基于传感器网络的智能温室数据采集系统设计
2023-07-20李丹李俊娟
李丹 李俊娟
摘要：随着数字农业技术的发展，农业物联网在现代农业中的应用受到广泛的关注。在此背景下，文章设计了一种基于传感器网络的智能温室数据采集系统。文章首先阐述了数据采集系统的整体组成，然后阐述了环境数据采集子系统、数据传输网络子系统和主控单元子系统的结构与功能，最后总结了设计方案的创新与不足。文章设计的系统在智慧农业工程研究中心的智能温室中调试与运行，实验效果良好。
关键词：智能温室；ZigBee协议；传感器网络
中图分类号：TP391
文献标志码：A
0 引言
随着数字经济和大数据技术迅猛发展，农业物联网的应用越来越广泛。农业物联网的数据采集系统在智能温室大棚中得到了很好的应用。作物在生长过程中对外界温湿度、二氧化碳浓度、土壤酸碱度等方面具有非常严格的要求，所以这些指标的数据采集就显得至关重要。及时对温室的环境进行数据分析可以有效规避风险的发生，较好地保证作物生长和产品质量的提高。
传统大棚存在很大的局限性，工作效率低、干扰因素多、温控能力差，对作物单产造成一定影响。因此，本文设计了一种基于传感器网络的智能温室数据采集系统。此项采集系统可以生成温室内的区域环境参数数据库，对采集的环境数据进行分析并生成报告。实时监测作物生长数据，间接地提高了单位时间的生产效率，为实现精确控制温室环境，远程智能控制，营造植物生产的舒适环境奠定了基础。本文为满足食品安全的需求，提供更好、更丰富、更安全的农产品提供了参考依据［1］。
1 系统整体设计
基于传感器网络的智能温室数据采集系统总体设计，如图1所示。从组成结构的角度进行设计，系统主要包括环境数据采集子系统、数据传输网络子系统和主控单元子系统三大部分。数据采集子系统主要包括空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、土壤pH值传感器、光照度传感器等传感器。数据传输网络子系統主要包括ZigBee终端节点、ZigBee协调节点、ZigBee路由节点等，实现无线网络通信的功能。主控单元子系统是由PLC模块、触摸屏等模块组成［2］。
从数据处理流程的角度进行设计，信源是环境数据采集子系统产生的数据，是包括各种传感器生成的光照度值、土壤pH值、空气温湿度值、土壤温湿度值等数据。数据传输信道包括采集子系统与传输网络之间的信道，传输网络的无线通信信道，传输网络与主控单元之间的RS485信道。其中传感器与传输网络的信道因传感器类型不同而有差异，可以包括RS485、UART、I2C信道等。信宿是主控单元子系统，主要完成数据特征提取、数据转发与显示和环境参数控制驱动等功能。
2 环境数据采集子系统设计
通过传感器与ZigBee无线模块之间的信息传输获取温室大棚中的环境参数，每个大棚内都会安装多个ZigBee无线模块传感器节点，准确监测温室环境参数空间分布带来的影响，获取更准确、更客观的环境参数数据［3］。
温室内的温度和湿度等环境因素对作物生长非常重要，及时监测和分析温室环境信息变化是指导农业生产、保证作物健康生长、提高农产品质量等的重要手段。选择传感器是建立数据采集系统的依据。温室大棚需要采集的数据种类繁杂、数量庞大，在传感器与ZigBee模块进行信息传输时存在一定难度。选用带有RS485串口的传感器，RS485通信采用的是差分信号。最大的好处是能抑制共模干扰。在温室大棚这个环境复杂的环境里抗干扰能力强，数据传输的可靠性得到有效提升［4］。
3 数据传输网络子系统
通信技术的不断发展，ZigBee技术的出现对于如何实现低成本、短距离、高质量的通信具有重要的意义。RS485总线通信传递不受障碍物阻隔、成本低。由于RS485总线采用有线通信形式，所以在布线困难的场所采用ZigBee无线技术，可以解决设备的有线连接问题，降低通信成本。ZigBee和RS485之间的信号转换可以方便地实现两种网络之间的通信，其信号稳定、数据传输方便，使RS485总线的适用范围得以扩大。RS485信号转换模块通过TTL电平与PLC子模块通信，实现TTL电平与RS485总线信号的转换。
3.1 ZigBee无线网络通信设计
