智能农业大棚无线监测与管控的平台系统设计

2015-09-12李萌邓琛王昌志

单片机与嵌入式系统应用 2015年11期

关键词：环境参数温度传感器上位

李萌，邓琛，王昌志

（上海工程技术大学电子电气工程学院，上海，201620）

李萌（硕士），研究方向为嵌入式智能系统、智能交通；邓琛（教授），主要研究方向为无线传感器网络、信息检测与处理、嵌入式智能系统；王昌志（硕士），主要研究方向为嵌入式射频识别技术应用。

引言

智能农业是目前农业发展的新方向，它根据农作物的生长习性及时调整土壤状况和环境参数，较为典型的应用是大棚蔬菜水果的管理，以最少的投入获得最高的收益，改变了传统农业中必须依靠环境种植的弊端及粗放的生产经营管理模式［1－2］。

智能农业的核心问题涉及4 个部分：农业信息的获取、获取信息的处理、农业信息的分析及决策的制定、由决策而决定的具体实施方针［3］。随着通信、计算机、传感器等技术的迅速发展，“物联网＋”的概念已经渗透到很多行业和领域，“物联网＋农业”即构成了智能农业，它将采集的温度、光照、湿度、植物生长状况等信息进行加工、传输和利用，为农业在各个时期的精准管理和预警提供信息支持，以最少的资源消耗获得最大的产出。

本文结合智能农业涉及的4 个核心问题，基于Lab－View 和ZigBee以及多种传感器搭建一个模拟仿真硬件平台。数据采集终端设备以Arduino控制器为核心，上位机采用LabView2011，无线传输设备采用XBEE 模块，多种传感器作为采集模块，小型直流电机作为执行设备，从而实现环境参数的采集以及上位机监测软件的数据分析、记录和远程监控。

1 无线监测平台设计方案

在一些大型农田以及室内大棚，由于作物生长环境的需要，大棚内需要定期进行开窗处理（传统的大棚主要采用薄膜加盖处理，常常施行人工加盖和揭盖处理，改进后的大棚可利用电机控制开窗动作，类似自动窗帘的处理），从而获得适时的光照、温度等。夜间其各项环境参数均需要维持在一定的范围内，对控制要求的精度较高，基础设施配置较高的农田或大棚常常附有灌溉功能。为实现上述要求，无线监测系统在硬件上采用传感器实时监测，数据经由ZigBee模块可靠传输，软件上采用LabView 和Access。

系统主要包含4个模块：采集模块、传输模块、处理监控模块、数据库记录模块。采集模块主要包含DHT11湿度传感器、LM35 温度传感器、BH1750FVI光照传感器，传感器主要完成数据的实时采集，传感器模块和核心控制芯片Arduino相连，完成信息的转换和处理，为信息传输做好准备工作。

传输模块利用XBEE模块和嵌入式组件连接，这里主要和Arduino控制器连接，根据农田测量点的分布情况，可完成近距离或者远距离的信息传输；处理监控模块主要对现场传输进入PC 机的信息进行实时的分析处理，通过，设定阈值的判断完成对执行机构的处理，及时地完成环境参数的调节和预警处理等措施。

数据库记录模块主要将上位机分析处理的有效信息进行实时存储，针对异常信息的存储，根据时间周期的变化，用户可根据数据库记录信息对后期作物培养环境参数进行适时的调整，以实现环境参数最优配置。整个系统的设计方案如图1所示。

图1 智能农业无线监测平台系统设计方案

2 系统硬件设计

系统硬件主要由LM35温度传感器、DHT11湿度传感器、BH1750FVI光照传感器、小型直流电机、Arduino系列单片机、XBEE无线模块以及计算机组成。所有传感器可直接将测量的模拟量转化成数字量，利用单片机对其信号进行采集和处理，通过无线模块将数据传输给上位机进行处理，并完成分析、预警、响应和记录等步骤。

2.1 温度传感器

温度采集使用模拟温度传感器LM35。National Semiconductor生产的温度传感器LM35具有很高的工作精度，在室温25 ℃时，无需外部校准或微调其测量精度为±0.5 ℃［4］。它还有较高的线性工作范围，温度的测量范围在0～100 ℃，而且LM35 的输出电压Vout＿Lm35与摄氏温度T 之间成线性比例，线性变化系数为＋10mV／℃，其转换公式为Vout＿LM35（T）＝10mV／℃×T ℃，当0℃时其输出电压为0 V，每升高1 ℃，其输出电压会随之增加10mV，其工作电压为直流4～30V，功耗小于60μA。

