基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

于泓博 李靜輝 陶佰睿

摘要：隨著智能農(nóng)業(yè)與精細(xì)農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)的提出，針對(duì)目前在大棚中對(duì)各種環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就要進(jìn)行復(fù)雜繁瑣的布線的情況，為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物能夠在大棚中有適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)還要達(dá)到對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，提出1種基于北斗和ZigBee技術(shù)的溫大棚環(huán)境無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的空氣溫度、土壤濕度和光照度等指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并由LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示出測(cè)量的數(shù)據(jù)，并通過北斗通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸大棚內(nèi)的參數(shù)信息，達(dá)到了對(duì)溫室花房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用，為人們管理大棚提供了很大的方便，具有廣闊的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：大棚監(jiān)測(cè)；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee

中圖分類號(hào)： TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2016）08-0398-05

目前農(nóng)業(yè)生物環(huán)境監(jiān)測(cè)工程十分普及，它已經(jīng)成為可使農(nóng)作物快速生長(zhǎng)、提高質(zhì)量和產(chǎn)量的重要手段，更是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要目標(biāo)之一。大棚是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施上為各種農(nóng)作物提供最佳生長(zhǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)場(chǎng)所，它能夠促進(jìn)農(nóng)作物快速生長(zhǎng)，提高農(nóng)作物質(zhì)量，我國(guó)高檔農(nóng)作物大多采用的是大棚栽培技術(shù)[1]，空氣溫濕度，土壤濕度、光照度等都是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要因素[2]，大棚的監(jiān)測(cè)技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，尤其是與ZigBee技術(shù)的結(jié)合，完成采集大棚中的多種環(huán)境參數(shù)的系統(tǒng)，成為未來“物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的主流。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚局部的環(huán)境參數(shù)[3]，最后將這些參數(shù)通過我國(guó)自行研制的北斗無線通信衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心，大棚管理員就可以根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)對(duì)大棚的各種指標(biāo)進(jìn)行及時(shí)處理，以確保溫室中的農(nóng)作物盡可能處在一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境中，這樣便能夠有效提高農(nóng)作物的成品質(zhì)量[4]，從而使農(nóng)作物產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中變得更加有利，提高市場(chǎng)占有率，進(jìn)而增加生產(chǎn)者的經(jīng)濟(jì)收入。

1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)方案

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯和歐盟衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后第4個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要包括北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)。由北斗與ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如圖1所示。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)組成。結(jié)合此系統(tǒng)的具體使用環(huán)境場(chǎng)合，可以多種形式組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要節(jié)點(diǎn)，完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的建立與管理、環(huán)境數(shù)據(jù)收集管理及連接北斗終端發(fā)送數(shù)據(jù)。其他路由、支路節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)采集并發(fā)送數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

[FK（W13][TPYHB1.tif][FK）]

該系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還有一個(gè)重要任務(wù)，就是在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)第1次與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，如果出現(xiàn)該通信節(jié)點(diǎn)不在其路由列表中，此時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)依據(jù)不同路徑情況，將選擇最佳匹配的網(wǎng)絡(luò)路由路徑。通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將信息匯總，通過北斗終端模塊發(fā)送給北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，再通過地面接收站接收，在監(jiān)控中心就可以實(shí)時(shí)收到被監(jiān)測(cè)的環(huán)境信息。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要包括：光照傳感器模塊、土壤濕度監(jiān)測(cè)模塊、土壤溫度檢測(cè)模塊、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、ARM主控模塊、北斗定位模塊和LCD顯示模塊組成，系統(tǒng)具體方案如圖2所示。

主控模塊采用ARM7中STM32模塊，該芯片屬于32位的[CM（25]微控制器，主要先負(fù)責(zé)對(duì)北斗模塊和顯示模塊進(jìn)行相關(guān)初[CM）]

[FK（W13][TPYHB2.tif][FK）]

