基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能系統(tǒng)研究

都妍美

摘 要：我國正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中出現(xiàn)了許多問題。我國土地資源非常豐厚，但是因?yàn)槿丝诒姸?，人均占有量卻非常低。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)若想要得到預(yù)計(jì)的高產(chǎn)高質(zhì)作物，就需要未知物提供適宜其健康生長的如陽光，二氧化碳等。為了滿足溫室智能管理自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的需求，本課題結(jié)合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)的無線溫室智能管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；溫室智能管理

中圖分類號(hào)：S625.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）27-0061-02

1 數(shù)字信息化

數(shù)字信息化的進(jìn)步為人們社會(huì)生活提供了許多便捷，也日益影響著世界經(jīng)濟(jì)格局，已經(jīng)全面滲透到人們生活當(dāng)中。各個(gè)國家利用這一發(fā)展趨勢也逐步將其利用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中。農(nóng)業(yè)的信息科技化深深影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使農(nóng)業(yè)在這種改革之下慢慢變成新型農(nóng)業(yè)模式。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)中都運(yùn)用數(shù)字信息化模式，通過科學(xué)手段控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程。目前，農(nóng)業(yè)從以往傳統(tǒng)模式向全智能模式轉(zhuǎn)變，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的最終形態(tài)和必須經(jīng)歷的過程。

如今社會(huì)生活中使用無線技術(shù)的方面非常多，其中廣為人知的是網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的無線上網(wǎng)功能。無線技術(shù)在被社會(huì)運(yùn)用過程中使用范圍有限，總是運(yùn)用在在某一特定單一的領(lǐng)域。隨著科技發(fā)展無線技術(shù)也越來越被國家重視并且應(yīng)用到水利工程項(xiàng)目中，其中ZigBee技術(shù)根據(jù)其自身特點(diǎn)在溫室智能管理時(shí)起到了至關(guān)重要的作用，它的使用解決了以往對(duì)溫室智能管理中出現(xiàn)的一系列問題，可以更完善數(shù)據(jù)的采集，也為以后對(duì)水利工程中的監(jiān)測提供了保障。

2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制領(lǐng)域。2000年12月成立的IEEE802.15.4工作組制定了其物理層和介質(zhì)訪問控制層的協(xié)議，2002年8月成立的ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)之上定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用接口層標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層的具體功能由用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用自行開發(fā)，因此使該技術(shù)能夠適用于更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

具體的溫室監(jiān)控因素主要可歸納為以下這些：溫濕度、光照強(qiáng)弱和CO2濃度。因?yàn)檫@些因素是農(nóng)作物生長最不可或缺的生長條件，在對(duì)以上這些環(huán)境參數(shù)監(jiān)測后，緊接著使用系統(tǒng)來控制相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，如噴灌、補(bǔ)光、濕簾泵、地?zé)岚l(fā)生器都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上面參數(shù)變化作出補(bǔ)救。

為實(shí)現(xiàn)溫室的環(huán)境監(jiān)控，需要及時(shí)合理的對(duì)多個(gè)影響農(nóng)作物生長的因素進(jìn)行由點(diǎn)到線再到面的監(jiān)督和數(shù)據(jù)的收集，需要有大量的電纜或者光纖的幫助才能實(shí)現(xiàn)，而且實(shí)行起來非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在土壤的作用下，電纜和光纖很有可能和對(duì)農(nóng)作物施用的肥料發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)，在大雨、大雪、雷電等情況下很容易發(fā)生料想不到的麻煩，而且線都鋪設(shè)在土壤之下，一旦有故障修理繁瑣，耗時(shí)過長，很可能減值減收。

①往往利用節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集整理，能在ZigBee本身的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)調(diào)器之間傳遞信息，將節(jié)點(diǎn)端布置在室內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，整理和傳遞的作用。

②協(xié)調(diào)器的主要功能是通過建立協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)連接計(jì)算機(jī)和傳感器，建立集中網(wǎng)絡(luò)和處理終端傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)而利用UART傳遞到上位機(jī)。

③網(wǎng)口-串口轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器可以將數(shù)據(jù)在兩種設(shè)備上及時(shí)互換，最終到達(dá)以太網(wǎng)IOTService，如果終端不是以太網(wǎng)則需要選擇合適的適配器實(shí)現(xiàn)連接。

