冬季蔬菜生長環(huán)境自動控制系統(tǒng)的設計

韓英梅 趙建平

(曲阜師范大學 物理工程學院，山東曲阜 273165)

0 引言

隨著我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，蔬菜在保障人們身體健康和提高人民生活質量方面發(fā)揮了重要作用。冬季是蔬菜生產(chǎn)的淡季，其種類和數(shù)量相對較少。在寒冷的北方，蔬菜大多是在溫室內(nèi)種植的，氣候、光照等因素不利于促進植物的代謝和土壤中養(yǎng)分的吸取，從而降低了蔬菜的生產(chǎn)品質及經(jīng)濟效益。近年來，隨著無線通信技術、無線傳感器技術和控制技術等多種先進技術廣泛應用于溫室，溫室種植環(huán)境得到了很大地改善，蔬菜供給保障能力顯著提高，滿足了人們對多品種大數(shù)量蔬菜的需求。本文提出了一種自動化溫室控制系統(tǒng)，由分布于各個溫室的若干傳感器節(jié)點、設備開關節(jié)點、有限的路由節(jié)點和一個中心控制節(jié)點組成。該系統(tǒng)由管理人員直接通過電腦控制，控制簡易、可操作性強，可以根據(jù)各個溫室傳感器節(jié)點采集的環(huán)境數(shù)據(jù)信息控制溫室環(huán)境設備，節(jié)省了人力，極大地提高了工作效率，有效的實現(xiàn)了蔬菜生產(chǎn)環(huán)境的自動控制。

1 系統(tǒng)的整體設計

1.1 系統(tǒng)整體結構框圖

鑒于一般蔬菜溫室成排建筑的布局，系統(tǒng)由4種不同節(jié)點組成:控制節(jié)點、路由節(jié)點、數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點和設備開關節(jié)點，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點用來采集溫度、濕度、光照度、CO2濃度環(huán)境信息;設備開關節(jié)點用來控制所有環(huán)境調(diào)節(jié)設備 (加熱器、通風窗、補光燈)的開關;控制節(jié)點與PC機連接，組成該系統(tǒng)的控制中心;各個路由節(jié)點采用Mesh拓撲結構的無線傳感網(wǎng)絡組網(wǎng)，Mesh是一種新型規(guī)則分布的無線傳感器網(wǎng)絡結構，由于通常Mesh網(wǎng)絡節(jié)點之間存在多條路由路徑，網(wǎng)絡具有較強的容錯能力和魯棒性。因此用Mesh構建的本系統(tǒng)有很好的擴展性，組網(wǎng)容易，能實現(xiàn)對大規(guī)模溫室的自動化控制。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

系統(tǒng)的工作流程:各個溫室內(nèi)的傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給相應路由節(jié)點。所有路由節(jié)點開始均處于接收狀態(tài)，判斷接收數(shù)據(jù)是否正確，如果不正確將數(shù)據(jù)丟棄，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。每個路由節(jié)點只負責接收相應溫室傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收完畢后轉入發(fā)送狀態(tài)，將信息轉發(fā)到其它路由節(jié)點，最終將信息發(fā)送到控制節(jié)點。

1.2 傳感器節(jié)點設計

由于系統(tǒng)是由大量的傳感器節(jié)點構成，所以系統(tǒng)的性能的好壞取決于傳感器節(jié)點的性能，設計的關鍵是數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點。基于溫室環(huán)境采集的實際需要和采用電池給溫室中傳感器節(jié)點供電的要求，用來采集環(huán)境信息的傳感器節(jié)點由MSP430F169單片機、NRF403射頻收發(fā)芯片、STH11溫濕度檢測芯片、TSL2561光照傳感器組成，設計框圖如圖2所示。這些低功耗模塊的選擇保證了傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)的精度和準確度，降低了電池的消耗，減小了體積，在降低成本的同時提高了性價比。

圖2 傳感器節(jié)點框圖

用于控制調(diào)節(jié)環(huán)境設備開關的節(jié)點需要實現(xiàn)的功能比較簡單，它只需要接收路由節(jié)點控制命令來調(diào)節(jié)環(huán)境設備的開啟與關閉。所以只需選用MSP430F169低功耗單片機、NRF403射頻收發(fā)芯片和相應的控制接口電路即可實現(xiàn)其控制功能。

1.3 路由節(jié)點的設計

路由節(jié)點的作用是接收傳感器節(jié)點采集的環(huán)境信息并負責將信息轉發(fā)到其它路由節(jié)點，最終將信息傳送到控制節(jié)點。整個網(wǎng)絡路由節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸采用DSDV(目的排序距離矢量)路由協(xié)議，保證網(wǎng)絡的正常通信。由于每個路由節(jié)點不僅需要接收和發(fā)送自己的數(shù)據(jù)信息，同時還需要負責轉發(fā)其它路由節(jié)點的信息以及存儲節(jié)點路由表，因此對路由節(jié)點的控制器要有較高的要求。MSP430F169為16－Bit RISC架構，最高運算速度8MIPS之單芯片微控制器，60KB+256Byte的Flash模塊用于程序代碼和數(shù)據(jù)的存取，足以滿足路由節(jié)點對控制器的要求。另外，配以RF403收發(fā)芯片即可實現(xiàn)路由節(jié)點的功能。

