现代智慧农业设施大棚环境监测系统设计

2020-09-02张玮

计算机测量与控制 2020年8期

张玮

(石家庄学院机电学院，石家庄 050035)

0 引言

我国是农业大国，农业关系着国计民生，对我国建成小康社会、决胜脱贫攻坚具有重要的意义。农业的做大做强根本上要依靠农业的现代化，而科技兴农则是其发展的必由之路。现代智慧农业设施大棚是农业现代化的一个典型代表[1]。一方面，它可以为作物提供适宜生长的基础环境，促进作物快速生长，并提高质量；另一方面，它将传统农业发展方式进行了改变，使农业生产不再被自然资源和土地资源牢牢束缚，为农业走向标准化、工厂化生产提供了有效路径。尤其是在北方地区，可使农产品不再受季节性限制，实现均衡可控的反季节上市，充分满足了社会的多元化、多层次的需求，农业经济效益显著提升，农民收入随之进一步提高。现代智慧农业设施区别于传统农业的核心技术就是农业设施环境的数字化采集和监测[2]。显然，用人工巡查的方式会耗用大量人力，工作量巨大，对于采集数据的实时性和有效性也保障较低。若采用有线数据采集监测系统，虽可以解决采集数据的实时性和有效性问题，但是无法避免大规模进行布线，因此就会存在布线复杂、布线成本高、不适于扩展的问题，所布线在大棚内的环境中，也不可避免会受到影响，系统传输的抗干扰性和系统的稳定可靠性都会降低。在设备设计寿命到来之前，就会出现过多维护，增加使用成本[3]。针对以上问题，采用无线传感器网络，借助低功耗近距离组网通信技术，设计了大棚环境监测系统，实现智能监测，无线传输，大量减少了劳动力，大大降低了劳动强度，降低了布线成本和维护难度，提高农业生产效率。

1 系统架构及原理

1.1 系统结构设计

针对大棚中重要的环境参量(温度、湿度、光强度、二氧化碳浓度)，系统采用模块化设计，终端传感器模块采用了无线传感器网络架构进行定义，为防止传输线路中节点故障导致数据传输中断，在传感器节点布置中，每一传感器节点的覆盖范围内都包含另外两个节点。根据测量的需要，可布置在任何所需位置，可进行方便地移动，具有小巧和自适应的特点。数据的传输依照路径最短原则进行[4]。终端传感器节点负责采集环境参量数据，并使用无线网络传输数据，协调器将收集的信息通过RS232传输给主机，主机系统实现参量数据的实时显示、存储、查询、删除等功能。系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意

1.2 使用的无线网络技术原理

根据本系统的设计目的和要求，选择使用ZigBee技术来实现无线组网通信。ZigBee是在IEEE802.15.4标准基础上建立的协议框架，由此标准所定义的个人区域网络的特征很多是与无线传感器网络的特征是相似的。因此很多研究机构也将它作为无线传感器网络的通信标准[5]。它所工作的频段属于免费公用频段2.4 GHz，在智能家居、工业监控、交通安防等方面有着广泛的应用。

数据经过路由器所产生的延时，就必然会带来能量的损耗，而数据在无线网络中的传输往往还会通过多个路由器才能完成。因此消息传递的路径损耗是不可避免的。对此ZigBee系统采取了一定的架构策略，比如让网络核心位置路由器短暂停止工作，期间由其它路由器完成需转发的消息，这样就可以避免该路由器因位置核心、消息不断、不得休闲而导致的能量损耗很快的情况。ZigBee的协议栈比较特殊，特殊之处在于协议栈所使用的事件轮循机制。当ZigBee的4个层初始化完成之后，整个系统以低功耗模式状态运行。在这一过程中，一旦有事件发生，系统状态就会马上发生改变，从低功耗模式中被唤醒，转入到事件的中断处理之中。在事件发出中断请求，系统响应中断，然后保留中断的断点，完成中断服务子程序直到恢复站点中断返回，这一完整过程结束之后，系统会重新以低功耗模式状态运行。如果遇到不同的事件却在同一时间发生的状况，系统将会依照优先级的不同，按照事件优先级从高到底的顺序依次处理。ZigBee技术有工作和休眠两种模式，在工作模式中，数据的传输速率不高，并且传输数据量有限，很短的时间内就能完成数据的收发。只要不工作，ZigBee节点就会以休眠状态存在[6]，功耗很低，一般的电池工作时间可以达到1年。相较于其它无线传输技术而言，ZigBee协议栈要简单的多，因而对控制器的要求较低，8位单片机及规模很小的存储器就可以满足它的需要，具有系统开发成本低的特点。ZigBee具有很多种样式的网络拓扑结构，可根据不同的系统设计需求，选择可满足需要的拓扑机构[7]，具有灵活性强的特点。

