基于無線傳感器的溫室大棚智能監控系統設計

程　倩

（江西工程學院，江西　新余　338000）

基于無線傳感器的溫室大棚智能監控系統設計

程倩

（江西工程學院，江西新余338000）

當前溫室大棚存在監測困難、有線傳輸系統成本過高等問題。為實現對溫室大棚數據的有效監控，文章基于無線傳感器的技術優勢，設計出溫室大棚智能監控系統。作者通過建立無線傳感器網絡并利用溫濕度及氣體傳感器對溫室大棚內的環境參數進行測算，通過無線傳感器網絡實現了數據高速傳輸，提高了溫室大棚環境監測的智能性和可靠性，降低了溫室大棚的監控成本，實現了真正意義上的遠程監控。

無線傳感器；溫室大棚；智能監控系統；ZigBee技術

隨著現代農業的發展，智能化監控系統已經廣泛應用于農業技術中。當前，溫室大棚的監控方式包括人工控制和有線監控兩種，人工控制法需要用戶對環境具有較強的感知力，如控制不得當，耗費的時間及人力成本過高，將造成巨大的經濟損失。無線傳感器網絡是一項融合多學科的綜合性技術?；跓o線傳感器設計出溫室大棚智能監控系統，可以對大棚內作物的生長、土壤、病蟲害等信息進行實時的監測，方便收種、灌溉、防治病蟲害工作的順利開展。文中設計的基于無線傳感器的溫室大棚智能監控系統，利于管理者在控制室了解溫室大棚內的信息，通過實時動態監測促進我國農業管理水平更加智能化和網絡化。

1　溫室大棚智能監控系統的總體設計

1.1溫室大棚智能監控系統的需求及功能

作物對其的生長環境的需求是綜合性的，環境會影響作物的光合作用、呼吸作用等代謝過程，也會通過影響有機物的運輸阻礙作物的生長，環境因素還會影響作物生長所需的溫度和濕度。因此，溫室大棚智能監控系統主要的監控對象包括大棚內的空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤成分等。為降低系統的使用成本，在進行環境因素監控時，需要重點監測溫室大棚內的溫度、濕度和二氧化碳濃度。作物的生長發育離不開溫度和濕度，因此在溫室大棚智能監控系統中溫度和濕度的監測是基本內容之一；作物生長需要光合作用，光合作用與二氧化碳濃度息息相關，為促進作物的良好生長，需要利用溫室大棚智能監控系統對二氧化碳濃度進行有效監測。溫室大棚智能監控系統中利用傳感器節點在監控范圍內構成網絡，采集大棚內的數據信息，并及時傳輸至監控管理中心，用戶可以通過監控終端查詢數據，監控中心為圖形化操作界面，便于操作。

1.2溫室大棚智能監控系統的網絡結構

基于無線傳感器的溫室大棚智能監控系統包括無線傳感器監測網絡和監控中心兩部分內容。在溫室大棚智能監控系統中，主要采用的是網狀拓撲形式，通過分布于溫室大棚內的傳感器節點采集信息，對大棚內的溫度、濕度、二氧化碳濃度等數據進行采集，并采用ZigBee（短距離低功耗的無線通信技術）射頻方式實現節點之間的通信。無線傳感器的匯聚節點具有通信的路由功能，對收集到的數據進行初步處理，并通過通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）設備傳輸至監測中心，由監測中心分析及顯示數據信息，如遇異常情況，將自動啟動報警模塊。

在溫室大棚智能監控系統中，通過無線傳感器進行數據的采集工作，其可實現在不同的應用場合采集相應的數據，有效地對溫室大棚的數據進行監測。在系統中，數據的傳輸由兩部分組成，其一是由終端節點傳輸至匯聚節點，其二是由匯聚節點傳輸至監控中心。溫室大棚智能監控系統通過ZigBee技術實現匯聚節點的數據收集工作，通過GPRS傳輸技術實現匯聚節點至監控中心的數據傳輸工作。溫室大棚內的數據分析及存儲工作是通過數據中心的軟件完成的，數據中心的軟件接收到無線傳感器傳輸過來的數據后，進行監測，再實現數據存儲，利用相關技術分析處理數據信息，最終得出相應的結論，實現對溫室大棚內的實時監控。

2　無線傳感器網絡節點的硬件設計

無線傳感器網絡節點由電源管理模塊、傳感器模塊、數據處理模塊和通信模塊構成，是通過模塊化結構設計而成的。其中，電源管理模塊主要對無線傳感器網絡節點的功耗進行管理，隨著技術的發展，當前的處理器模塊已經實現與無線射頻模塊放入同一芯片中，簡化了射頻電路的設計；傳感器模塊通過采集溫室大棚內的數據信息，例如溫度、濕度、二氧化碳濃度等，再通過A/D轉換；數據處理模塊需要完成對無線傳感器網絡節點進行路由協議、任務管理等工作內容；通信模塊通過在節點間的無線數據交互，實現數據信息的收發和采集工作。