④裝備有IAR Embedded Workbench的C/C++調(diào)節(jié)器和交叉編譯器的終端往往是為了網(wǎng)絡(luò)在硬件之間的建立，而裝備有VS2005軟件平臺(tái)的計(jì)算機(jī)是為了實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)部的可視化監(jiān)控，便于協(xié)調(diào)人與機(jī)器的互知，依靠科學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)，最終目標(biāo)將溫室參數(shù)放在節(jié)點(diǎn)下，使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)化調(diào)控起來。

3.2 開發(fā)平臺(tái)架構(gòu)

基于Visual Studio 2005編程環(huán)境，使用 MSComm控件完成監(jiān)測管理軟件設(shè)計(jì)。我們所添加的程序主要在API層，將已有的建立好的工程項(xiàng)目進(jìn)行修改，添加自己所需要的應(yīng)用代碼，通過移植的方式來開發(fā)Zigbee項(xiàng)目。使用IAR打開工程文件后，即可查看到整個(gè)協(xié)議棧從ZDO層到APP層的文件夾分布。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)包括兩部分：Z-Stack協(xié)議棧和溫濕度應(yīng)用程序。把用戶新建的任務(wù)添加到系統(tǒng)中，將兩部分通過操作系統(tǒng)結(jié)合到一起，才能協(xié)調(diào)有序地工作，這就是軟件平臺(tái)搭建的整個(gè)過程。

3.3 傳感器模塊

該模塊是溫濕度和相關(guān)光電傳感器等模塊，有2個(gè)傳感器，分別是光電傳感器和溫濕度傳感器，溫濕度探頭直接使用IIC接口進(jìn)行控制，光敏探頭經(jīng)運(yùn)放處理后輸出電壓信號(hào)到AD輸入。

使用l0-v 12bit的AD采集器對(duì)光敏信號(hào)進(jìn)行采集，使用專用的IIC接口進(jìn)行溫濕度信號(hào)采集。每一次的采樣需要使用2字節(jié)描述，MSB方式，溫濕度及光電傳感器模塊輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

①需要采集溫度等重要信息：溫度的數(shù)據(jù)采用高字節(jié)，而溫度數(shù)據(jù)則采用低字節(jié)；②需要采集濕度等重要信息：濕度的數(shù)據(jù)采用高字節(jié)，而濕度的數(shù)據(jù)則采用低字節(jié)；③需要采集光強(qiáng)度等重要信息：光強(qiáng)的數(shù)據(jù)采用高字節(jié)，而光強(qiáng)的數(shù)據(jù)則采用低字節(jié)。

在本文對(duì)溫室系統(tǒng)中，采用如今市場上廣為人知的SHT10來準(zhǔn)確測量棚內(nèi)的溫濕度。這種傳感器較對(duì)于以往傳感器技術(shù)更能準(zhǔn)確無誤的測量棚內(nèi)信息，使棚內(nèi)的溫濕度達(dá)到可控效果，來保證作物的生產(chǎn)結(jié)果，并且具有非常高的穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)混亂等突發(fā)問題。這種芯片另一種優(yōu)點(diǎn)在于可以與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器做到直接連接，方便對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行控制和信息傳遞。

4 數(shù)據(jù)采集模塊的調(diào)試

通過對(duì)數(shù)據(jù)的采集以及硬件調(diào)試中，通過焊接電路板，由于對(duì)程序不能有效下載。需要檢查電源的供電情況是否正常，應(yīng)用多功能電表檢查，可知供電系統(tǒng)屬于正常的。通過對(duì)檢測線路問題的連接，也沒有發(fā)現(xiàn)虛焊點(diǎn)。當(dāng)排除上述問題后，開始對(duì)原理圖的設(shè)計(jì)進(jìn)行檢測，最終檢測得到在畫PCB封裝時(shí)因開關(guān)封裝時(shí)出問題，將控制信號(hào)直接短接到地，將其斷開后就能正常下載程序了。把程序下載到電路板里，得到數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)溫室里的溫度、濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)采集。

5 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)溫室智能管理存在觀測點(diǎn)少、數(shù)據(jù)采集慢、傳輸不可靠以及數(shù)據(jù)處理不及時(shí)等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它貼合各溫室智能管理的實(shí)際情況，無論其實(shí)用性、可靠性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等方面都有許多優(yōu)勢，極大提高了溫室智能管理的科學(xué)管理水平，為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室智能管理中的應(yīng)用提供了一套行之有效的解決方案。

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