基于無線傳感器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程　倩

（江西工程學(xué)院，江西　新余　338000）

基于無線傳感器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程倩

（江西工程學(xué)院，江西新余338000）

當(dāng)前溫室大棚存在監(jiān)測困難、有線傳輸系統(tǒng)成本過高等問題。為實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚數(shù)據(jù)的有效監(jiān)控，文章基于無線傳感器的技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)。作者通過建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并利用溫濕度及氣體傳感器對(duì)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測算，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速傳輸，提高了溫室大棚環(huán)境監(jiān)測的智能性和可靠性，降低了溫室大棚的監(jiān)控成本，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

無線傳感器；溫室大棚；智能監(jiān)控系統(tǒng)；ZigBee技術(shù)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，智能化監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)技術(shù)中。當(dāng)前，溫室大棚的監(jiān)控方式包括人工控制和有線監(jiān)控兩種，人工控制法需要用戶對(duì)環(huán)境具有較強(qiáng)的感知力，如控制不得當(dāng)，耗費(fèi)的時(shí)間及人力成本過高，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)融合多學(xué)科的綜合性技術(shù)?；跓o線傳感器設(shè)計(jì)出溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)大棚內(nèi)作物的生長、土壤、病蟲害等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，方便收種、灌溉、防治病蟲害工作的順利開展。文中設(shè)計(jì)的基于無線傳感器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)，利于管理者在控制室了解溫室大棚內(nèi)的信息，通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)管理水平更加智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

1　溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的需求及功能

作物對(duì)其的生長環(huán)境的需求是綜合性的，環(huán)境會(huì)影響作物的光合作用、呼吸作用等代謝過程，也會(huì)通過影響有機(jī)物的運(yùn)輸阻礙作物的生長，環(huán)境因素還會(huì)影響作物生長所需的溫度和濕度。因此，溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)主要的監(jiān)控對(duì)象包括大棚內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤成分等。為降低系統(tǒng)的使用成本，在進(jìn)行環(huán)境因素監(jiān)控時(shí)，需要重點(diǎn)監(jiān)測溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度和二氧化碳濃度。作物的生長發(fā)育離不開溫度和濕度，因此在溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)中溫度和濕度的監(jiān)測是基本內(nèi)容之一；作物生長需要光合作用，光合作用與二氧化碳濃度息息相關(guān)，為促進(jìn)作物的良好生長，需要利用溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)二氧化碳濃度進(jìn)行有效監(jiān)測。溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)中利用傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)控范圍內(nèi)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，采集大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，并及時(shí)傳輸至監(jiān)控管理中心，用戶可以通過監(jiān)控終端查詢數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心為圖形化操作界面，便于操作。

1.2溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于無線傳感器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)包括無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心兩部分內(nèi)容。在溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)中，主要采用的是網(wǎng)狀拓?fù)湫问剑ㄟ^分布于溫室大棚內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息，對(duì)大棚內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并采用ZigBee（短距離低功耗的無線通信技術(shù)）射頻方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的通信。無線傳感器的匯聚節(jié)點(diǎn)具有通信的路由功能，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）設(shè)備傳輸至監(jiān)測中心，由監(jiān)測中心分析及顯示數(shù)據(jù)信息，如遇異常情況，將自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警模塊。

在溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)中，通過無線傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作，其可實(shí)現(xiàn)在不同的應(yīng)用場合采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，有效地對(duì)溫室大棚的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸由兩部分組成，其一是由終端節(jié)點(diǎn)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，其二是由匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸至監(jiān)控中心。溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)通過ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集工作，通過GPRS傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)至監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸工作。溫室大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)分析及存儲(chǔ)工作是通過數(shù)據(jù)中心的軟件完成的，數(shù)據(jù)中心的軟件接收到無線傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行監(jiān)測，再實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，利用相關(guān)技術(shù)分析處理數(shù)據(jù)信息，最終得出相應(yīng)的結(jié)論，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電源管理模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊構(gòu)成，是通過模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成的。其中，電源管理模塊主要對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行管理，隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的處理器模塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與無線射頻模塊放入同一芯片中，簡化了射頻電路的設(shè)計(jì)；傳感器模塊通過采集溫室大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，例如溫度、濕度、二氧化碳濃度等，再通過A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊需要完成對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由協(xié)議、任務(wù)管理等工作內(nèi)容；通信模塊通過在節(jié)點(diǎn)間的無線數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的收發(fā)和采集工作。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)備集成度高，外形極小，應(yīng)用便利。其中包含了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、上電復(fù)位電路等設(shè)備，在接收和發(fā)射信號(hào)的情況下，電流的損耗較低。基于無線傳感器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)中的溫濕度傳感器采用的是Scnsinion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片（11th Sensor of Humidity and Temperature，SHT11），其將溫度和濕度的測量集中于一個(gè)傳感器中，極大了節(jié)約了功耗。芯片內(nèi)部集成了14位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并有數(shù)字信號(hào)輸出，準(zhǔn)確率較高。溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)中的二氧化碳傳感器采用的是型號(hào)為4161的二氧化碳模塊傳感器（Carbon Dioxide Module，CDM4161），傳感器體積小、壽命長且具有較高的穩(wěn)定性。為避免信號(hào)的沖突，SHT11溫濕度傳感器采用線數(shù)字串行接口和CC2430進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，Data（數(shù)據(jù)）用于數(shù)據(jù)的讀取。

