現代智慧農業設施大棚環境監測系統設計

張 瑋

(石家莊學院 機電學院，石家莊 050035)

0 引言

我國是農業大國，農業關系著國計民生，對我國建成小康社會、決勝脫貧攻堅具有重要的意義。農業的做大做強根本上要依靠農業的現代化，而科技興農則是其發展的必由之路?，F代智慧農業設施大棚是農業現代化的一個典型代表[1]。一方面，它可以為作物提供適宜生長的基礎環境，促進作物快速生長，并提高質量；另一方面，它將傳統農業發展方式進行了改變，使農業生產不再被自然資源和土地資源牢牢束縛，為農業走向標準化、工廠化生產提供了有效路徑。尤其是在北方地區，可使農產品不再受季節性限制，實現均衡可控的反季節上市，充分滿足了社會的多元化、多層次的需求，農業經濟效益顯著提升，農民收入隨之進一步提高?，F代智慧農業設施區別于傳統農業的核心技術就是農業設施環境的數字化采集和監測[2]。顯然，用人工巡查的方式會耗用大量人力，工作量巨大，對于采集數據的實時性和有效性也保障較低。若采用有線數據采集監測系統，雖可以解決采集數據的實時性和有效性問題，但是無法避免大規模進行布線，因此就會存在布線復雜、布線成本高、不適于擴展的問題，所布線在大棚內的環境中，也不可避免會受到影響，系統傳輸的抗干擾性和系統的穩定可靠性都會降低。在設備設計壽命到來之前，就會出現過多維護，增加使用成本[3]。針對以上問題，采用無線傳感器網絡，借助低功耗近距離組網通信技術，設計了大棚環境監測系統，實現智能監測，無線傳輸，大量減少了勞動力，大大降低了勞動強度，降低了布線成本和維護難度，提高農業生產效率。

1 系統架構及原理

1.1 系統結構設計

針對大棚中重要的環境參量(溫度、濕度、光強度、二氧化碳濃度)，系統采用模塊化設計，終端傳感器模塊采用了無線傳感器網絡架構進行定義，為防止傳輸線路中節點故障導致數據傳輸中斷，在傳感器節點布置中，每一傳感器節點的覆蓋范圍內都包含另外兩個節點。根據測量的需要，可布置在任何所需位置，可進行方便地移動，具有小巧和自適應的特點。數據的傳輸依照路徑最短原則進行[4]。終端傳感器節點負責采集環境參量數據，并使用無線網絡傳輸數據，協調器將收集的信息通過RS232傳輸給主機，主機系統實現參量數據的實時顯示、存儲、查詢、刪除等功能。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意

1.2 使用的無線網絡技術原理

根據本系統的設計目的和要求，選擇使用ZigBee技術來實現無線組網通信。ZigBee是在IEEE802.15.4標準基礎上建立的協議框架，由此標準所定義的個人區域網絡的特征很多是與無線傳感器網絡的特征是相似的。因此很多研究機構也將它作為無線傳感器網絡的通信標準[5]。它所工作的頻段屬于免費公用頻段2.4 GHz，在智能家居、工業監控、交通安防等方面有著廣泛的應用。

