基于無線傳感器的分簇溫室大棚監(jiān)控

張金良

摘 要：西藏位于高海拔地區(qū)，氣候干燥，紫外線強(qiáng)，冬季干冷，特殊的地理?xiàng)l件，使得一些植物無法在這樣的環(huán)境中正常生長，造成了西藏本地的蔬菜和水果數(shù)量少，很多都要從內(nèi)地輸送，增加了成本和時(shí)間。為了能使西藏本地人們吃到新鮮便宜的蔬菜和水果，文章借助于現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了無線傳感器分簇溫室大棚監(jiān)控方法，希望能解決以上所提到的問題。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；ZigBee組網(wǎng)；分簇的方法；監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

伴隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)于生活質(zhì)量要求更高，反季節(jié)水果和蔬菜受到人們的歡迎。在上世紀(jì)80年代，很多農(nóng)村開始興起溫室大棚，一直到現(xiàn)在，很多的溫室大棚依然是人工管理的耕作模式，人們自己搭建和管理，這種方式耗費(fèi)了大量的人力和財(cái)力，并且受到一些規(guī)模的限制，對(duì)此農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化應(yīng)運(yùn)而生。人們能夠通過在溫室大棚中使用傳感器來實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)大棚環(huán)境，再用ZigBee模塊搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，自組網(wǎng)以后，能通過ZigBee模塊做為協(xié)調(diào)器來發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機(jī)上，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和反饋。

外部的自然環(huán)境對(duì)農(nóng)作物的影響很大，溫室的內(nèi)部溫度、空氣中的濕度、太陽的光照強(qiáng)度和溫室內(nèi)的二氧化碳濃度等都能影響作物的生長時(shí)間和產(chǎn)量。在溫室控制領(lǐng)域，室溫控制、二氧化碳濃度的控制、水肥控制、通風(fēng)控制、灌溉控制以及光照補(bǔ)償控制等都有很高的自動(dòng)化管理。

在最近的幾十年，我國也在強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化管理的研究和應(yīng)用，通過對(duì)于發(fā)達(dá)國家技術(shù)的借鑒和自主創(chuàng)新，我們國家的自動(dòng)化管理和監(jiān)控技術(shù)有了很大的提高。但是在高海拔地區(qū)自動(dòng)化管理的應(yīng)用受到了限制，為了能更好服務(wù)于西藏地區(qū)，自動(dòng)化技術(shù)的普及是很有必要的。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 無線傳感器的應(yīng)用

無線傳感器的發(fā)展是迅速的，在很多領(lǐng)域都能搜尋到它們的蹤跡，如環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)生產(chǎn)等[1]。傳感器能夠感應(yīng)到周圍環(huán)境的參數(shù)，并且能夠處理這些參數(shù)，把數(shù)據(jù)傳輸出去。傳感器的體型很小，并且很節(jié)能，能很好的跟無線技術(shù)結(jié)合。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室大棚的環(huán)境調(diào)整中得到實(shí)際的應(yīng)用，PC機(jī)能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且能處理和反饋這些數(shù)據(jù)，用戶能很好的監(jiān)控溫室環(huán)境，圖1所示是一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖。

1.2 分簇設(shè)計(jì)方法

通過分簇法把環(huán)境分為三個(gè)區(qū)域：熱帶區(qū)，寒帶區(qū)和溫帶區(qū)。熱帶區(qū)主要是南方的一些水果和蔬菜，或者其它作物，這個(gè)區(qū)域的環(huán)境是要求光照強(qiáng)，空氣濕潤；寒帶區(qū)主要是北方的一些作物，這個(gè)區(qū)域的環(huán)境要求溫度要保持在一定的范圍，而且空氣比較干燥，CO2濃度低；溫帶區(qū)主要是中部的一些作物的生長，需要根據(jù)作物不同的季節(jié)，來合理的調(diào)節(jié)一些標(biāo)準(zhǔn)，使得作物能正常的生長。

分簇法是讓不同區(qū)域的作物分配到不同是溫室中，在每個(gè)區(qū)域都有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器來傳輸數(shù)據(jù)，在主機(jī)界面上會(huì)有每個(gè)區(qū)域的管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)處理機(jī)制，這樣能很好的監(jiān)控作物的生長。圖2所示為分簇法的總體設(shè)計(jì)圖。

2 采集終端的設(shè)計(jì)