通过农业物联网把农作物生长过程中的光照度值、土壤pH值、空气温湿度值、土壤温湿度值等数据收集起来，传输数据来和实时摄像头进行信息交互，充分发挥无线通信灵活便捷、无需布线的特点，有效规避传统有线方式存在的缺陷和不足。本文设计的智能温室监控系统通过上位机Modbus连接的ZigBee协调网关采集节点信息数据，传输给下位机PLC主控制器，实现对环境参数的灵活控制。基于ZigBee技术与RS485总线之间的信号转换，对数据帧格式进行分析，重建，数据处理和发送，实现温室数据信息传递。ZigBee无线网络通信是通过CC2530单片机建立的。一方面下位机通过RS485总线连接CC2530模块，将RS485信号转换成ZigBee协议信号输出。另一方面接收到ZigBee网络中的数据通过RS485信号在PLC设备上显示实现双向通信［5］。
将CC2530输出的TTL电平转换成RS-485信号后通过RS-485总线发送到PLC装置，或将从RS-485总线接收到的装置信号转换成TTL电平传送到CC2530数据处理芯片上。即通过Modbus网络到达ZigBee协调器，协调器再将指令进行转发。
3.2 Modbus网络通信设计
ZigBee智能終端将采集到的温室环境数据通过Modbus网络发送给PLC设备。当前土壤墒情数据采集通常采用综合型采集传感器，此种传感器广泛应用在智慧农业田间或温室中。土壤墒情综合数据传感器普遍采用RS485传输总线和Modbus通信协议与智能节点交互信息。Modbus通信协议主机询问数据帧组成包括地址码、功能码、寄存器起始编号、长度、校验码，一般是8个字节。例如，8个字节包括0x01，0x03，0x00，0x00，0x00，0x04，0x44，0x09，表示读取编号0寄存器起始的4个字节。Modbus通信协议从机应答主机的数据帧组成包括地址码、功能码、长度、数据1、数据N、校验码，一般是5+2 N个字节。例如，13个字节包括0x01，0x03，0x08，0x02，0x92，0xFF，0x9B，0x03，0xE8，0x00，0x38，0x57，0xB6，表示读取水分值、温度值、电导率值和pH值。
4 主控单元子系统设计
中国北方气候变化大，昼夜温差大，日照时间短，对作物生长不利。建设温室已成为提高作物生长速度的有效途径。同时，为增加农产品附加值，需要通过各种规制来提高温室环境规制体系的决策可信度、容错能力和稳定性。准确控制农业生产经营，准确科学控制化肥农药用量，有效控制农药残留率，从而保证农产品的质量安全。温室内植物生长因子较多，温室内环境因子之间存在很强的耦合关系。选择设计PLC主控制器环境参数控制系统，采用服务器-客户端终端控制方式。由传统的单一因素调控方式向多因素调控方式转变。可有效提高温室环境控制效果。在实验过程中受实际情况影响，选用USB转RS485接口和PC端模拟PLC在数据收集系统中对系统的控制［6］。
主控单元子系统采用西门子PLC200系列模块作为运算控制核心。一方面，主要完成任务功能是接收温室环境参数采集数据，进行初步的数据清洗与数据特征提取。然后，将数据转发到智慧农业工程研究中心的数据运算服务器上。同时，也将实时数据显示在本地触摸屏上。另一方面，接收智慧农业工程研究中心的环境参数调控驱动指令，输出信号进行控制植物生长灯、水肥滴灌设备、湿帘幕布设备等。本文主要阐述第一方面功能，即数据接收处理与数据传输。
西门子PLC主控单元软件编程采用梯形图语言，使用循环扫描的程序执行结构。每次扫描程序段依次完成任务功能包括RS485通信端口设备数据接收、数字量IO口设备数据接收、模拟量IO口设备数据接收、上位机控制指令接收、数据运算和输出驱动控制信号。其中RS485通信端口设备接收的数据包括光照度值、土壤pH值、空气温湿度值、土壤温湿度值等数据。根据作物类型不同和种植位置空间分布差异，RS485通信端口设备包括有线传感器节点和无线ZigBee通信节点。数字量IO口设备接收数据包括水泵变频运行反馈数据、湿帘水泵运行反馈数据、卷帘机展开反馈数据、卷帘机下限反馈数据、卷帘机收起反馈数据、卷帘机上限反馈数据、排气窗展开反馈数据、排气窗下限反馈数据、排气窗收起反馈数据、排气窗上限反馈数据、负压风机运行反馈、轴流风机运行反馈、生长灯运行反馈等。模拟量IO口设备数据包括水肥一体化水箱液位数据、水泵出口压力数据、水泵变频反馈数据等。输出驱动控制信号包括水泵变频启停、水箱出口电磁阀开关、药箱出水口电磁阀开关、滴灌电磁阀开关、喷雾电磁阀开关、喷灌机正转、喷灌机反转、喷灌机停止、卷帘机展开开关、卷帘机收起开关、排气窗展开开关、排气窗收起开关、负压风机启停、湿帘水泵启停、轴流风机启停、燃油热风机启停、生长灯开关等。
