基于CC430的設施農業環境信息監測系統

摘要：為了有效監測作物生長的各種環境要素，針對復雜的設施農業環境設計了一種基于CC430單片機的設施農業信息監測系統。利用分布在設施農業大棚中的各個CC430傳感器節點來監控作物生長的各種環境要素，將各個子節點采集到的數據通過無線傳感網絡發送給主節點，并通過主節點把環境信息匯總到上位機。上位機程序采用LabVIEW軟件編寫，實現實時的環境要素數據的波形顯示和存儲，同時參照一些農作物生長環境要素進行相應的提醒與報警。試驗結果表明，該系統能成功采集設施農業中各個環境要素數據，并通過設定要素閾值來進行報警提示。

關鍵詞：CC430；無線傳感網絡；LabVIEW；設施農業；作物生長；環境要素；監測系統

中圖分類號： TP277；S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0414-02

收稿日期：2013-10-28

基金項目：中國博士后科學基金（編號：2013M541505）。

作者簡介：王克甫（1976—），男，河南鄭州人，碩士，講師，研究方向為電子技術與自動化。E-mail：wkf1976@126.com。設施農業通過利用人工建造的設施，使得傳統農業逐步擺脫自然的束縛，走向安全、高效和高產的現代化農業[1]。設施農業控制的核心是通過監測設施農業環境內的各個要素參數，根據實際需求與要素設定值改變環境各要素參數，如溫度、濕度和煙霧濃度等，使作物能生長在合適環境下，達到最佳生長狀態[2]。但是目前對于設施農業大棚內各個環境要素的監控主要通過人為觀測來實現，不僅耗費人力、物力和工時，而且無法實現實時的報警監測，因而難以實現各個要素的有效監控。近年來，隨著物聯網和無線傳感網絡技術的不斷發展，技術的應用逐步深入國民生活的方方面面[3]，而二者的核心技術之一的射頻識別技術（radio frequency identification，RFID）是整個無線傳感網絡發展的支撐點[4]。本試驗采用CC430單片機設計了農業大棚環境參數監測系統，當環境參數超出預設的適宜生長范圍時會自動發出報警，并通過長時間的監測建立作物生長模型，指導合理耕作。

1系統結構設計

基于CC430的設施農業環境信息監測系統主要包括溫度傳感器子節點、濕度傳感器子節點、氣敏傳感器子節點、主節點、RS232接口和LabVIEW框架下的計算機系統[3]（圖1）。溫度傳感器子節點、濕度傳感器子節點和氣敏傳感器子節點用來檢測設施農場內環境的溫度、濕度以及煙霧濃度等參數信息；主節點用來接受各個子節點發送來的數據，并將數據打包處理后通過RS232通信接口發送給上位機；計算機系統用來接收由路由節點發送來的數據包，并對數據包進行解包處理，分別顯示溫度、濕度和煙霧濃度等設施農場內的環境參數曲線以及形成相應的報警提示等功能[5]。

2采集電路硬件設計

傳感器子節點主要包括傳感器、數據預處理電路、無線數據收發器組成，設計框圖如圖2所示。

傳感器主要用于感知農業環境中的溫度、濕度和煙霧濃度等各種信息數據，將外界信息轉化為電信號；數據預處理用來對傳感器傳輸來的電信號進行放大濾波，使得電信號的幅值和頻率等參數滿足單片機CC430F6137的要求。CC430F6137作為無線收發器的主控單元，用來完成對農業環境信息數據的采集和無線傳輸，無線傳輸包括參數設置、數據格式轉換和無線協議設計等；無線匹配網絡用來實現網絡節點之間可靠的無線數據傳輸。

2.1溫度傳感器

溫度傳感器選用達拉斯公司生產的DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20的檢測范圍為-55～125 ℃，最高分辨率達12位，精度能夠到達±0.5 ℃，完全可以滿足農業設施的環境要求。同時DS18B20具有先進的單總線數據通信功能，大大簡化了硬件電路設計，使用方便、可靠性強；內置EEPROM，具有限溫報警功能；64位光刻ROM，內置產品序列號，方便多機掛接。DS18B20具有3個引腳，1引腳接電路信號地（GND）；2引腳作為數字信號輸出，需要接47 000 Ω上拉電阻，上拉電阻接+3.3 V電源；3引腳接電源+3.3 V[6]。

2.2濕度傳感器

濕度傳感器選用廣州奧松公司生產的DHT11濕度傳感器。DHT11濕度測量范圍為20%～90%RH，濕度分辨率達8位，精度達到±1%RH，完全可以滿足農業設施的環境要求。DHT11具有4個引腳，1引腳接+5 V電源；2引腳為輸出端，接CC430的P5.1端口，需要接5 000 Ω上拉電阻，上拉電阻接 +5 V 電源；3引腳懸空；4引腳接電路信號地[7]。

2.3氣敏傳感器

氣敏傳感器選用MQ-2，檢測氣體濃度范圍為300～10 000 μL/L，對煙霧、可燃氣體（如天然氣、液化石油氣）等具有較高分辨率，完全可以滿足農業設施的環境要求。氣敏傳感器電路如圖3所示。

氣敏傳感器具有6個引腳，1、2、3引腳接+5 V電源；5引腳通過匹配5 000 Ω電阻與電路信號地（GND）相連；4、6引腳為傳感器輸出端，短接5 000 Ω匹配電阻與地相連，并與比較器LM311的3引腳正輸入端相連。在氣敏傳感器電路中，通過與LM311的2引腳負輸入端的煙霧濃度閾值電壓相比較，判定煙霧濃度是否超標，閾值電壓可以通過調節 10 000 Ω 可變電阻來設定。如果3引腳的輸入電壓值小于2引腳的閾值電壓，LM311的7引腳輸出端為信號0，煙霧濃度沒有超標，不報警；若3引腳的輸入電壓值大于2引腳的閾值電壓，LM311的7引腳輸出端為信號1，煙霧濃度超標，報警。LM311的8引腳接+5V電源，4引腳接信號地，7引腳需要接 4 700 Ω 上拉電阻R14，R14接入電源+5 V，并通過0.1 μF的小電容C 25，接入信號地[8]。

3軟件設計

3.1傳感器子節點程序設計

在無線傳感網絡中，每個節點都有一個固定的地址編碼，用于身份識別。傳感器子節點程序主要用來監測設施農業環境中各個要素的數據。軟件設計框圖如圖4所示。傳感器子節點程序主要采集分布在設施農業環境中的傳感器傳輸電信號，并對采集到的電信號進行相應的處理，通過數據轉換、格式轉換和打包處理等，并利用射頻433 MHz進行無線數據傳輸。數據傳輸過程中LED指示燈閃爍，傳輸完畢后LED指示燈熄滅。

5結束語

與傳統的人為觀測設施農業環境要素相比，基于CC430的設施農業環境信息監測系統能有效實現設施農業環境要素的實時監測，并通過設置環境要素閾值給予報警提示。以LabVIEW軟件構建的上位機具有良好的人機界面、操作簡單便捷、便于用戶使用、功能擴展性強的特點。系統試驗結果表明，網絡節點間能夠達到300 m的通信距離，且能夠對農業設施環境中溫度和濕度進行有效的數據采集。利用上位機能夠對農業設施環境中的要素進行實時的數據波形監測，通過設定閾值來保證設施農業環境中農作物的可靠生長，一旦某一要素超過閾值，就會報警提示。該系統能夠應用在現代化大型生產的設施農業環境要素監管過程中，實現設施農業中大棚種植的遠程監控，為確保農作物生長環境和農作物生長質量可監控，提供了有利條件。

參考文獻：

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