基于ZigBee 技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋子龍，曹鳳才，劉權(quán)亮

(1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051;2.中北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，山西 太原 030051;3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

我國(guó)是世界最大的食用菌生產(chǎn)國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)溫室大棚總面積占全球面積的80%，但相當(dāng)一部分食用菌生產(chǎn)仍停留在傳統(tǒng)工作方式操作，操作模式產(chǎn)量低、規(guī)模小，嚴(yán)重制約著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由過(guò)去的粗獷型向精準(zhǔn)型的轉(zhuǎn)型。在當(dāng)前我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的前提下，本項(xiàng)目主要針對(duì)我國(guó)食用菌種植管理方式粗放、效率低、產(chǎn)量小、質(zhì)量差等問(wèn)題，結(jié)合食用菌產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展和生產(chǎn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的實(shí)際需求，將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合到菌類溫室控制當(dāng)中，設(shè)計(jì)出一套集采集、傳輸、控制、監(jiān)控等為一體的溫室控制系統(tǒng)［1］。采用ZigBee 無(wú)線傳輸模塊有助于解決有線系統(tǒng)的局限性問(wèn)題，并且通過(guò)節(jié)點(diǎn)的建立，形成樹(shù)型節(jié)點(diǎn)或者星型節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，方便在上位機(jī)進(jìn)行總體顯示和集成管理［2］。

1 菌類溫室特點(diǎn)

菌類生長(zhǎng)周期短，生長(zhǎng)階段多，現(xiàn)代化菌類溫室有別于其他溫室的特點(diǎn)在于，不同菌類所適合的環(huán)境參數(shù)不同，而且同一菌類在不同生長(zhǎng)階段所需要的環(huán)境參數(shù)也不相同，所以要保證菌類的正常生長(zhǎng)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的，就必須根據(jù)菌類各個(gè)生長(zhǎng)階段生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境的要求采取相應(yīng)環(huán)境調(diào)控措施，提供有益的生長(zhǎng)環(huán)境。部分菌類生長(zhǎng)濕度環(huán)境參數(shù)如表1 所示［3］?；赾ortexA8 平臺(tái)的菌類溫室控制系統(tǒng)主要對(duì)菌類溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，并且配套視頻監(jiān)控，目的是為菌類各生長(zhǎng)階段設(shè)置不同控制參數(shù)的溫室采集控制系統(tǒng)。操作人員可以通過(guò)人機(jī)界面顯示，操作控制器對(duì)菌類生長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)控管理，用戶可以根據(jù)需要自己設(shè)置各生長(zhǎng)階段的環(huán)境參數(shù)，獨(dú)立對(duì)各個(gè)溫室環(huán)境進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)溫室內(nèi)相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)調(diào)控，使溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)達(dá)到對(duì)菌類各生長(zhǎng)階段所需的環(huán)境因子的要求［3］。

表1 菌類生長(zhǎng)相對(duì)濕度參數(shù)表

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的硬件組成部分由分別搭載各類傳感器和繼電器的CC2530 無(wú)線模塊、基于cortexA8 平臺(tái)的嵌入式網(wǎng)關(guān)、PC機(jī)、監(jiān)控設(shè)備等組成。硬件系統(tǒng)為用戶提供LCD、鍵盤等人機(jī)交互界面和攝像頭監(jiān)控，還可以通過(guò)手持設(shè)備對(duì)溫室進(jìn)行觀測(cè)和控制。通過(guò)生長(zhǎng)階段的劃分、設(shè)備的關(guān)聯(lián)、運(yùn)行模式的選擇、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)菌類溫室內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳和光照等的檢測(cè)與控制，通過(guò)對(duì)溫室內(nèi)相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)調(diào)控，使溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)達(dá)到對(duì)菌類各生長(zhǎng)階段所需的環(huán)境因子的要求。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是在菌類溫室大棚中放置的各類傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)的空氣溫度、土壤溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等相關(guān)環(huán)境參數(shù)，并且和數(shù)據(jù)庫(kù)的環(huán)境參數(shù)設(shè)定進(jìn)行比較;當(dāng)采集的環(huán)境參數(shù)值超標(biāo)時(shí)，將向主機(jī)和手持嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)出報(bào)警信息，用戶可以根據(jù)主機(jī)的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備對(duì)菌類溫室大棚進(jìn)行環(huán)境參數(shù)修改;數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，可以使用戶根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)菌類溫室大棚進(jìn)行噴淋、降溫、遮陽(yáng)、通風(fēng)等操作，還可以為農(nóng)業(yè)專家提供研究性依據(jù);視頻監(jiān)控可幫助工作人員遠(yuǎn)程管理菌類溫室，真正實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的監(jiān)測(cè)控制一體化。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 硬件電路框圖