始化，并接收和處理ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，處理好的信息將在LCD屏中顯示，同時(shí)北斗衛(wèi)星模塊將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至大棚環(huán)境監(jiān)控中心。由于ZigBee具有自動(dòng)組網(wǎng)功能，所以系統(tǒng)采用多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組成大規(guī)模監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使監(jiān)控范圍增加，多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)最終匯聚到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有1個(gè)，負(fù)責(zé)ZigBee無線傳感網(wǎng)的建立及維護(hù)[5]。同時(shí)接收各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給主控模塊。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集所需的測(cè)量參數(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與光照傳感器模塊、空氣溫度傳感器模塊和土壤濕度傳感器相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中的懸浮顆粒物濃度、空氣的溫度以及土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸。本系統(tǒng)采用UM220北斗芯片模塊，完成地理坐標(biāo)定位，得到所在點(diǎn)的經(jīng)緯度，在主控模塊的控制下，將定位信息和傳感器采集大棚環(huán)境參數(shù)發(fā)送至監(jiān)控中心[6]，同時(shí)這些信息將顯示到LCD屏幕上。

2.2北斗模塊接口電路設(shè)計(jì)

本研究采用基于雙系統(tǒng)多頻率高性能SOC芯片和芯星通UM220-Ⅲ N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，能夠同時(shí)支持BD2、B1、GPS L1這2個(gè)頻點(diǎn)。UM220是針對(duì)車輛監(jiān)控、氣象探測(cè)和電信電力授時(shí)等應(yīng)用推出的BD2/GPS雙系統(tǒng)模塊，其工作電壓為2～3.7 V直流電，工作溫度為-40～+85 ℃，定位精度為2.5 m，是市場(chǎng)上尺寸最小的BD2/GPS模塊，集成度高，功耗低，非常適合北斗系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。作為相互通信需要，將北斗UM220的TXD2引腳連接嵌入式ARM 7模塊STM32的PA10引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，將北斗UM220的RXD2引腳連接嵌入式STM32的PA9引腳接收數(shù)據(jù)。UM220的接口電路設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

2.3光照度采集模塊接口電路設(shè)計(jì)

光照度采集模塊使用GY-30模塊，它采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，供電電源為3～5 V，光照度范圍為0～655 35 lx，傳感器內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字輸出，不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1 lx的高精度測(cè)定，標(biāo)準(zhǔn)NXP Ⅱ C通信協(xié)議，模塊內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換，其接口電路如圖4所示。

電路中的10 kΩ電阻主要起到分壓的作用，放大器和 10 kΩ 滑動(dòng)電阻主要是放大信號(hào)源信號(hào)，104電容主要起到去耦的作用。

2.4ZigBee模塊硬件接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，CC2530終端節(jié)點(diǎn)作為測(cè)量終端，也是任務(wù)的真正執(zhí)行者，除了具有基本的最小電路外，必須要同任務(wù)相關(guān)的DS18b20溫度傳感器、光照空氣質(zhì)量傳感器、YL-69土壤濕度傳感器相連接。終端節(jié)點(diǎn)接口電路圖如圖5所示，其中P05與YL-69的模擬輸出AO相連接，P06與光照傳感器的模擬輸出AO相連接，P07與DS18B20的數(shù)據(jù)輸出DQ相連接。在本設(shè)計(jì)中均采用采集其模擬量的辦法，并通過CC2530內(nèi)部的ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）功能模塊，進(jìn)行采集量從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。DS18B20采用1-WIRE通信方式，其余CC2530僅通過DQ-P07連接。節(jié)點(diǎn)通過DQ根據(jù)協(xié)議發(fā)出不同的電平變化即可操作相關(guān)寄存器，進(jìn)行初始化及讀取測(cè)量值。

CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)因?yàn)槠渲饕蝿?wù)是建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并與ARM主控模塊進(jìn)行串口通信，所以協(xié)調(diào)器上并未安置其他傳感器，本設(shè)計(jì)中選用其最小系統(tǒng)電路來作為CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的基本電路設(shè)計(jì)。

2.5濕度采集模塊接口電路設(shè)計(jì)

YL-69土壤濕度傳感器可用于檢測(cè)土壤的水分含量，接口電路圖如圖6所示。當(dāng)土壤水分含量低到預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，傳感器輸出一個(gè)高電平，反之輸出低電平。傳感器的比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定，其工作電壓為3.3～5.0 V，靈敏度可調(diào)。

