基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

梁一嘯，劉志欣，范 恩，蔣忠莉，鄧貴妃

（1.紹興文理學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

近年來，隨著無線通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛粩嘣鲩L，ZigBee技術(shù)也得到飛速發(fā)展。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)能、可靠、成本低、容量大、安全性高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域。當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器與上位機通過串口通信后，用戶便可以通過上位機發(fā)出操控命令，讓下位機將命令解釋成相應(yīng)的時序信號，從而控制傳感器；同時，它還可以讀取傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再反饋給上位機。因此，用戶可以聯(lián)合上、下位機更方便地采集和處理多傳感器數(shù)據(jù)，從而獲得一致的環(huán)境信息。

研究表明，蘭花的生長受溫室環(huán)境的影響非常大。當(dāng)室溫過高時，會引起蘭花氣孔關(guān)閉，酶活性下降，呼吸、光合作用減弱，甚至出現(xiàn)焦尖、灼燒等現(xiàn)象。當(dāng)氣溫過低時，又會使蘭花代謝下降，蒸騰作用減弱，同化物質(zhì)的運轉(zhuǎn)和貯存效率下降。當(dāng)夏天溫室濕度過大時，會抑制蘭花蒸發(fā)散熱，使蘭花生長出現(xiàn)不適。當(dāng)冬天溫室濕度過大時，又會加速熱傳導(dǎo)而使蘭花受寒。溫室光照強度也同樣會影響蘭花葉片乃至整個植株的健康。光線太強會使蘭花的葉片脫水蔫萎或枯死，光線太弱會使蘭花的葉片葉質(zhì)薄弱、無力，葉柄易彎垂，不易開花。為了提醒管理者及早采取預(yù)防措施，實時采集溫室環(huán)境信息十分重要。

為此，本文開發(fā)了一套基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r獲取室內(nèi)溫濕度、光敏值，同時將溫濕度和光敏數(shù)據(jù)進行圖形化顯示。首先，通過溫濕度傳感器、光照傳感器與ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點進行組網(wǎng)，并通過編寫上位機程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)點串口通信；然后，采用ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點接收串口指令，并發(fā)送指令給終端節(jié)點；ZigBee終端節(jié)點接收指令后，分別解析溫濕度、光敏數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)返回給協(xié)調(diào)器節(jié)點；最后，協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，并在上位機進行圖像化顯示。

1 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計系統(tǒng)的目的在于監(jiān)測溫室的溫濕度和光敏數(shù)據(jù)，并實時反饋給用戶，使用戶能夠及時采取措施。當(dāng)溫度過低或過高時，適當(dāng)調(diào)整溫度。當(dāng)光照過強時，打開遮陽膜等。本系統(tǒng)主要通過ZigBee組網(wǎng)、傳感器數(shù)據(jù)處理、編寫上位機程序?qū)崿F(xiàn)ZigBee開發(fā)板對溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，以及與上位機的串口通信。主要思路如下：

（1）采用溫濕度傳感器、光照傳感器分別接收協(xié)調(diào)器指令信息，解析溫濕度、光敏數(shù)據(jù)后，返回給協(xié)調(diào)器節(jié)點；

（2）ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)接收串口指令，并發(fā)送指令給2個ZigBee終端節(jié)點；

（3）協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口與上位機通信，即上位機通過串口發(fā)送指令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送溫濕度、光敏解析數(shù)據(jù)給上位機，上位機刷新界面并顯示。

2 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要分為3大部分：ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、ZigBee終端模塊和上位機模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負(fù)責(zé)接收串口指令，并發(fā)送指令給ZigBee終端節(jié)點；ZigBee終端節(jié)點接收到指令后，分別解析溫濕度、光敏數(shù)據(jù)，然后返回給協(xié)調(diào)器節(jié)點；最后，協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)各模塊工作原理

2.2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊工作原理

ZigBee協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息的匯聚點，也是網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，主要負(fù)責(zé)組建、維護和管理網(wǎng)絡(luò)，并通過串口實現(xiàn)各節(jié)點與上位機的數(shù)據(jù)傳輸。它具有較強的通信能力、處理能力和發(fā)射能力，能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送至遠程控制端。圖2所示為CC2530協(xié)調(diào)器，圖3所示為協(xié)調(diào)器流程。

圖2 CC2530協(xié)調(diào)器

圖3 協(xié)調(diào)器流程

2.2.2 傳感器模塊工作原理

ZigBee終端模塊分別依靠溫濕度傳感器和光敏傳感器進行數(shù)據(jù)采集、解析和傳輸。在監(jiān)測系統(tǒng)中，溫濕度傳感器型號為DHT11，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。光敏傳感器利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，ADC引腳連接CC2530的P0_1口，通過此I/O口輸出控制信號，控制ADC轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)數(shù)值。圖4所示為溫濕度傳感器模塊，圖5所示為光敏傳感器模塊。