數據經過路由器所產生的延時，就必然會帶來能量的損耗，而數據在無線網絡中的傳輸往往還會通過多個路由器才能完成。因此消息傳遞的路徑損耗是不可避免的。對此ZigBee系統采取了一定的架構策略，比如讓網絡核心位置路由器短暫停止工作，期間由其它路由器完成需轉發的消息，這樣就可以避免該路由器因位置核心、消息不斷、不得休閑而導致的能量損耗很快的情況。ZigBee的協議棧比較特殊，特殊之處在于協議棧所使用的事件輪循機制。當ZigBee的4個層初始化完成之后，整個系統以低功耗模式狀態運行。在這一過程中，一旦有事件發生，系統狀態就會馬上發生改變，從低功耗模式中被喚醒，轉入到事件的中斷處理之中。在事件發出中斷請求，系統響應中斷，然后保留中斷的斷點，完成中斷服務子程序直到恢復站點中斷返回，這一完整過程結束之后，系統會重新以低功耗模式狀態運行。如果遇到不同的事件卻在同一時間發生的狀況，系統將會依照優先級的不同，按照事件優先級從高到底的順序依次處理。ZigBee技術有工作和休眠兩種模式，在工作模式中，數據的傳輸速率不高，并且傳輸數據量有限，很短的時間內就能完成數據的收發。只要不工作，ZigBee節點就會以休眠狀態存在[6]，功耗很低，一般的電池工作時間可以達到1年。相較于其它無線傳輸技術而言，ZigBee協議棧要簡單的多，因而對控制器的要求較低，8位單片機及規模很小的存儲器就可以滿足它的需要，具有系統開發成本低的特點。ZigBee具有很多種樣式的網絡拓撲結構，可根據不同的系統設計需求，選擇可滿足需要的拓撲機構[7]，具有靈活性強的特點。

2 硬件部分的設計

2.1 節點電路模塊

為了解決目前棚內環境監測系統使用有線系統的成本高，布線復雜等問題，在硬件電路設計上使用了無線傳感器網絡節點。棚內環境參量中的溫濕度，光照強度，二氧化碳濃度等重要參數數據并不需要節點處理器有很高的的處理能力，所以選擇TI公司的第二代ZigBee/IEEE802.15.4 RF收發器CC2530作為核心。工業級增強型8051微控制器內核集成在CC2530片內，具有較高的靈敏度和較好的連接性能[8]。節點硬件結構如圖2所示。

圖2 節點硬件結構圖

CC2530芯片，不僅具有較高靈敏度的無線接收能力，而且功耗很低，這得益于它所采用的三種運行模式：休眠模式、喚醒模式和中斷模式[9]。在功耗最低的休眠模式下，電流消耗僅有1 μA。在休眠模式中，系統可被外部中斷所喚醒，從休眠至激活的時延僅為15 ms，有效降低了系統的功耗。以CC2530為核心，僅需較少的外圍電路就可以建成較強大的網絡節點實現快速組網。

2.2 溫濕度傳感器模塊電路

本系統中的溫濕度傳感器模塊是要將環境中的溫濕度信息進行實時精準的采集，并發送給微處理器。在設計中所采用的是瑞士Sensirion公司推出的數字溫濕度傳感器SHT21。它的可適電壓范圍為0.4～5.5 V,本系統選擇3.3 V供電。在設計電路時，為了達到去耦濾波的目的，專門在VDD和GND之間串接了一個10 μ的電容，其電路如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器電路 圖4 光照強度傳感器電路

SHT21將溫度補償和標定數據都集成在了內部電路，體積更小，功耗更低，采用了獨特的電極分布和鍍膜技術，使感應器在高濕環境下能夠避免被氧化，從而使其在高濕環境中性能更加穩定[10]。

2.3 光照強度傳感器模塊

對于太陽光照強度參數的采集，本系統采用的是TAOS公司生產的TSL2561可編程光強度數字轉換芯片。TSL2561內部分別集成了光敏二極管、紅外響應光敏二極管以及可將光敏電流信號量轉成數字量輸出的積分式A/D轉換器。同時，其內部擁有16個寄存器，這些寄存器都可以被微控制器所讀寫，通過讀寫，微控制器便能對TSL2561進行控制。電路如圖4所示。

TSL2561的工作電壓范圍是2.7～3.5 V,具備提供20 bit動態范圍的近適光響應的能力，能夠自動抑制50 Hz/60 Hz的光照波動[11]，具有功耗低，速度高，量程寬，配置靈活等優點。

2.4 二氧化碳傳感器模塊電路

選用Cambridge CMOS Sensors(CCS) 半導體公司設計制造的微型低功耗二氧化碳氣體傳感器CCS811。電路如圖5所示。

圖5 二氧化碳傳感器電路圖

CCS811支持多種低功耗優化測量模式，基于主動傳感模式和空閑模式不同，每小時的功耗在360 μW～72 mW之間。CCS所獨有的微加熱板技術應用于CCS811之中，使得它與傳統的金屬氧化物氣體傳感器相比[12]，簡化了設計，更加穩定可靠。工作電壓范圍1.8～3.6 V。