5 结语
基于Modbus和ZigBee的无线信息传输网络系统解决了网络覆盖小的问题，使蜂窝网络更加灵活，并大大降低了成本。为了降低环境因素的耦合率，选用了PLC，编程简单，抗干扰性强，安装开发负载小。在此基础上，对环境因素采用顺序控制方法。然而，环境因子初值的测量和计算仍然是一个很大的问题。受季节更替的影响，环境因子初值不稳定、不准确，冬、夏两季环境因子初值在适宜温度范围边缘波动。硬件设计采用PLC设备，根据温度环境特点对室内温度进行控制，对温室内的光照度值、土壤pH值、空气温湿度值、土壤温湿度值进行检测和采集。当然，由于时间和知识的限制，也有挑战，无论是硬件还是软件都不能适应复杂的环境，主要是自动温度控制，其他影响温度的环境因素还不完善，系统检测装置也不成熟。本文的下一步工作是实现适当环境参数区间的自动测量。
参考文献
［1］吴小峰，王艳红，李慧勇.基于LoRaWAN技术和ThingsBoard平台的智能温室大棚环境监测系统设计［J］.襄阳职业技术学院学报，2022（5）：74-78.
［2］李雅迪，韩佳芳，卞孝丽，等.基于物联网的智能温室大棚综合系统设计［J］.企业科技与发展，2022（6）：26-28.
［3］贾华，马坤.基于NB-IoT技术的智能温室监控系统［J］.电工技术，2021（15）：124-126.
［4］黄玮.基于LoRa的智能温室系统的设计与实现［J］.电脑与电信，2020（9）：63-66.
［5］王毅敏.基于物联网的智能温室农业大棚管理系统构建［J］.新农业，2019（22）：38.
［6］焦鹏邈，李波，白翠艳，等.节能型智能温室大棚控制系统［J］.物联网技术，2019（11）：74-76，79.
（编辑 李春燕）
Design of intelligent greenhouse data acquisition system based on sensor network
Li Dan， Li Junjuan
（Electrical and Information Engineering College， Jilin Agricultural Science and Technology University， Jilin 132101， China）
Abstract： With the development of digital agricultural technology， the application of agricultural Internet of things in modern agriculture has been widely concerned. In this background， this paper designed a kind of intelligent greenhouse data acquisition system based on sensor networks. Firstly， this paper expounds the whole composition of the data acquisition system. Secondly， the structure and function of environmental data acquisition subsystem， data transmission network subsystem and main control unit subsystem are described. Finally， the innovation and deficiency of the design scheme are summarized.The system designed in this paper has been debugged and operated in the intelligent greenhouse of the Intelligent Agricultural Engineering Research Center， and the experimental results are good.
Key words： intelligent greenhouse; ZigBee protocol; network of sensors
