基于WSN的壩上溫室光照度控制系統設計

摘要：結合壩上氣候特點及溫室光照自動控制需求，設計了作物光照強度控制系統。首先構建溫室環境模型，以自然光與人工補光進行溫室光照建模，設計溫室光照自動控制流程。在此基礎上通過無線互聯網和ZigBee設計并實現了溫室光照度自動控制系統，闡述了系統構架設計、溫度感知單元、數據傳輸單元、控制執行單元、監控后臺單元、可調光源單元的設計，引入CodeWarriorIDE開發環境進行控制軟件設計，最后通過測試證明其促進作物生長的效果。

關鍵詞：無線互聯網；溫室大棚；光照自動控制；ZigBee

中圖分類號：TN929.5；TP274 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）02-0486-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.02.056

河北省與內蒙古自治區交界的壩上地區屬大陸性季風氣候，而寒冷、多風、干旱的生態環境和氣候條件均不利于農業發展[1]。近年來，隨著農業設施的發展和溫室技術的引入，該地區在溫室工程建設、溫室高產栽培等方面取得了一些成果。由于配套技術和設施發展依然滯后，目前溫室作物種植環境控制水平不高、難以抵御自然災害。隨著WSN（無線傳感器網絡）技術發展與應用逐步深入，不少領域逐步將其用于環境的實時監測和自動控制。實時光照是溫室自動監測的重要參數，能夠影響作物的生長和產量，因此對于溫室光照控制系統的研究也是當前業界的熱點之一。本研究結合溫室整體構造，構建壩上地區溫室光照智能化控制數學模型，詳細分析光照控制算法，在此基礎上對溫室光照監控系統進行設計，包括硬件平臺的設計和核心功能軟件的設計。

1 溫室自動控制模型分析

1.1 溫室環境模型構建

溫室環境受到多個變量的影響，其環境狀態取決于3個因素：①此時刻的環境狀態；②外部環境狀態；③溫室環境控制設施。由此，本研究為壩上地區典型溫室構建如圖1所示的整體環境影響模型。

溫室環境不同參數間存在著相關性，本研究著重關注光照度參數，此參數相對獨立，主要取決于外界自然光，因此會隨著季節變化、時間變化與天氣變化而產生明顯波動。在夏季晴天光照度過高的情況下必須采取遮光措施；而在秋冬季節或者陰天等情況下則應啟動光照控制系統進行補光，滿足作物需要。考慮到光照因素也會為溫室環境的其他參數帶來影響（例如大功率熱光源導致的局部溫度偏高），本研究選取冷光源作為人工補光的設備；遮光設施選取新型遮光材料。

2 溫室光照度控制系統的設計

2.1 構架設計

根據ZigBee無線傳輸與控制協議進行系統構架設計，系統主要包括：無線數據收發節點與基站單元，組成無線傳輸復合網絡，對獲取的實時數據進行編碼后傳輸至上位機單元；溫度傳感單元，獲取實時光照數據通過無線數據收發節點進行存儲和傳輸；上位機單元，與基站單元共同構成光照度控制系統監控后臺；LED板，構成可調節人工光源。整體構成如圖5所示。

2.2 模塊設計

2.2.1 溫度感知單元 該模塊主要功能是通過光敏傳感器對被監控的溫室環境溫度實時數據進行獲取。其核心部件——光敏傳感器可以把探測到的光信號實時轉換成電信號。本研究選取LS06-S光敏傳感器，量程為0～50 000 lx]，其實時輸出的電壓值和探測的光照度之間保持的線性關系可以描述為：S=？琢U。式中，S表示光照度（lx）；U表示光敏傳感單元輸出電壓（V）；？琢表示光照度/電壓轉化比（lx/V）。

2.2.2 數據傳輸單元 該模塊主要功能是把溫度感知單元產生的模擬數據進行模數轉換并發送至控制系統后臺，結合控制策略向控制單元發送操作命令。數據傳輸單元包括節點單元和基站單元，引入CC2530芯片構成基于ZigBee的傳輸體系，實現在基于ZigBee協議的復合網中進行無線數據通訊。CC2530芯片在此系統中的作用包括：①將溫度感知單元的模擬數據數字化；②通過RS232/485在節點和MCU處理器間傳輸數據；③對數據進行初步處理。數據傳輸單元設計如圖6所示。