由于溫度、濕度、光照的相互作用，環(huán)境參數(shù)具有延時(shí)性和時(shí)變性的特點(diǎn)，單個(gè)參數(shù)因子的調(diào)節(jié)受到其他被控對(duì)象的影響，對(duì)一個(gè)因子的控制會(huì)影響到另一個(gè)因子參數(shù)的變化，因此在建立專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程中，面對(duì)溫濕度、光照、CO2濃度等多方面數(shù)據(jù)采集，需要采用多輸出多輸入的耦合控制過(guò)程，采用模糊控制方法，將設(shè)定值和檢測(cè)值進(jìn)行比較，將偏差的變化率通過(guò)模糊決策得到模糊控制量，最后經(jīng)過(guò)處理作用于被控對(duì)象，可以使控制系統(tǒng)在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊

采集模塊中的溫濕度傳感器采用有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)的SHT10 作為主芯片，電源引腳之間可增加一個(gè)100 nF 的電容，用以去耦濾波。SCK 用于微處理器與SHT10之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK 頻率。DATA 三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK 時(shí)鐘下降沿后改變狀態(tài)，并僅在SCK 時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK 時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA 必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA 在低電平［5］。

本文采用的CC5230 芯片基于TI 的IAR5.3 與Zig-Bee207-Zstack 協(xié)議棧進(jìn)行開(kāi)發(fā)。CC2530 是一個(gè)兼容IEEE 802.15.4 的片上系統(tǒng)，支持專有的802.15.4 市場(chǎng)以及Zig-Bee、ZigBee PRO 和ZigBeeRF4CE 標(biāo)準(zhǔn)，提供了101 dB 的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，四種供電模式、2 個(gè)USART、12 位ADC 和21 個(gè)通用GPIO。支持一般的低功耗無(wú)線通信。無(wú)線模塊的整體框圖如圖2 所示。

圖2 CC2530 模塊整體框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 模糊控制

H0 和T0 用來(lái)表示數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)設(shè)定的最適宜濕度和溫度，H 和T 分別是通過(guò)傳感器返回來(lái)的實(shí)際濕度和溫度值，通過(guò)參數(shù)之間的關(guān)系建立參數(shù)方程:

eH與eT分別表示當(dāng)前值與實(shí)際檢測(cè)值之間的誤差，X、Y 為解耦參數(shù)，其作用是消解耦合性。將輸入的溫濕度量通過(guò)比較得到偏差eH與eT，通過(guò)量化轉(zhuǎn)化為模糊量E，一定范圍內(nèi)的模糊子集表;將實(shí)驗(yàn)得出對(duì)應(yīng)的誤差變化率ecH 與eCT 量化成EC［4］;將專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)建立成模糊控制規(guī)則表，通過(guò)模糊規(guī)則進(jìn)行推理可得出輸入輸出關(guān)系。通過(guò)輸入輸出關(guān)系可以得出對(duì)應(yīng)的模糊控制量U。通過(guò)循環(huán)，得到對(duì)被控對(duì)象的控制。需要注意的是當(dāng)偏差較大時(shí)，應(yīng)控制對(duì)應(yīng)量變化使偏差變小;當(dāng)偏差較小時(shí)，應(yīng)防止系統(tǒng)振蕩，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 模糊控制結(jié)構(gòu)圖