采集終端可使整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，體現(xiàn)了監(jiān)測(cè)功能的正常工作。采集方式是通過無線傳感器節(jié)點(diǎn)來完成。傳感器芯片的選擇很重要，既要做到功耗低，價(jià)格便宜，也要在意采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度和一些其他因素。寒帶區(qū)的傳感器選擇溫度主要是-30℃～45℃之間變化，而熱帶區(qū)是-10℃～80℃之間變化，溫帶區(qū)是-20℃～60℃之間變化。

采集模型的終端是溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)通過無線發(fā)送模塊傳遞給PC機(jī)。

傳感器的選擇，溫度是影響作物生長的重要因素，根據(jù)不同的環(huán)境可以選擇不同的傳感器，我們選擇AD590作為溫度傳感器，AD590能夠容忍加載正向最大44 V的電壓，反向20 V的最大電壓，傳感器不容易因電壓的過大而損壞[3]。AD590不需要精密電壓放大器、線性化電路、電阻測(cè)量電路和冷結(jié)補(bǔ)償，還不容易受到外界的干擾、傳輸較遠(yuǎn)的距離進(jìn)行測(cè)量溫度。

濕度與作物的生長也息息相關(guān)，電阻式濕度傳感器，它的上面有一層感濕材料薄膜，它會(huì)吸附空氣中的水分，從而影響電阻值發(fā)生變化，空氣的濕度可以通過電阻的變化而體現(xiàn)出來。電容式傳感器是采用一種高分子薄膜。隨著空氣中水分的變化，吸附在濕敏電容表面的高分子材料上的水蒸汽含量會(huì)發(fā)生變化，從而使得電容值改變，進(jìn)而體現(xiàn)空氣濕度的變化[4]。

CO2存在于空氣中，對(duì)于一個(gè)密封的溫室環(huán)境，作物不斷進(jìn)行光合作用，使得二氧化碳的濃度和室外有很大的差別。理想的二氧化碳濃度能夠促進(jìn)幼苗根系的生長，增強(qiáng)作物的生命力和增加產(chǎn)量。透過CO2濃度檢測(cè)值的吸收光譜的處理產(chǎn)生的值來轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，數(shù)字濾波，經(jīng)過放大電路后，最后發(fā)送到單片機(jī)，經(jīng)溫度補(bǔ)償以后，由單片機(jī)系統(tǒng)傳遞出去。

光照是光合作用的條件，因此，對(duì)作物的生長也很重要。光照傳感器采用高端光電轉(zhuǎn)換模塊，把光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為電壓值（0～2 V）或者電流值（4～20 mA）。

采集完以上四種數(shù)據(jù)以后，進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變，發(fā)送到單片機(jī)。

3 測(cè)試結(jié)果分析

在終端數(shù)據(jù)采集的測(cè)試中，精準(zhǔn)性是最重要的，就是說遠(yuǎn)程接收的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的誤差，本設(shè)計(jì)中監(jiān)測(cè)四個(gè)參數(shù)：溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度。每個(gè)參數(shù)用3個(gè)區(qū)域?yàn)檫x定對(duì)象，每個(gè)區(qū)域放置兩個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器發(fā)送兩次數(shù)據(jù)，間隔時(shí)間為一個(gè)小時(shí)。其測(cè)試結(jié)果如表1所列。

通過比較得知其誤差范圍在5%以內(nèi)，是允許的誤差范圍，這里只舉出溫度的數(shù)據(jù)表格，其他參數(shù)也是誤差在5%以內(nèi)，符合要求。

4 結(jié) 語

本文通過在高海拔地區(qū)溫室大棚的實(shí)際應(yīng)用，解決了西藏地區(qū)一直以來不能吃到新鮮蔬菜和水果的問題，使得西藏地區(qū)的物價(jià)水平有了一定的降低，方便了本地人們的生活。希望下一步能夠很好的普及在西藏地區(qū)，讓更多的人得到實(shí)惠。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇云川.礦井溫度參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2008.

[2]張亞瓊，杜永貴.基于CC2430的ZigBee智能傳感器網(wǎng)絡(luò)研究及應(yīng)用[J].儀表技術(shù)，2008（4）：3-4.

[3]玉臺(tái).集成溫度傳感器AD590及其應(yīng)用[J].國外電子元器件，2002（7）：22-25.

[4]沙占友.濕度傳感器的發(fā)展趨勢(shì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2003（7）：6-7.