2.5 電源模塊電路

為滿足不同模塊對供電的需求以及節點的便捷性，需要設計一個外圍電源轉換電路。采用LM1117將USB接5 V電壓轉換輸出3.3 V，電壓精度在1%之內，同時它提供電流限制和熱保護，為了改善瞬時響應和穩定性，可在輸出端增加一個10 μF的電容來實現。

3 軟件設計

3.1 協調器軟件設計

軟件設計基于由TI公司推出的與CC2530芯片相配套的ZigBee 2007/PRO協議棧和IAR集成的開發環境。傳輸網絡的核心是協調器，要先由協調器進行組網，同時對設備初始化，并選擇最優的網絡信道，然后等待終端采集節點加入網絡。通過判斷，只允許合法的終端節點加入網絡，加入的節點對所對應采集區的數據進行采集并傳輸給協調器，再由協調器送入PC主機，程序流程如圖6所示。

圖6 協調器軟件流程圖

3.2 終端節點軟件設計

采用關聯入網方式，初始化后，在其覆蓋范圍內搜尋協調器節點，并申請加入組建好的網絡，協調器節點判斷并允許合法的終端采集節點入網，在成功入網后，便開始控制傳感器對區域內環境參數進行監測采集，之后將數據打包傳送至協調器設備。程序流程如圖7所示。

圖7 終端節點軟件流程圖

3.3 PC主機監測管理系統軟件設計

軟件使用C語言進行編寫，系統具有模塊化特點，采用圖形化操作方式設計軟件[13]。軟件模塊如圖8所示，管理系統軟件劃分成包含用戶管理、通信系統、信息管理和數據管理在內的四大功能模塊?？蓪崿F查詢測試點的不同環境參數指標、針對不同環境因子設置相應的閾值、對系統進行配置管理等功能。

圖8 PC主機監測管理系統軟件框圖

4 實驗結果與分析

4.1 可靠性測試

測試設備在實際環境中的通信能力。以距離為變量，測量在不同距離情況下進行數據傳輸時數據包的丟失率，以此判斷能否滿足設計要求。設置距離變量分別為100 m，150 m，250 m，400 m，600 m，850 m，每次發送不同整數(100～129)的數據包，連續發送30次，測試結果如表1所示。

實際大棚室內傳輸距離多為80 m左右，最長不會超過150 m，大棚與管理中心的半徑距離通常也在600 m之內，故系統可滿足使用要求。

4.2 準確性測試

為了測試監測數據的準確性，分別測試某天中不同時刻的溫度值和濕度值，然后與相應時刻的實際值進行對比。在實驗中，實際值取在相同點位放置的3只數字式溫濕度表所顯示數值的平均值。測試對比結果如表2、表3所示。溫度誤差不超出±0.3 ℃，濕度誤差不超出±2%RH，準確性較高，能夠滿足實際使用的要求。

表3 濕度測試對比

表2 溫度測試對比

4.3 結果分析

通過模擬智慧農業設施大棚環境，使用所設計的現代智慧農業設施大棚環境監測系統，進行不同時刻的持續測量，上述實驗測試結果表明：系統運行穩定良好，數據傳輸滿足實時性要求；采集節點采集數據信息穩定、采集結果與標定裝置顯示結果誤差未超出系統精度。

5 結束語

智慧農業設施大棚的發展方向是數字化、智能化及自動化，本系統設計根據設施農業發展的客觀需求，將傳感器網絡和現代通信技術進行融合，實現了對智慧農業設施大棚環境中溫、濕、光、氣等環境參數的無線遠程實時監控。系統采用無線傳輸，實現遠程惡劣環境下的有效監控，減少人工作業，提高大棚管理效率。