圖4 溫濕度傳感器模塊

圖5 光敏傳感器模塊

上位機主要借助Visual Studio采用C#語言編寫，連接串口后，通過點擊按鈕觸發(fā)事件，將命令通過串口發(fā)送給下位機，下位機傳送的數(shù)據(jù)通過上位機解析成hex碼，并轉(zhuǎn)換成int類型值，然后將int類型的值（溫度、濕度、光敏值）賦值給圖形化控件，圖形化控件自動渲染后刷新界面。點擊“溫度”按鈕，發(fā)送獲取溫度指令；點擊“濕度”按鈕，發(fā)送獲取濕度指令；點擊“溫濕度”按鈕，發(fā)送同時獲取溫濕度指令；點擊“光敏”按鈕，發(fā)送獲取光敏的值；點擊“溫濕度光敏”，發(fā)送同時獲取溫濕度、光敏值指令。上位機工作流程和界面分別如圖6和圖7所示。圖8所示為上位機測試數(shù)據(jù)。

圖6 上位機工作流程

圖7 上位機初始界面

圖8 上位機測試數(shù)據(jù)

2.3 傳感器關(guān)鍵代碼

（1）溫濕度采集、解析關(guān)鍵代碼及說明。

溫濕度采集：

溫濕度數(shù)據(jù)解析：

（2）光敏數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵代碼及說明。

節(jié)點C光敏數(shù)據(jù)采集：

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 溫室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)采集與分析

監(jiān)測系統(tǒng)分不同時段采集數(shù)據(jù)。從8:20開始，每隔60 s采集1次，共采集10次；從15:20開始，每隔60 s采集1次數(shù)據(jù)，共采集10次。圖9、圖10分別為早晨、下午監(jiān)測系統(tǒng)所采集的溫度數(shù)據(jù)；圖11、圖12分別為早晨、下午監(jiān)測系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)。為方便比較，圖13為當(dāng)天溫度、濕度的折線圖。

圖9 早晨溫度采集顯示

圖10 下午溫度采集顯示

圖11 早晨濕度采集顯示

圖12 下午濕度采集顯示

圖13 溫濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計折線圖

上述實測數(shù)據(jù)表明，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地采集溫室環(huán)境中的溫濕度信息。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，適宜蘭花生長的溫室內(nèi)溫度為20°～30 ℃，土壤濕度為40%RH～80%RH。從溫濕度圖形化顯示結(jié)果來看，當(dāng)天濕度適宜，但溫度偏高，易使蘭花蒸騰作用變強，宜提前采取水空調(diào)降溫等措施降低溫室溫度。

3.2 室內(nèi)光敏數(shù)據(jù)采集與分析

該監(jiān)測系統(tǒng)早晨、下午共采集2次光敏數(shù)據(jù)。從8:20開始，每隔60 s采集1次，共采集10次；從15:20開始，每隔60 s采集1次數(shù)據(jù)，共采集10次。圖14為早晨、下午的光敏數(shù)據(jù)折線圖。

圖14 光敏數(shù)據(jù)折線圖

通過光敏數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光度經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后輸出值穩(wěn)定在1 600左右，屬于偏暗的范圍，這與當(dāng)天陰雨天氣有關(guān)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，溫室內(nèi)光照強度影響蘭花葉片生長和植株健康，太強的光線會讓葉片焦灼；太過昏暗的光線會讓葉質(zhì)薄弱，蘭花容易倒伏。為了避免蘭花光合作用不充足的情況出現(xiàn)，應(yīng)合理調(diào)整大棚內(nèi)的光照強度。

4 結(jié) 語

針對蘭花溫室生長環(huán)境的要求，本文設(shè)計了一款溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)主要通過ZigBee組網(wǎng)技術(shù)、傳感器采集數(shù)據(jù)、上位機編寫程序等實現(xiàn)ZigBee開發(fā)板對溫室環(huán)境參數(shù)的采集。實驗表明，該系統(tǒng)能夠通過多傳感器對溫室環(huán)境參數(shù)（溫濕度、光敏值）進行實時監(jiān)測，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過上位機圖形化界面進行實時顯示，提醒用戶調(diào)整溫室環(huán)境參數(shù)。此外，該監(jiān)測系統(tǒng)具有功耗低、精準(zhǔn)度高、信息傳輸可靠、成本低等優(yōu)點，不僅可用于溫室環(huán)境監(jiān)測，還可以廣泛應(yīng)用于其他農(nóng)業(yè)自動化系統(tǒng)。