智能溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計

李寶生

摘 要：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是結(jié)合了當(dāng)代自動控制、農(nóng)業(yè)生物學(xué)、計算機網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)的綜合性應(yīng)用。文章設(shè)計的溫室大棚智能系統(tǒng)，完成了基于Zigbee技術(shù)的溫室大棚智能系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了對大棚內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)的實時采集，無線傳輸和閉環(huán)控制。本系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點對植物生長環(huán)境中比較重要的空氣溫、濕度、光照強度、土壤濕度等數(shù)據(jù)進行實時采集。由Zigbee協(xié)調(diào)器構(gòu)建一個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型的Zigbee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸，Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器模塊作為總控制器，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的環(huán)境閾值對相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)進行控制。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；溫室大棚；無線網(wǎng)絡(luò)傳輸

1 概述

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室大棚系統(tǒng)之中，利用各種傳感器設(shè)備，例如：光照傳感器、PH 值傳感器、溫濕度傳感器、CO2傳感器對環(huán)境中的光照強度、PH值、溫濕度、CO2 濃度這些物理量參數(shù)進行檢測，然后利用各種儀表儀器進行實時的顯示或者作為參數(shù)變量參與系統(tǒng)的自動控制，以保證溫室大棚系統(tǒng)內(nèi)有一個適宜的、良好的環(huán)境給農(nóng)作物生長。在遠(yuǎn)程控制模塊中，技術(shù)人員可以在控制室內(nèi)檢測以及控制多個大棚的環(huán)境。農(nóng)作物生長條件是通過無線網(wǎng)絡(luò)進行測量的，這樣就可以給精確的調(diào)控溫室環(huán)境提供可靠的科學(xué)依據(jù)，從而達到調(diào)節(jié)生長周期、改善品質(zhì)、增加產(chǎn)量、提高農(nóng)作物的經(jīng)濟效益的目的[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)，并接受來自傳感器子節(jié)點的Zigbee模塊的采集數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的處理向控制器子節(jié)點發(fā)送控制信息。其中傳感器節(jié)點與單片機MSP430和STM8通過串口連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，單片機對相應(yīng)的傳感器采集到的模擬量或者讀取的數(shù)字量進行處理后發(fā)送給Zigbee模塊。控制器節(jié)點也通過串口與單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，單片機通過對I/O口的控制驅(qū)動直流電機等執(zhí)行器[2]。

2.1 終端節(jié)點傳感器模塊硬件設(shè)計

根據(jù)對大棚控制的要求，系統(tǒng)需要采集大棚溫濕度、光照以及地面濕度這些參數(shù)，所以我們需要利用到光照傳感器、溫濕度傳感器、地面濕度傳感器與微型控制器[3]。

我們采用的光照傳感器模塊是以光敏電阻為主的傳感器。它是基于敏電阻內(nèi)光電效應(yīng)的工作原理，當(dāng)周圍光線變?nèi)鯐r引起光敏電阻的阻值增加，光敏電阻兩端電壓增大，R4兩端電壓減小。周圍的光線變強時引起光敏電阻的阻值減小，光敏電阻兩端電壓減小，R4兩端電壓增大[4]。

溫濕度傳感器選擇使用了DHT22，DHT22采樣周期間隔時間不得低于2S。DATA數(shù)據(jù)接口為單總線接口，用于微控制器與模塊的通訊與同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間大約為5ms，輸出數(shù)據(jù)為40個bit位并且高位先出。

土壤濕度傳感器模塊由一個LM393低功率低失調(diào)電壓雙比較器為主體。

文章選擇了STM8S103F3基礎(chǔ)性微控制器，STM8具有3級流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，該MCU內(nèi)部高度集成了內(nèi)部時鐘振蕩器，3V-5.5V的寬工作電壓。然而相對于其他的8位MCUSTM8最高fcpu頻率可以達到24MHZ，當(dāng)cpu小于或等于16MHZ時為0，等待的存儲器訪問。