2.2 温湿度传感器

湿度的采集使用含有已校准数字信号输出的DHT11数字温湿度复合传感器。该传感器是由一个电阻式感湿元件、一个NTC测温元件与一个高性能的8位单片机相连接而成，这就确保了该传感器具有极高的品质和可靠性、超快的响应、极强的抗干扰、较高的性价比以及卓越的长期稳定性。该传感器测量湿度的量程为20～90%RH，精度为±5%RH，测量温度量程为0～50 ℃，精度为±2 ℃，工作电压为3.5～5.5V，工作电流平均为0.5mA，分辨率为8 位，采样周期为1s［5］。在本系统中主要利用了该传感器测量湿度的测量信息，已经使用了精度更高、更灵敏的温度传感器LM35，故不考虑其对温度的测量。

2.3 光照强度传感器

光照强度的采集使用不区分光源的16位数字输出型环境光照强度集成电路——BH1750FVI，它是日本RHOM 株式社会推出的一款两线式的串行总线接口的集成电路采集元件，可以根据实时收集到的光照强度数据来监测当前环境。该传感器的分辨率很高，光照强度的感应范围为0～65 535lx，可以支持大范围的光照强度变化的监测，其工作电压为3～5V，同时该传感器内置有16位的A／D 转换器［6］。

2.4 Arduino单片机板

数据采集终端设备采用Arduino Mega2560作为控制核心，其采用USB为接口的核心电路板，相比于Arduino Uno，它最大的特点就是具有54路数字输入／输出，十分适合需要大量接口的设计。Arduino Mega2560的核心处理器是ATmega2560，具有54 路数字I／O 口，其中的16路可作为PMW 输出或16路模拟输入，每一路都具有10位（即1024 位）的分辨率，默认的输入信号范围为0～5V；具有4路UART 接口、一个USB接口、一个16 MHz的晶体振荡器、一个ICSP header、一个复位按钮和一个电源插座［7］。其工作电压为5 V，I／O 引脚直流电流为40mA，Flash 存储器为256 KB，SRAM 为8 KB，EEPROM 为4KB，工作时钟为16 MHz。Arduino Mega2560的正反面外观如图2所示。

图2 Arduino Mega2560的正反面外观

2.5 XBEE模块

XBEE模块是美国Digi公司的ZigBee模块产品，是一种远距离低功耗的无线模块，频段包含2.4GHz、900 MHz、868 MHz三种，同时可兼容802.15.4 协议［8］，其可搭配Mesh网络，每个模块都可以作为路由节点、路由器以及终端节点。XBEE OEM RF模块接口，通过逻辑电平连接到主机设备的异步串行端口。通过其串行接口，该模块可以与任意逻辑和电压兼容的UART 相连，或通过电平转换到其他串行设备，其引脚接线示意图如图3所示。

图3 XBEE与微控制器引脚接口示意图

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

由于系统涉及传感器设备较多，且系统对数据更新的实时性要求较高，故上位机采用并行结构完成多路信号的采集和控制。多路传感器信号经过采集和处理后，在单片机中须通过串口将有效数据打印出来，所有字符串最终通过XBEE 模块传输给上位机进行处理。具体工作流程如图4所示。

3.2 上位机软件设计

上位机软件设计包含系统参数设置、实时数据显示、历史曲线、手动控制等功能［9］，主要完成对环境参数的实时监控，并对各个参数的上下限报警值完成参数设置。一旦系统中某个参数超出设定阈值，软件界面立即产生指示灯报警，另一方面系统可根据报警的参数进行系统参数调整。例如，当系统界面监测到光照参数小于设定的下限值时，表示作物接收的光照强度过弱，上位机将立即给下位机一个开启照明设备的信号，此时照明设备开启。当系统一切恢复正常后，报警灯将消失，同时相应的设备也恢复到默认的状态。

图4 上、下位机配合工作流程图

LabView 程序设计分为前面板设计和程序框图设计两部分，其中程序结构框图是核心部分，整个系统程序结构框图采用3个线程，分别完成温度、湿度、光照的参数配置、数据报警预设以及数据的存取［10］。前面板是程序运行的显示界面，即人机接口界面，操作者可直接在该界面上清晰地了解实时数据的变化，并可直接进行参数配置和调整以及手动控制等功能。上位机的程序结构框图及界面设计如图5、图6所示。

4 实验测试与结果

为测试监控平台的实时性，配置好系统参数后，分别将光照上限参数设置为15lx，湿度上限参数设置为50%，温度上限参数设置为20 ℃。待系统工作一段时间，对温度传感器进行加热处理，对湿度传感器进行水蒸气加湿处理，对光照传感器进行遮光处理，很快软件监控界面出现报警显示，如图7所示。经过多次测试，该系统均能表现出较好的实时性。

图5 部分程序结构框图

图6 程序界面设计

结语

基于LabView 和XBEE 的智能农业无线监测系统，充分利用了LabView 友好的人机界面以及XBEE 远距离无线传输的功能，配合多种传感器检测装置以及执行装置，完成了环境参数的有效采集、传输以及实时监控和远程控制等，较好地实现了自动化的智能功能。针对“物联网＋”概念的逐渐推广和完善，此测试系统也可运用于其他领域中，如智能家居、无线探测、恶劣环境探测等。