基于WSN的农作物光环境调节系统设计

张校磊，陈俊丽

(山西华澳商贸职业学院 计算机科学系，山西 太原 030000)

基于WSN的农作物光环境调节系统设计

张校磊，陈俊丽

(山西华澳商贸职业学院 计算机科学系，山西 太原 030000)

温室技术是反季节作物培养的重要手段，是我国农业生产中不可或缺的组成部分。但在温室生产过程中，常遇到光照不足的问题。而传统的补光系统控制方式粗放，常导致补光过量或补光不足。针对于此，拟设计一套农作物光环境调节系统。系统可以根据作物的光合需求进行精量化的补光，可最大程度地满足任务的光合需求，对促进作物生长和提高作物产量有较大的帮助。

WSN；光环境调节；ZigBee

随着农业科技的发展，温室大棚得到了广泛的应用。这使得农作物可以在本不适合生长的季节生长。但在现阶段，我国温室大棚的科技含量普遍不高，多数温室设施只能满足作物对温度的需求，在对光照环境的调控方面却有着明显的不足，许多大棚中没有安装补光设施，部分安装了补光设施的也存在照度不合理、能耗过高及控制方式单一等多方面问题[1]。而光照是农作物光合作用的基础，是作物生长的重要条件。适宜的光照条件对作物的产量和品质都有着极其重要的作用。本文设计了一套农作物光环境调节系统，可对环境光数据进行实时采集并对采集到的数据进行分析，再按照作物对光子能量密度的需求进行精准的补光。

1 需求分析

1.1 差异性需求

所谓差异性主要体现在两个方面，即温室个体差异及作物种类差异。

1.1.1 温室个体差异

温室的材质、结构、环境等因素都会造成其光环境的差异，如温室材质的差异会造成透光率的差异、温室所处环境的差异会造成表面灰尘覆盖的差异等。因此，本系统对环境光的感知和调节需要以温室为单位进行，即不同温室进行独立的调节。

1.1.2 作物种类差异

不同种类作物对光照环境的需求有所不同，即光合作用特性差异。因此，系统要能够根据不同作物对光线的需求进行决策模型和调节参数的调整，以实现最佳的补光效果。

1.2 灵活性需求

温室内所种植的任务可能会因市场、季节等多方面的因素进行调整，故作物植株的高度及种植密度等都是不固定的。同种作物的不同生长阶段的位置和高度等也是不固定的。因此要求系统可灵活方便地布设和调整，即补光设备的布放位置、布放高度及布放密度等都应足够地灵活方便。

1.3 针对性需求

通过查阅文献可知，不同波段的可见光对光合作用有着不同的影响。比较典型的是绿光会被叶绿体反射和透射，从而抑制光合作用；蓝光可促进叶绿素和胡萝卜素的吸收，使叶绿体更活跃，可促进光合作用；红光对叶绿素的吸收率最低，对光合作用的效率有明显的提升作用；其它波段的可见光对光合作用的影响相对较小[2]。针对光合作用的这一特性，本系统采用对光合作用有着明显促进作用的红光和蓝光进行补光。在光源的选择上，我们选择了LED矩阵式光源。其具有窄带和能量集中的特性，相较普通光源其发热很小，对环境温度的影响不大，在能耗方面也有着非常明显的优势；另外可通过多种方式对其亮度进行调节，适用于本系统。

2 系统总体设计

结合需求分析，我们对作物光环境调节系统采取了模块化的设计，即将环境光信息采集、分析与决策和补光设备等独立设计，这样可根据实际的应用场景灵活地调节与部署。再根据不同作物的光合需求分别建模进行分析并将结果数据植入分析与决策系统的软件中，实现针对不同作物的专属智能控制。

网络搭建方面，我们选择了无线自组织网络，即各模块间通过ZigBee技术进行网络联接和数据传输，为系统模块之间的信息传输提供了可靠的底层网络支持。ZigBee网络不但进一步提升了部署和调节的灵活性，相较其它类型的无线网络，ZigBee在功耗、成本和可靠性方面也有着较强的优势[3]。

我们将网络架构与系统各模块进行了整合设计，即系统各模块除了具有自身的系统功能外还兼具组网与数据传输功能。这样可以更好地满足分区域监控和灵活性等方面的需求。系统由环境自然光监测模块、智能补光模块和智能控制模块组合构成。各功能模块均集成了CC2530作为网络处理核心作为ZigBee网络中的节点。系统架构如图1所示。

图1 系统架构

系统中各类型节点的功能如下。

2.1 智能控制节点

网络功能方面，智能控制节点是整个ZigBee网络中的根节点。可完成ZigBee网络协调器的功能，对网络中的组网信息和网络节点进行协调和管理。

系统功能方面，它是系统的服务器。其内置多种作物的光合需求模型数据，并能够接收环境光监测节点发来的环境光信息，通过综合分析运算得出作物当前应补充红光、蓝光的具体数据，再将其转化为控制信息发送至相应的补光节点，由补光节点完成精确补光操作。