2.2.3 控制執行單元 該單元包含的主要部件是驅動芯片與繼電開關，其功能是結合從節點單元收到的控制信息觸發相應的操作，對照明LED板準確實時的控制。本研究結合溫室構造及當地氣候特點，設置三路LED照明板，每路單獨配置控制執行單元。控制執行單元設計如圖7所示。

2.2.4 監控后臺單元 該模塊主要功能是管理者以人機交互的方式對溫室光照度進行遠程監控。基站單元獲取來自無線數據收發節點中的溫室實時光照信息，并結合事先設定的閾值進行判斷，以決定是否觸發改變控制狀態的命令，這些信息均顯示在監控后臺的PC界面供管理者查看和調用。

2.2.5 可調光源單元 作物的光照需求主要是紅光及藍光，本研究以紅光LED陣列與藍光LED陣列設計人工可調光源板。每塊可調光源板均分成3路，每路包括紅光部件及藍光部件各48枚，光照度4 500 lx；每塊可調光源板功耗80 W，通過不同路的組合實現光照度的可調。

2.3 系統實現

引入CodeWarriorIDE開發環境，結合溫室光照調節算法，構建如圖8所示的軟件流程。由圖8可知，基站完成初始化后開始輪詢節點所采集的溫室實時光照信息，結合S值進行判斷，并作為控制LED人工光源陣列開閉的依據。結合壩上地區的氣候特征和光照因素，本研究將S值分為三類狀態：過低狀態：S∈[0，15 000]；正常狀態：S∈[15 000， 20 000]；過高狀態：S∈[20 000，∞]。采用逐級迭代分布模式，若當前處于過低狀態，則進一步判斷光照度所處區域，若S∈[0，5 000]則開啟全部LED陣列并進入實時監控狀態；若S∈[5 000，10 000]則開啟3組LED陣列中的2組并進入實時監控狀態；若S∈[10 000，15 000]則開啟3組LED陣列中的1組并進入實時監控狀態，實現溫室光照的逐級分布調節。若S∈[20 000，∞]則采取遮光措施。

3 系統測試

3.1 數據精度測試

以宣化科技職業學院張北（壩上）地區研究實驗中心溫室基地進行測試。壩上地區溫差大，光照度變化也很大，因此將溫室光照控制級別設定為5 000 lx/檔。光照度實時數據采樣周期10 s，光照延時設置為10 min，系統誤差控制在不高于5%。以現場人工定點使用便攜式測試儀獲取的數據與試驗測試數據對比，如表1所示。

選取12 h內的24個時刻進行測試并將兩種方法獲取的數據進行對比，試驗數據與人工測量存在誤差，但最大誤差絕對值為4.0%，低于5.0%，因此可認為系統的數據精度可以滿足溫室實際要求。

3.2 作物生長測試

選取壩上地區溫室栽培中常見的櫻桃蘿卜（Raphanus sativus L. var.radculus pers）作為作物樣本，將溫室分為隔離的兩個等面積區域A（試驗組）與B（對照組），其中A區部署光照智能控制無線網絡，B區則以傳統人工的方式進行光照調節。兩區各種植32株同種水蘿卜進行對比，其培育方式、施肥澆灌等其他條件均一致，兩個區域的作物生長情況如表2所示。

由表2可知，B區（對照組）的櫻桃蘿卜采用傳統溫室培養方式，其花期基本維持在正常狀態，并未提前開花，且植株的高度和形態等參數也在正常生長狀態；而A區（試驗組）的櫻桃蘿卜因為在自動系統的控制下能夠獲得更加適合的光照度，因此其植株形態更加健壯，花期明顯提前。試驗人員觀察可知A區試驗組的作物植株葉片與B區對照組相比，葉片更加挺拔翠綠，花冠明顯大而完整，花瓣也更加繁茂，表現出顯著的優良性狀。因此，可認為基于WSN的溫室光照度自動調節系統能夠有助于作物的生長。

4 小結

本研究結合壩上地區的氣候特點，構建溫室環境基本模型，針對溫室光照度自動控制需求，引入經典遮光數學模型，對光照控制流程進行設計。在此基礎上通過無線互聯網和ZigBee設計并實現了溫室光照度自動控制系統，通過測試證明其促進作物生長的效果。

參考文獻：

[1] 徐向峰，楊廣林.我國設施農業的現狀及發展對策研究[J].東北農業大學學報，2012，36（4）：520-522.

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[4] 楊 碩.基于WSN的壩上地區溫室作物光照強度控制系統的設計[D].重慶：重慶大學，2009.