本研究中YL-69的探頭將探測(cè)到的數(shù)據(jù)傳由LM393比較芯片進(jìn)行電壓的比較，將比較的結(jié)果通過OUT1引腳輸出至ZigBee CC2530的P0引腳。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的軟件分為三大部分，分別是ZigBee、ARM和北斗。從上電開始，系統(tǒng)分別進(jìn)入初始化，傳感器節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度和光照度等數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，同時(shí)，北斗也將其定位信息發(fā)送到ARM，ARM在解析數(shù)據(jù)后，將其顯示在LCD顯示屏幕上，系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。

3.2北斗發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)

北斗模塊UM220在系統(tǒng)中通過串口與ARM上位機(jī)進(jìn)行通信，并且根據(jù)要求將數(shù)據(jù)報(bào)文返回給ARM進(jìn)行處理。軟件中通過對(duì)報(bào)文進(jìn)行逐字分析來獲得對(duì)應(yīng)所需要的坐標(biāo)和發(fā)送信息，具體流程如圖8所示。

其中初始化函數(shù)設(shè)計(jì)BD_init（），即為ARM對(duì)UM220模塊進(jìn)行初始化的函數(shù)。北斗模塊初始化的關(guān)鍵是進(jìn)行模塊復(fù)位，模塊復(fù)位需要通過串口對(duì)UM220發(fā)送復(fù)位命令，所以本設(shè)計(jì)調(diào)用串口命令，發(fā)送USART2_SendStr，來實(shí)現(xiàn)對(duì)UM220模塊進(jìn)行芯片級(jí)復(fù)位，以熱啟動(dòng)的方式進(jìn)行。

3.3路由與終端節(jié)點(diǎn)工作流程設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)外接模塊較多，所以每個(gè)功能獨(dú)立設(shè)計(jì)成子函數(shù)的形式，再由主程序依次調(diào)用每個(gè)子函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能[7]。在編程語言上，本研究采用適合將程序模塊化的C語言來實(shí)現(xiàn)，這樣不但可以提高編程速率，也方便了各個(gè)程序之間的調(diào)用和嵌套，使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)能更穩(wěn)定地運(yùn)行下去。該系統(tǒng)中核心部分的就是路由與終端節(jié)點(diǎn)算法，此算法決定系統(tǒng)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的組成和信息的傳輸，算法流程如圖9所示。

系統(tǒng)初始化主要是在上電后，對(duì)各個(gè)模塊完成初始化，以便之后的程序加載，首先，加載頭文件#include“MT_UART.h”來進(jìn)行串口的初始化，#inclu de“ds18b20.h”來進(jìn)行溫度傳感器DS18B20的初始化，#include“hal_adc.h”來進(jìn)行芯片內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的初始化，#include“SampleApp.h”來進(jìn)行 ZigBee 軟件的初始化，對(duì)各個(gè)采集模塊進(jìn)行宏定義，

4結(jié)果與分析

選取不同時(shí)間段對(duì)大田的溫度、土壤的濕度進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證系統(tǒng)準(zhǔn)確度，該系統(tǒng)測(cè)得的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備計(jì)量得的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，并進(jìn)行誤差分析，具體如表1所示。

從表1中可以看出，試驗(yàn)中分別測(cè)量了7個(gè)不同時(shí)刻的溫、濕度，對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)測(cè)量的溫濕度存在一定的誤差，溫度的相對(duì)誤差值在±2%的范圍之內(nèi)，測(cè)量值比實(shí)際值偏??；濕度誤差值小于2%，測(cè)量值比實(shí)際值偏大，在傳感器的允許的范圍之內(nèi)。由以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，系統(tǒng)誤差值在允許的誤差范圍之內(nèi)，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性達(dá)到要求。

5結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線大棚環(huán)境主要數(shù)據(jù)的采集，其中ZigBee終端可以自由組成無線傳感器網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)具有容量大、傳輸距離遠(yuǎn)和可擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以對(duì)大面積大棚的土壤濕度、空氣溫度、空氣質(zhì)量以及光照進(jìn)行實(shí)時(shí)性

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式相比，不受時(shí)間和空間的限制，從而提高管理人員的工作效率，更加及時(shí)地了解農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境。本研究采用的北斗通信技術(shù)是我國(guó)未來衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的主流，不受地域、時(shí)域和周邊環(huán)境限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)具有測(cè)量誤差小、數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定以及效率高等特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域和前景廣闊。

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