智能温室系统测试与误差补偿设计

袁淑萍，杨 建

（江苏联合职业技术学院 盐城生物工程分院，江苏 盐城 224051）

本课题是基于物联网技术的智能精确农业管理系统，在设计中结合当地天气气候环境与地域土壤特点，对传感设备以及无线通信设备的选择与安装都进行了周密考虑。在设计开发过程中，结合当地温室大棚的实际情况，对基站网络部分以Zigbee无线自组网的形式实现站点的网络布线，并且用G200型无线信号发送接收装置与GPRS实现空中对接，从而将温室数据链接到Internet网络中供更多的用户使用。在设计与开发过程中，遵循系统需求，进行总体分析，详细设计，同时也对系统的抗干扰能力进行分析与探究。

1 底层无线网络Zigbee组建与测试（基站实现）

1.1 底层无线网络Zigbee组建

本课题在硬件设计中采用模块化方式，内部网络（底层zigbee无线网络）中的终端节点包括，数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块、电源模块组成。

在底层无线网络中数据传输采集部分包括：终端传感器、路由器设计、协调器（网关设备）设计、温室环境控制装置。基站服务平台通过Zigbee网络以点对点的形式与温室中的多个传感器（温度、湿度、光照强度、二氧化碳等）建立通信。在与基站服务平台连接之前，先将Zigbee网络（传感器、路由器、协调器）进行自组网以实现多跳网络结构。网关节点采用串口通信技术以便将监测的温室数据通过串行通信接口直接传输级基站的监控中心，在网关节点中包括，CC2420无线通信模块、ATmega128L数据处理模块、RS232串口通信模块、电源模块（干电池），将网关节点（主节点）通过串口线与PC机相连接，通过串口调试显示主节点数据传输的情况。这样可以对网关节点（主节点）与其他节点（包括路由节点、终端传感器节点）的通信是否正常，当通信正常后说明自组网络成功。

1.2 G200型设备与上位机的连接

底层无线网络与高层GPRS连接采用G200设备，G200设备与上位机的连接要看上位机的机型情况，有TTL电平、RS232电平、RS485电平，但是G200型设备为TTL电平，在本实验中采用的是RS232机器，首先对G200设备进行设置其工作参数，使用专用的接口板（G200JK）和九针串口连线将G200与计算机相连，经过TTL-232连接电平转换后实现G200设备与上位机的连接。在计算机上运行GPRS模块测试软件即可对G200模块进行设置和测试。

2 安装测试过程中的问题与解决方法

由于盐城市处在临海近区，学校的温室土壤的盐碱成分很高，因此，在具体设备安装过程中，要考虑到盐碱腐蚀设备的可能性，除了将设备悬挂外，还需要防止空气湿度中的盐碱造成设备腐蚀影响，我们采用透明防潮不完全封闭罩实施保护，尽量减少影响。正由于此类因素的存在，对传感设备与通讯设备都有了一定的数据不稳定，导致信号的削弱。另外，学校的温室附近还有一座移动通讯公司的发射塔，这也对温室通讯设备一定的信号干扰。针对这些影响信号传输的不良因素，我们采取一定的措施。

首先，将发射模块加大发射的功率，对发射天线进行了改装，重新组合电感线圈，延长天线，使得能够增强信号的强度。同时，采用硬件抗干扰措施，合理布局硬件设备，将强弱电路进行错位布局，同时在电路中增加滤波、去耦技术。在温室中我们采用不同的距离、不同的设备高度，尽可能地设置一些干扰障碍，确保数据能够比较准确地发送与接收。

其次，传输的数据有各种因素带来的误差，这些误差除了上述硬件自身原因与外界电磁场的干扰外，还有传感设备自身原因，如在温室中传感器测量得到的温度与标定的温度计测得的值就可以看出误差的存在，标定温度计的精确度要比传感器测量的值高。在完成硬件与软件安装调试后，进行一定的硬件抗干扰措施后，对温室环境数据进行标定测试。在实验标定中一般是通过比本身温室采集传感器更为精度高的仪器来进行实验标定，本课题实验过程中采用的是高精度便携式数字温湿度计MT6600（配湿度传感器），其测量范围：温度（-40～85℃）；湿度（0%～100%RH），测量准确度：±0.3℃；±1.5%RH；精确值：0.1℃，0.1%RH。

温室环境温湿度用高精度便携式数字温湿度计MT6600进行测试，结果与温室中布控的温湿传感器模块SHT71所采集的温室实际测量的数据进行比对，从图1中可以观察出，实测温度与温度计测得的曲线并不能完全重合，有些分段处存在较大的误差。湿度也同理。我们用数学中的最小二乘法对所测得的数据进行补偿。在这里我们取测量曲线的某一时段的上升沿或下降沿来拟合测量的数据与标准化的数据（这个标准化数据是通过标准温度、湿度计来实际测得的，并且这段数据近似一条直线）。选择某段区间的数据（大概每10分钟采集一次数据），经过反复地试验，得到拟合方程：φ1（x）=9.50+1.98x，但是标准湿度计测定的温度方程是：Y（x）=9+2x，所以我们在系统程序中对此做温度补偿，在每一次采集到的数据减去0.45，这样经过数据校正，从数据采集实时监控曲线图中，采集曲线更接近标准曲线。同理湿度也可以通过这样的拟合方法得到拟合方程：φ2（x）=53.50+2.12x。经过温湿度补偿后，数据采集精确度有了一定的提高，温度误差控制在±0.5℃，湿度误差控制在±1.5RH。经过多方面的调控，温室信息基本趋于比较精确的测量数据，有利于把握到实时农情，智能化农业管理得到更为广泛的推广运用。

图1 温度计与实测温度对比

再次，当温室环境遇到警戒需要开启相应设备进行调控时，不能实时进行开关阀门的把握，比如，温度升高到报警时，而喷水阀门启停与程序设置的参数变化不能协调一致等问题，要不断地修改程序参数，调试控制系统，解决及时补给问题。

3 结论

综上，本文对智能温室的硬件环境与软件环境作出简要说明，并且对底层无线网络的组建进行了布局构建，实现基站网络通信功能。在底层与高层GPRS通信部分用G200型设备进行两个网络的连接，在这个部分说明了G200设备与上位机的连接方式（TTL-232电平的转换）。同时对在传输过程中导致数据的误差进行有效地控制，将发射模块加大发射的功率，对发射天线进行了改装；用最小二乘法对所测得的数据进行补偿等措施。