2.2 环境光监测节点

网络功能方面，环境光监测节点是整个ZigBee网络中的路由节点。负责网络状态的维护、与其它路由节点的信息交互、监测数据与控制数据的双向转发等。

系统功能方面，其上集成有光传感器，能够周期性地采集温室内的环境光信息，并将环境光信息发送至智能控制节点供其分析。

2.3 补光节点

网络功能方面，补光节点是整个ZigBee网络中的叶子节点。可自动搜索ZigBee网络并发送入网信息以加入网络。

系统功能方面，其上集成有驱动控制器和专用的LED补光设备。驱动控制器可将智能控制节点发送来的控制信息进行解析并发出驱动信号，以驱动LED补光设备进行精确的补光。

3 硬件设计

3.1 智能控制节点的硬件设计

智能控制节点主要负责网络的ZigBee协调器功能和系统的服务器功能，需要管理全部网络节点、存储作物光合需求模型、运算分析以及生成并发送控制指令等。综上，我们选择了CC2530作为智能控制节点的核心，CC2530是德州仪器生产的一款片上系统，其结合了业界较为先进的ZigBee协议栈，可以充分满足智能控制节点作为ZigBee协调器的功能需求。另外，CC2530还内置了增强型8051CPU、可编程闪存以及丰富的I/O接口等[4]。可以充分满足智能控制节点在系统功能方面的需求。智能控制节点的硬件结构如图2所示。

图2 智能控制节点硬件结构示意图

为了更方便进行人机交互，我们在CC2530模块接入液晶显示屏和人工控制按键。显示屏接入P0_0、P1_2、P1_5、P1_6数字I/O接口，人工控制按键接入P0_1、P0_6和P2_0等数字I/O接口。其中P0_1接入控制模式切换按键，可进行自动控制模式和人工控制模式的状态切换。P0_6和P2_0接入系统控制热键，系统一般处于自动控制模式，当按下该模式切换按键后，用户便可根据自身工作经验通过系统控制热键来进行手动补光操作，显示屏显示相应信息。

为了能够准确获取系统时间，我们在P0_2、P0_4和P0_5接口上联接了DS1302时钟芯片。DS1302具有涓流充电和低功耗等显著优势。

3.2 环境光监测节点硬件设计

环境光监测节点是ZigBee网络中的路由节点，负责补光节点和ZigBee协调器间的数据转发。同时其也负责环境光数据的采集，并将数据发送至智能控制节点进行分析。因此，我们同样选择CC2530模块作为环境光监测节点的核心处理模块，并在其上加入环境光传感器进行环境光信息采集。另外，由于作物光合作用同时需要二氧化碳的参与并在一定的温度下进行，在作物光合需求模型也需要二氧化碳浓度和温度数据。因此，我们在环境光监测节点上集成了二氧化碳深度传感器和温度数据器，为系统功能的进一步扩展打好基础。硬件结构如图3所示。

图3 环境光监测节点硬件结构示意图

其中，环境光传感器方面我们选择了美国戴维斯仪器公司(Davis Station)生产的太阳辐射传感器，型号为6450VantagePro。我们将其接入CC2530模块的P0_7数字I/O接口，完成环境光的数据采集。此款传感器被广泛应用于气象站等气象监测系统中，具有监测范围大和分辨率较高等特点，在满量程状态下其探测精度可达正负5%。其各项技术指标均符合本系统需求。二氧化碳传感器我们选用了GSS-COZIR传感器，其为英国GSS公司生产的第三代产品。功耗仅为3.5mW，有效测量范围却可达5000ppm，是一款超低功耗的高精度二氧化碳传感器。温度传感器方面，我们选用了DS18B20数字温度传感器。其体积小、硬件开销低、抗干扰能力强且探测精度较高[5]。这是一款被广泛使用的温度传感器，可靠性和耐久性都久经市场检验，非常适用于本系统。

3.3 补光节点的硬件设计

补光节点是ZigBee网络中的叶子节点，负责接收智能控制节点发来的补光控制信号。另外其集成有补光灯具和驱动控制模块，驱动控制模块执行相应的控制信号来控制补光灯组。

由需求分析可知，红光和蓝光是对作物光合作用产生积极影响的两种光线。因此，我们选择了红蓝两色LED光源作为补光灯组。红蓝两色LED灯珠按等距陈列方式均匀排列于基板之上。补光节点的硬件结构如图4所示。

