、补光灯、卷帘窗等相应设备的电源自动接通或断开。从而实现温室内环境的稳定，使温室的环境参数始终保持在适合花卉生长的最佳状态，因此能提高花卉的质量和经济效益影响花卉的环境要素为温度，光照，土壤湿度以及二氧化碳浓度，因此 在信息采集需要相应的传感器。对象相应的传感器模块，需要配置相应的控制模块。温度配置风扇与加热板；土壤湿度配置水泵，光照配置LED灯和遮阳板；二氧化碳配置卷帘窗。如图3所示。

图3 信息采集控制示意图Fig.3 Information collection and control plan

2 系统软件设计与实现

2.1 环境监测模块软件设计

环境监测模块软件流程是按照一定逻辑进行运行的。首先对各个部分进行初始化，再利用CC2430将采集到的数据进行调制，然后搜索网络，网关搜索到相关ID号之后，将其加入网络，通过射频发送给接收端，接收端接收这些数据，将它显示出来，然后重复以上过程，进行下一次数据的传递[8-10]。如图4所示。

图4 环境监测模块软件流程图Fig.4 Environmental monitoring module software flow chart

2.2 反馈控制模块软件设计

反馈控制模块主要是对各种调控设备进行控制，可以自动控制，也可以人工控制。当网关有调控指令发送过来时，立刻开始执行控制程序，先选择是自动控制还是人工控制，然后通过所选择的控制方式来控制风扇，水泵等控制设备，使环境参数达到预定值，从而实现对环境的反馈控制[11]。流程图如图5所示。

图5 反馈控制模块软件流程图Fig.5 Feedback control module software flow chart

3 结束语

高档花卉对室内的环境有着特别高的要求，本系统对于环境要素能够精确地控制。同时，本系统还能利用到其他的大棚种植比如蔬菜种植，水果种植等等，利用范围广，精确程度高，稳定性强，性价比好，市场前景广阔。现在我国的经济提倡转型，本套系统有利于农业的信息化发展。

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