智能农业大棚系统的设计与实现

2015-06-24朱薪豪侯艳艳单承刚桑得水

电脑知识与技术 2015年11期

朱薪豪侯艳艳单承刚桑得水

摘要：物联网智能农业大棚系统采用当前热门的物联网技术、嵌入式技术和无线传感器网络技术相结合的方法，并搭载了各种传感器（温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、土壤湿度传感器、热释红外感应传感器）和无线通信模块，最终实现了对大棚生产过程中各项环境参数的精准测量，并智能控制大棚内各项环境状况，进而实现大棚环境的自动保温、保湿、土壤湿度、历史数据的记录和安防监测等功能。物联网智能大棚系统还具有远程访问与控制功能。用户使用PC机不仅可以远程访问大棚内的相关数据，实时观察植物的长势，还可以远程控制大棚内部的执行器件（风扇、加湿器、加热器）来改变大棚内部环境。

关键词：ZigBee；温室大棚；物联网；智能农业

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）11-0244-03

1 方案背景

随着我国城市化建设的进一步推进，我国可耕种地面积在逐年减少，如何充分利用现有的土地资源显得十分重要。目前，我国北方大部分地区都有温室大棚，由于温湿度，光照，CO2浓度直接影响作物的产量，因此如何给作物提供一个适宜生长的大棚环境，是一个值得研究的课题。本文设计了基于物联网技术的温室大棚系统。该系统满足了用户在远距离条件下对大棚内环境参数的监控，采用本系统可以实现大棚内温湿度、CO2浓度等环境变量的自动调节适宜作物生长的区间，真正实现温室大棚的无人化管理。

2 系统整体设计

智能农业大棚系统分为无线传感网络、网关和主控中心三个部分，把嵌入式技术，传感器检测技术，无线通信等技术相结合。无线传感网络由协调器、路由器、五个数据采集节点（温度传感器节点、湿度传感器节点、光照度传感器节点、安防传感器节点、土壤湿度节点）及一个控制节点组成。五个数据采集节点负责采集大棚内温度、湿度、光照度、土壤湿度、安防等信息的采集，并将采集到的数据传输到协调器。协调器负责对采集的数据进行汇总处理，一方面，协调器与网关通过串口传送大棚内各种设置参数、命令及数据，另一方面协调器将控制命令发送给控制节点，控制风扇、加湿器、加热器的开关来调节大棚内的环境。系统整体功能框图如图1所示。

智能农业大棚系统可实时采集大棚内的温湿度、光照信息、土壤湿度、安防信息，通过高精度测量温室大棚生产过程中的参数，智能控制大棚内温度、湿度、通风状况等，自动实现保温、保湿和历史数据的记录的功能。该系统还具有远程访问和控制功能，用户可以通过PC机远程访问大棚内的相关数据，实时关注植物的长势，并可远程控制农业大棚内部设备的开关，调整大棚内部环境。

图1 系统整体功能框图

3 系统硬件设计

智能农业大棚系统的无线传感网络硬件采用模块化的思路完成设计，主要包括传感器模块、控制器模块和协调器模块三部分。传感器模块、控制器模块和协调器模块是搭载在ZigBee无线通信核心板和外接主板之上的，分别构成了数据采集节点、控制节点和数据转发节点。这样的结构化设计方便用户更换器件，最大限度的满足实际设计的需求。

3.1 无线通信核心板和外接主板

ZigBee无线通信模块是由核心板和外接主板组成。ZigBee无线通信核心板的主控芯片采用TI公司生产的ZigBee无线通信芯片CC2530，负责驱动传感器以及数据的接收和发送。CC2530是一个真正用于IEEE 802.15.4的ZigBee 和RF4CE应用的片上系统（ SOC）解决方案，其能以较低的成本建立强大的网络节点。CC2530 集成了业界领先的RF收发器、增强工业标准的8051MCU，在系统可编程Flash存储器，8kB 的RAM和其他功能，且适合需要超低功耗的系统。

主板主要由电源电路、USB转串口通信电路、接口电路等三部分组成。接口电路连接核心板与传感器模组或控制模组，并为它们提供电源接口。电源电路为核心板、传感器模组或控制模组供电。USB转串口通信电路将CC2530 单片机的串口转换为USB口，方便节点与PC机进行串口通信。