1.4 控制節(jié)點的設計

控制節(jié)點由NRF403收發(fā)模塊和MSP430單片機組成并通過串口電平轉化芯片MAX323E與PC機相連，具體轉化電路如圖3所示。節(jié)點將接收到的信息通過PC機進行統(tǒng)計，將結果顯示給管理人員，便于農(nóng)業(yè)技術人員及時了解溫室環(huán)境信息，對數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計、存儲和管理。并結合適合蔬菜生產(chǎn)的各個設置參數(shù)，反饋信息給路由節(jié)點，由路由節(jié)點發(fā)送控制命令，啟動環(huán)境調(diào)節(jié)設備工作，創(chuàng)造蔬菜生產(chǎn)的適宜環(huán)境。

圖3 串口轉化電路

2 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計由各個節(jié)點的軟件設計組成。軟件采用了適合在硬件設計中使用的C語言，這里設備開關節(jié)點的軟件設計只需要接收控制節(jié)點的命令將單片機的相應端口置位，然后驅動繼電器來控制設備開關，比較簡單這里不再敘述。

2.1 路由節(jié)點的軟件設計

路由節(jié)點軟件部分主要采用了DSDV路由協(xié)議來完成數(shù)據(jù)之間的傳輸，該算法中每個路由節(jié)點同時保存兩個矢量表，一個是該節(jié)點到網(wǎng)絡中其他路由節(jié)點的距離(這里選擇跳數(shù));另一個保存的是要到達的控制節(jié)點需要經(jīng)過的下一跳路由節(jié)點。每個路由節(jié)點周期性的發(fā)送自己的路由表，其它節(jié)點根據(jù)自己的路由表和從相鄰節(jié)點收到的路由表來更新自己的路由表。具體過程是路由節(jié)點周期性的將以它為起點的到達控制節(jié)點的最短路徑廣播給其它的鄰居節(jié)點，收到該信息的路由節(jié)點將計算出的到達控制節(jié)點的最短距離與自己已知的距離相比較，若比已知的小，則更新路由表。最后路由節(jié)點選擇一個最短距離將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制節(jié)點。

2.2 傳感器節(jié)點軟件設計

由于傳感器節(jié)點與路由節(jié)點無線收發(fā)工作于同一工作頻帶，存在同頻干擾問題。因此，本設計采用分時技術將點對多點的通信方式轉化為點對點通信，傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前先發(fā)送查詢請求，然后啟動定時器等待接收應答，如果規(guī)定時間內(nèi)沒有收到相應數(shù)據(jù)應答，將重新發(fā)送查詢請求。節(jié)點的軟件設計采用定時器中斷驅動采集事件執(zhí)行方式。傳感器1小時采集3次信息，每20分鐘采集一次，當3次信息采集完成，將3組數(shù)據(jù)信息求平均值后發(fā)送。傳感器節(jié)點具體軟件設計流程圖如圖4所示。為了減小節(jié)點功耗，在節(jié)點程序設計方面讓各個芯片大部分時間處于休眠狀態(tài)，只有在定時器中斷時間到時，啟動各個芯片進行工作，工作完畢后轉入休眠狀態(tài)。

圖4 傳感器節(jié)點流程圖

圖5 數(shù)據(jù)幀格式

利用無線傳輸數(shù)據(jù)可能會存在各種干擾，為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，數(shù)據(jù)幀可以通過加幀頭、校驗位來解決干擾問題。具體數(shù)據(jù)幀格式設計如圖5所示。

2.3 控制節(jié)點軟件設計

控制節(jié)點的軟件主要是對環(huán)境因子調(diào)控設計。根據(jù)蔬菜不同生長發(fā)育階段對環(huán)境因子要求的不同，采取相應的調(diào)控措施改善環(huán)境因子是溫室蔬菜能否正常生產(chǎn)，獲得良好經(jīng)濟效益和社會效益的關鍵。本系統(tǒng)采用以下控制策略:對不同種類的蔬菜和不同的生長發(fā)育階段(種子發(fā)芽期、幼苗期、生長期、結果期)的不同設置不同的環(huán)境因子參數(shù)范圍，當參數(shù)超過設定范圍時，啟動環(huán)境調(diào)節(jié)設備工作，當溫度滿足設定的控制參數(shù)時，停止設備工作。以冬季茄子生產(chǎn)為例，具體環(huán)境因子調(diào)控方案的設計如表1所示。另外，本系統(tǒng)需要建立不同種類蔬菜生長環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)庫、溫室環(huán)境信息采集存儲數(shù)據(jù)庫、溫室控制參數(shù)的錄入和設定等。

表1 茄子生長環(huán)境調(diào)控方案

3 結束語

試驗完成后，2010年1月將本系統(tǒng)稍作改動安裝到小型連棟型溫室，對溫室環(huán)境進行了監(jiān)測，表2為茄子生長中的溫室溫度和濕度環(huán)境數(shù)據(jù)。經(jīng)過一段時間的測試后，可以看出控制系統(tǒng)提供的溫室環(huán)境適合茄子的生長要求。該蔬菜生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)，通過傳感器節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)，由設備開關節(jié)點來調(diào)控溫室環(huán)境，完全實現(xiàn)了整個溫室環(huán)境信息的無線采集，采集點機動靈活，克服了傳統(tǒng)溫室有線控制系統(tǒng)布設復雜的問題。無線傳感器網(wǎng)絡的搭建使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，另外微型低功耗傳感器節(jié)點的設計降低了節(jié)點的功耗和體積，為溫室數(shù)據(jù)的采集帶來了極大地便利，也為解決長期困擾北方地區(qū)的蔬菜淡季供應問題、增加農(nóng)民收入、節(jié)約能源、提高人們的生活水平做出了貢獻。另外，由于本系統(tǒng)具有成本低、性能可靠、操作方便等特點，具有非常廣闊的市場應用前景。

表2 溫濕度測試數(shù)據(jù)

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