4.2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

WinCE6.0 是微軟公司開(kāi)發(fā)的一種支持多種外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)，其支持超過(guò)1 000 個(gè)常用的Microsoft Win32API 和一些附加的編程接口，為用戶提供全面的源代碼，可用于開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。Windows CE 的開(kāi)發(fā)過(guò)程可以分為:OAL、驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)三個(gè)步驟。其中，OAL開(kāi)發(fā)最基本的一步是板級(jí)支持包(BSP)，Boot Loader 在BSP開(kāi)發(fā)中具有極為關(guān)鍵的地位。在驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方面開(kāi)發(fā)者通過(guò)WinCE 提供的API 函數(shù)直接可以實(shí)現(xiàn)硬件交互，接口驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的DLL 接口直接提供給內(nèi)核使用，包括串口驅(qū)動(dòng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)等等，應(yīng)用程序通過(guò)API 直接對(duì)外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)［7］。通訊方面主機(jī)應(yīng)用程序是一個(gè)以Windows 系統(tǒng)服務(wù)形式存在的服務(wù)程序，傳輸節(jié)點(diǎn)以及上層應(yīng)用都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)程序上，并通過(guò)服務(wù)程序進(jìn)行通信，設(shè)備與服務(wù)程序的通訊過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段是與中間服務(wù)的通訊，主要是與中間服務(wù)建立連接并完成設(shè)備類型的識(shí)別以及一些通訊參數(shù)的初始化，第二個(gè)階段需要有上層應(yīng)用的配合，如果有上層應(yīng)用連接到服務(wù)，則設(shè)備開(kāi)始通過(guò)服務(wù)與上層應(yīng)用進(jìn)行通訊，此時(shí)服務(wù)的功能是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器，協(xié)調(diào)上層應(yīng)用和設(shè)備之間的通信，不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。應(yīng)用程序完成之后，可以同時(shí)讓設(shè)備與C/S 架構(gòu)的桌面程序和Web Service 進(jìn)行通信。

菌類溫室控制系統(tǒng)界面為用戶提供溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)參數(shù)，用戶可以通過(guò)實(shí)時(shí)顯示對(duì)功能模塊參數(shù)包括溫度、濕度、光照等在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)配置。通過(guò)菌類溫室控制系統(tǒng)的儀表動(dòng)態(tài)界面、實(shí)時(shí)報(bào)表和遠(yuǎn)程監(jiān)控，部分界面如圖5 所示。用戶可掌握溫室的實(shí)際生產(chǎn)情況并提供異常實(shí)時(shí)報(bào)警設(shè)備控制，如圖4 所示。

圖4 菌類溫室控制系統(tǒng)程序演示圖

圖5 菌類溫室控制系統(tǒng)監(jiān)控報(bào)警圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于cortexA8 平臺(tái)的菌類溫室控制系統(tǒng)，以cortexA8 為中央控制器，CC5230 無(wú)線模塊為前端傳感器節(jié)點(diǎn)，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總之后再傳給嵌入式控制器，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。通過(guò)大棚現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，表明系統(tǒng)智能化程度高，操作簡(jiǎn)便直觀，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、集中化管理，并且數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可為農(nóng)業(yè)專家提供研究性依據(jù)，系統(tǒng)還可用于其他領(lǐng)域當(dāng)中，應(yīng)用前景廣闊。

［1］Yin L，Chen D，Li C，et al.Research on the Intelligent Greenhouse Ecological Environment Control and Application Based on Internet of Things［C］//World Automation Congress (WAC)，2012.IEEE，2012：1－5.

［2］Avila-Miranda R，Begovich O，Ruiz-Leon J.An Optimal and Intelligent Control Strategy to Ventilate a Greenhouse［C］//Evolutionary Computation (CEC)，2013 IEEE Congress on.IEEE，2013：779－782.

［3］蔣友.蘑菇溫室智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.

［4］付煥森，李元貴，張雪蓮，等.智能專家系統(tǒng)在蔬菜溫室大棚種植中的應(yīng)用［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35(1) ：240－244.

［5］黃家露，楊方，張衍林.基于CC2430 的溫室無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32(5) ：119－123.

［6］鞠傳香，吳志勇.基于ZigBee 技術(shù)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013(12) ：405－407.

［7］羅健飛，吳仲城，沈春山，等.基于ARM 和WinCE 下的設(shè)備接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化與儀表，2009，24(3) ：1－3.

［8］Li S J，Luo C，Wang X D.Design of Embedded Monitoring System for Greenhouse Based on ARM11 and WinCE［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，303：1477－1480.