3.2 协调器模块

ZigBee网络中唯一的协调器，主要负责组建个域网及接收处理各节点传递过来的信号。处理器部分采用了CC2530作为主控芯片。一般情况下，协调器节点接口主要包括串行接口、电源接口及JTAG接口，也可增加USB接口。当管理机无串口时，采用USB接口可使该节点应用更为方便灵活。协调器节点负责网络的组建，完成各个终端节点的数据汇总打包，并将打包后的数据信息通过串口传送给嵌入式网关。

3.3 传感器模块

传感器模块由不同的传感器实现，包括温湿度传感器、光照度传感器、土壤湿度传感器和热释红外传感器。

3.3.1 温湿度传感器

温湿度数据采集节点采用SHT10采集农业大棚中的温度和湿度，工作电压2.4-2.5V，测湿精度为+-4.5%RH，足以满足大棚要求。SHT10采用SMD贴片封装，用两条串行线与处理器进行数据通信。数据采集完后ZigBee无线通信芯片将数据传输到协调器，完成了一次数据采集。

图2 SHT10电路连接图

3.3.2 光照度传感器

光照度传感器实现光照数据采集功能，它采用光敏电阻采集环境的光照度信息，当光照度发生变化时，光敏电阻的阻值会减小。数据采集后转化为电压值送给CC2530单片机，并通过CC2530单片机的射频通信模块将数据经路由器传输到协调器，完成一次数据采集，相关电路，光照传感器电路输出的为电压模拟信号，需要用CC2530内部的A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，光照度传感器与CC2530的P0_0相连，P0_0端口设置为ADC输入工作模式。

3.4 控制器模块

控制模块主要实现设备的开关控制，主要由继电器及控制电路组成。它采用USB接口与外围设备连接。控制节点负责执行协调器发送的开关设备的命令。

控制节点配备继电器模组，通过继电器来驱动风扇，调节室内的通风。光照度采集节点将光照信息采集送给协调器节点，协调器向网关发送实时光照度数据，网关将实时数据和阀值进行比较，如果实时数据大于上限阀值就发送信息给控制节点通过继电器开启风扇，反之关闭风扇。这与其它外围设备的控制原理类似。

4 系统软件设计

ZigBee底层协议栈及其应用层软件构成了无线传感网络软件平台。ZigBee协议栈由TI公司提供，OSAL操作系统的使命就是对几项不同的任务进行调度，使其协调有序的在CPU上运行，应用层程序通过OSAL操作系统的调用完成信息采集功能。应用层软件开发主要是各种传感器驱动程序的编写和自动控制程序的编写。

4.1 协调器软件设计

ZigBee网络中唯一的协调器，主要负责组建个域网及接收处理各节点传递过来的信号。传递的信号分为节点入网请求信号，以及数据上传信号。当接收到入网请求信号后，将给节点分配16位的短地址标识符，由于本系统采用的树状网络拓扑结构，其将采用根寻址的方法分配地址。若接收到的为数据上传信号，则需要将各节点上传的检测到的环境参数传给网关，交由网关进行处理。

4.2 传感器软件设计

4.2.1 温湿度传感器驱动程序

CC2530微控制器与SHT10进行通信时，首先要初始化SHT10，然后写入命令，最后等待数据转换完成将测量数据读出。

图3 温湿度节点程序流程图

4.2.2 光照度传感器程序编写

系统采用光敏电阻来采集室内的光照度，当光照度发生变化时，光敏电阻的阻值会变小，详细流程。

图4 光照度节点程序流程图

4.2.3 热释红外传感器程序编写

热释红外传感器能够检测人体发出的红外波，当没有人时，输出低电平；当检测到人时，输出间隔一秒的高低电平。所以只有读出输出端口的高低电平状态便可以判断是否有人存在。热释红外传感器的输出端口与 CC2530 的 P1_0 端口相连。这样只要读取 P1_0 端口的状态便可以判断是否有人存在。

4.3 控制器程序设计

当网关检测到协调器传递的参数不在设定的阈值之内时，网关向协调器发送开启相应继电器开关指令，进而协调器将数据转发到控制器，控制节点负责执行协调器发送的开关设备的命令，实现相应设备的开关控制。

5 实验测试