2 硬件部分的设计

2.1 节点电路模块

为了解决目前棚内环境监测系统使用有线系统的成本高，布线复杂等问题，在硬件电路设计上使用了无线传感器网络节点。棚内环境参量中的温湿度，光照强度，二氧化碳浓度等重要参数数据并不需要节点处理器有很高的的处理能力，所以选择TI公司的第二代ZigBee/IEEE802.15.4 RF收发器CC2530作为核心。工业级增强型8051微控制器内核集成在CC2530片内，具有较高的灵敏度和较好的连接性能[8]。节点硬件结构如图2所示。

图2 节点硬件结构图

CC2530芯片，不仅具有较高灵敏度的无线接收能力，而且功耗很低，这得益于它所采用的三种运行模式：休眠模式、唤醒模式和中断模式[9]。在功耗最低的休眠模式下，电流消耗仅有1 μA。在休眠模式中，系统可被外部中断所唤醒，从休眠至激活的时延仅为15 ms，有效降低了系统的功耗。以CC2530为核心，仅需较少的外围电路就可以建成较强大的网络节点实现快速组网。

2.2 温湿度传感器模块电路

本系统中的温湿度传感器模块是要将环境中的温湿度信息进行实时精准的采集，并发送给微处理器。在设计中所采用的是瑞士Sensirion公司推出的数字温湿度传感器SHT21。它的可适电压范围为0.4～5.5 V,本系统选择3.3 V供电。在设计电路时，为了达到去耦滤波的目的，专门在VDD和GND之间串接了一个10 μ的电容，其电路如图3所示。

图3 温湿度传感器电路图4 光照强度传感器电路

SHT21将温度补偿和标定数据都集成在了内部电路，体积更小，功耗更低，采用了独特的电极分布和镀膜技术，使感应器在高湿环境下能够避免被氧化，从而使其在高湿环境中性能更加稳定[10]。

2.3 光照强度传感器模块

对于太阳光照强度参数的采集，本系统采用的是TAOS公司生产的TSL2561可编程光强度数字转换芯片。TSL2561内部分别集成了光敏二极管、红外响应光敏二极管以及可将光敏电流信号量转成数字量输出的积分式A/D转换器。同时，其内部拥有16个寄存器，这些寄存器都可以被微控制器所读写，通过读写，微控制器便能对TSL2561进行控制。电路如图4所示。

TSL2561的工作电压范围是2.7～3.5 V,具备提供20 bit动态范围的近适光响应的能力，能够自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动[11]，具有功耗低，速度高，量程宽，配置灵活等优点。

2.4 二氧化碳传感器模块电路

选用Cambridge CMOS Sensors(CCS) 半导体公司设计制造的微型低功耗二氧化碳气体传感器CCS811。电路如图5所示。

图5 二氧化碳传感器电路图

CCS811支持多种低功耗优化测量模式，基于主动传感模式和空闲模式不同，每小时的功耗在360 μW～72 mW之间。CCS所独有的微加热板技术应用于CCS811之中，使得它与传统的金属氧化物气体传感器相比[12]，简化了设计，更加稳定可靠。工作电压范围1.8～3.6 V。

2.5 电源模块电路

为满足不同模块对供电的需求以及节点的便捷性，需要设计一个外围电源转换电路。采用LM1117将USB接5 V电压转换输出3.3 V，电压精度在1%之内，同时它提供电流限制和热保护，为了改善瞬时响应和稳定性，可在输出端增加一个10 μF的电容来实现。

3 软件设计

3.1 协调器软件设计

软件设计基于由TI公司推出的与CC2530芯片相配套的ZigBee 2007/PRO协议栈和IAR集成的开发环境。传输网络的核心是协调器，要先由协调器进行组网，同时对设备初始化，并选择最优的网络信道，然后等待终端采集节点加入网络。通过判断，只允许合法的终端节点加入网络，加入的节点对所对应采集区的数据进行采集并传输给协调器，再由协调器送入PC主机，程序流程如图6所示。