無線傳感器網絡節點的硬件設備集成度高，外形極小，應用便利。其中包含了模擬數字轉換器、定時器、上電復位電路等設備，在接收和發射信號的情況下，電流的損耗較低?；跓o線傳感器的溫室大棚智能監控系統中的溫濕度傳感器采用的是Scnsinion公司推出的一款數字溫濕度傳感器芯片（11th Sensor of Humidity and Temperature，SHT11），其將溫度和濕度的測量集中于一個傳感器中，極大了節約了功耗。芯片內部集成了14位模擬數字轉換器，并有數字信號輸出，準確率較高。溫室大棚智能監控系統中的二氧化碳傳感器采用的是型號為4161的二氧化碳模塊傳感器（Carbon Dioxide Module，CDM4161），傳感器體積小、壽命長且具有較高的穩定性。為避免信號的沖突，SHT11溫濕度傳感器采用線數字串行接口和CC2430進行數據通信，Data（數據）用于數據的讀取。

3　溫室大棚智能監控系統軟件的實現

溫室大棚智能監控系統的軟件包括數據處理層、消息收發層、參數設置層3部分，根據模塊化的設計原則。其中數據處理層包括處理報警信號、日志文件、監測數據等，處理監測數據是指對溫室大棚內監測的數據進行分析統計、邏輯判斷等工作內容，還包含系統運行維護模塊，主要控制維護系統配置信息、節點列表、管理信息等；消息收發層則由消息數據的接收和發送兩大模塊組成，實現溫室大棚智能監控系統內監測數據的接收、發送和存儲；參數設置模塊實現了各傳感器節點及匯聚節點之間的參數設置，例如節點的工作模式、頻度等。

無線傳感器節點主要負責對溫室大棚內的信息采集和發送工作，無線傳感器節點收到指令確定是否采集數據，信息經過處理完成后進入數據傳輸模塊，數據通過封裝發送至匯聚節點，成功后保存信息，等到下一步任務提醒指令，再進行重復性工作，以此循環。無線傳感器的匯聚節點具有收集、處理、傳輸信息的共同，通過通信模塊的啟動，建立無線網絡，確保將有效節點納入網絡中，并根據任務的需要下達指令。當匯聚節點接收到監控中心的數據采集指令后，分發至各傳感器節點，經過節點的信息采集，再傳輸至匯聚節點，在此打包封裝，儲存在存儲單元內等待發送模塊的信息發送指令，完成一個工作循環后等待下個指令，溫室大棚智能監控系統通過不斷的工作完成實時監控。溫室大棚智能監控系統中的匯聚節點的軟件設計采用ZigBee技術實現傳感器節點至匯聚節點的數據傳輸內容，采用GPRS技術完成匯聚節點至監控中心的數據傳輸內容。

4　結語

本文通過ZigBee技術，采用SHT11溫濕度傳感器和CDM4161二氧化碳傳感器設計出溫室大棚的智能監控系統，降低系統監測成本，確保系統監控的準確率，對溫室大棚內的數據進行實時監測并有效的傳至監控中心，用戶通過監控終端即可查詢溫室大棚內的信息數據，解決了有線監測網絡投資大、維護難的問題。

［1］蔡鑌，馬玉芳，趙振華，等.基于無線傳感器網絡的溫室生態智能監控系統研究［J］.河南農業大學學報，2014（2）：167-171.

［2］秦芹.基于無線傳感器網絡的溫室大棚監控系統的設計［J］.無線互聯科技，2014（3）：243-244.

Design of greenhouse intelligent monitoring system based on wireless sensor

Cheng Qian
（Jiangxi Institute of Engineering， Xinyu 338000， China）

There exists some problems of difficult monitoring and high cost of wire transmission in current greenhouse. In order to realize the effective monitoring of greenhouse data， based on the advantage of wireless sensor technology， this paper designed a greenhouse intelligent monitoring system. A wireless sensor network is built， and the autor uses temperature， humidity and gas sensor to estimate the environment parameter in greenhouse， through the wireless sensor network realized high-speed data transmission， which improved the intelligence and reliability of the greenhouse environment monitoring， reduced the greenhouse monitoring cost and realized remote monitoring of the true meaning.

wireless sensor； greenhouse； intelligent monitoring system； ZigBee technology

程倩（1982— ），女，湖北京山，碩士，講師；研究方向：電子技術。