图4 补光节点硬件结构示意图

电阻调节和脉冲宽度调制是LED亮度调节的两种主要方式。电阻调节即为通过调整电阻值的大小改变通过LED的电流，从而实现高度调节的目的。这种方式原理简单，但难以实现高精度调节。这种亮度调节方式不能满足系统对精度补光的需求，故不适用于本系统。脉冲宽度调制(PWM)是通过周期性的改变脉冲宽度(占空比)实现对LED亮度的调节。这种方式可以精确地控制LED的亮度，可以满足本系统对于精确补光的需求。

我们将CC2530模块的P1_5和P1_6接口设计为红蓝LED的开关接口，即输出红蓝驱动模块的电源通断信号。P1_0和P1_1接口输出红蓝LED的PWM控制波形信号至驱动控制模块。我们在LED灯组的驱动控制模块中集成了PT4115驱动控制芯片和PC817型光电耦合器。PWM波形信号经PC817光电耦合器完成信号隔离，再经PT4115 芯片调制后输出相应的恒直流，达到精确控制LED灯组亮度的目的。

4 软件设计

4.1 智能控制节点软件设计

智能控制节点作为ZigBee协调器，其软件执行的主要功能包括ZigBee网络的组建与管理、监测数据的汇聚及数据处理、网络节点的管理等。系统在加电运行后首先进行初始化操作，之后便开始进行信道选择并组建ZigBee网络。之后智能控制节点进入数据包接收状态，根据所接收的数据包类型差别，调用相应的处理程序。如接收到监测数据，则调用相应的作物光合需求模块程序进行数据分析，并根据分析结果发送相应的补光指令；如接收到节点入网请求，则调用相应的节点入网程序；如接收到指令执行的反馈信息，则调用反馈处理程序。如图5所示。

图5 智能控制节点软件流程

4.2 环境光监测节点软件设计

环境光监测节点的软件任务主要为两方面，第一是将传感器采集到的环境光、二氧化碳浓度及温度等信息进行解析并上传；第二是转发其它节点发来的数据，包括上传和下传。软件流程如图6所示。

其中扫描无线网络、加入网络和环境数据发送等三部分都设置有重发机制，即未扫描到无线网络则重新扫描、入网请求未通过则重新发送入网请求以及环境数据发送后末接到确认信息则重新发送。环境数据由传感器周期采集，到达采集周期时接收环境数据并解析，将解析结果发送至智能控制节点。

图6 环境光采集节点软件流程图

4.3 补光节点软件设计

补光节点软件主要执行数据包的接收、传输以及驱动控制补光设备等功能。其中，数据包接收主要指由智能控制节点直接发送的和经路由节点转发的控制指令数据；数据传输是指将指令执行结果的反馈信息发送至智能控制节点；驱动控制是指将控制指令转化为PWM信号。软件执行流程如图7所示。

图7 补光节点软件流程图

结束语

本文设计了一套基于无线传感器网络的农作物光环境调节系统，本系统由以CC2530为核心的智能控制节点、环境光采集节点和补光节点构成，采用ZigBee协议实现网络自组建和数据的传输。系统内置了环境光分析软件，可依据作物光合需求模型精确计算出作物对红蓝光的需求量，可以实现精量化补光。

[1]何蔚，杨振超，蔡华，王达菲，王晓旭.光质调控蔬菜作物生长和形态研究进展[J]. 中国农业科技导报，2016(02): 9-18.

[2]陈强，刘世琦，张自坤，等. 不同LED光源对番茄果实转色期品质的影响[J].农业工程学报，2009，25(5): 156-161.

[3]何龙，闻珍霞，杨海清，等. 无线传感网络技术在设施农业中的应用[J]. 农机化研究，2010，32(12): 236-239.

[4]郭文川，程寒杰，李瑞明，等. 基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统[J]. 农业机械学报，2010，41(7): 181-185.

[5]Dam TV, Langendoen K. An adaptive energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks[J]. International Journal of Computer Applications, 2015,67(7):23-27.

ClassNo.:S126DocumentMark：A

(责任编辑：宋瑞斌)

AWSN-basedDesignofLightEnvironmentControlSystem

Zhang Xiaolei，Chen Junli

(Department of Computer Science，China Australia Business School of Shanxi,Taiyuan，Shanxi 030000, China)

Greenhouse technology is an important means to cultivate off-season crops, and is an indispensable part of agricultural production in china. But in the process of greenhouse production, the problem of insufficient illumination is often encountered. And the fill light system of traditional is extensive in control mode, often leads to excessive or insufficient fill fill. In view of this, we design a set of crop light environment adjustment system. The system can precise fill light according to the demand of crop photosynthesis of light, can satisfy the demand of the task of photosynthesis, promote crop growth and increase crop production has a great help.

WSN; light environment control; ZigBee

张校磊，硕士，讲师，山西华澳商贸职业学院。

2096-3874(2017)11-0051-05

S126

A