3　溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件包括數(shù)據(jù)處理層、消息收發(fā)層、參數(shù)設(shè)置層3部分，根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)原則。其中數(shù)據(jù)處理層包括處理報(bào)警信號(hào)、日志文件、監(jiān)測數(shù)據(jù)等，處理監(jiān)測數(shù)據(jù)是指對(duì)溫室大棚內(nèi)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)、邏輯判斷等工作內(nèi)容，還包含系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)模塊，主要控制維護(hù)系統(tǒng)配置信息、節(jié)點(diǎn)列表、管理信息等；消息收發(fā)層則由消息數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送兩大模塊組成，實(shí)現(xiàn)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和存儲(chǔ)；參數(shù)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)了各傳感器節(jié)點(diǎn)及匯聚節(jié)點(diǎn)之間的參數(shù)設(shè)置，例如節(jié)點(diǎn)的工作模式、頻度等。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)溫室大棚內(nèi)的信息采集和發(fā)送工作，無線傳感器節(jié)點(diǎn)收到指令確定是否采集數(shù)據(jù)，信息經(jīng)過處理完成后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)通過封裝發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，成功后保存信息，等到下一步任務(wù)提醒指令，再進(jìn)行重復(fù)性工作，以此循環(huán)。無線傳感器的匯聚節(jié)點(diǎn)具有收集、處理、傳輸信息的共同，通過通信模塊的啟動(dòng)，建立無線網(wǎng)絡(luò)，確保將有效節(jié)點(diǎn)納入網(wǎng)絡(luò)中，并根據(jù)任務(wù)的需要下達(dá)指令。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)采集指令后，分發(fā)至各傳感器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的信息采集，再傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，在此打包封裝，儲(chǔ)存在存儲(chǔ)單元內(nèi)等待發(fā)送模塊的信息發(fā)送指令，完成一個(gè)工作循環(huán)后等待下個(gè)指令，溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)通過不斷的工作完成實(shí)時(shí)監(jiān)控。溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)中的匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容，采用GPRS技術(shù)完成匯聚節(jié)點(diǎn)至監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容。

4　結(jié)語

本文通過ZigBee技術(shù)，采用SHT11溫濕度傳感器和CDM4161二氧化碳傳感器設(shè)計(jì)出溫室大棚的智能監(jiān)控系統(tǒng)，降低系統(tǒng)監(jiān)測成本，確保系統(tǒng)監(jiān)控的準(zhǔn)確率，對(duì)溫室大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并有效的傳至監(jiān)控中心，用戶通過監(jiān)控終端即可查詢溫室大棚內(nèi)的信息數(shù)據(jù)，解決了有線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)投資大、維護(hù)難的問題。

［1］蔡鑌，馬玉芳，趙振華，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室生態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（2）：167-171.

［2］秦芹.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.無線互聯(lián)科技，2014（3）：243-244.

Design of greenhouse intelligent monitoring system based on wireless sensor

Cheng Qian
（Jiangxi Institute of Engineering， Xinyu 338000， China）

There exists some problems of difficult monitoring and high cost of wire transmission in current greenhouse. In order to realize the effective monitoring of greenhouse data， based on the advantage of wireless sensor technology， this paper designed a greenhouse intelligent monitoring system. A wireless sensor network is built， and the autor uses temperature， humidity and gas sensor to estimate the environment parameter in greenhouse， through the wireless sensor network realized high-speed data transmission， which improved the intelligence and reliability of the greenhouse environment monitoring， reduced the greenhouse monitoring cost and realized remote monitoring of the true meaning.

wireless sensor； greenhouse； intelligent monitoring system； ZigBee technology

程倩（1982— ），女，湖北京山，碩士，講師；研究方向：電子技術(shù)。