2.2 終端節(jié)點執(zhí)行器節(jié)點硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中的執(zhí)行器包括步進電機、直流電機、LED燈、水泵四個。步進電機帶動大棚頂部的卷簾，當(dāng)棚內(nèi)溫度低時拉上卷簾避免溫度過低，直流電機帶動葉片，可以保持棚內(nèi)空氣流通，當(dāng)土壤濕度不夠時開啟水泵實現(xiàn)自動灌溉，光照強度不足時開啟 LED 燈補充光照[5]。

文章用到了水泵來調(diào)節(jié)土壤的濕度，風(fēng)扇用來增加空氣對流，降溫等目的。對于水泵和風(fēng)扇的驅(qū)動都選擇了L9110驅(qū)動芯片，L9110有低靜態(tài)工作電流寬電源電壓（范圍為2.5V至12V），每條通道都具有800mA連續(xù)電流輸出的能力以及較低的飽和壓降，兼容 TTL/CMOS輸出電平，可直接連接到CPU的IO引腳，輸出內(nèi)置鉗位二極管，比較適用于感性負(fù)載，控制和驅(qū)動集成于單片IC內(nèi)部，具有管腳高壓保護等功能。

2.3 Zigbee 模塊硬件設(shè)計

本系統(tǒng)選擇CC2530作為Zigbee模塊的主要芯片，CC2530芯片集成了實時時鐘，兩個可編程USART，用于主/從SPI或者UART操作，上電復(fù)位，可編程看門狗等。CC2530在單個芯片上整合了Zigbee射頻前端，內(nèi)存和微控制器，使用1個8位MCU（8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM。電源電路核心芯片是LM1117，LM1117 是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)芯片，它的壓差在輸出負(fù)載電流為 800mA時為 1.2V。LM1117 可以提供電流限制和熱保護，電路包含了1個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓，以確保輸出電壓的精度在正負(fù) 1%之內(nèi)。LM1117 主要應(yīng)用于開關(guān)DC/DC 轉(zhuǎn)換器的主調(diào)壓器，電池充電器以及電池供電裝置等方面，文章主要用LM1117 作為開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的主調(diào)壓器實現(xiàn)直流 5V 到流 3.3V 的轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要涉及到STM8、MSP430G2553和CC2530三個MCU的程序編寫，其中STM8主要用于處理傳感器模塊，而CC2530用于建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)及無線數(shù)據(jù)收發(fā)MSP430G2553主要用來控制電機，水泵等執(zhí)行器。STM8與CC2530程序的編寫基于IAR編譯環(huán)境MSP430基于CCS環(huán)境。STM8的程序主要以庫的形式編寫， STM8為16MHZ，8位低功耗單片機，2.95到5.5V的工作電壓范圍，10位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最多5路通道，支持掃描模式。帶有同步時鐘輸出的UART等功能。

本系統(tǒng)中設(shè)計到的三個傳感器分別為溫濕度傳感器、光照強度傳感器和土壤濕度傳感器，然而三個傳感器中光照強度和土壤濕度傳感器都需要用到單片機的AD轉(zhuǎn)。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立由協(xié)調(diào)器發(fā)起，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，主要有建立、管理、維持網(wǎng)絡(luò)以及分配終端節(jié)點的十六位短網(wǎng)絡(luò)地址等功能，因此協(xié)調(diào)器也被認(rèn)為是Zigbee網(wǎng)絡(luò)的大腦。文章選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點在于 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器是唯一的，考慮到溫室大棚的監(jiān)控區(qū)域性，所以選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較合適。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有終端設(shè)備只可以和協(xié)調(diào)器之間進行通信，節(jié)點之間的通訊需要通過協(xié)調(diào)器中轉(zhuǎn)。建立星型網(wǎng)絡(luò)的過程中，協(xié)調(diào)器是作為發(fā)起設(shè)備，協(xié)調(diào)器被激活后，它就建立起網(wǎng)絡(luò)，并作為PAN協(xié)調(diào)器，路由設(shè)備和終端設(shè)備可以選擇PAN標(biāo)識符加入網(wǎng)絡(luò)，不同PAN標(biāo)識符的星型網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備之間不能通訊。協(xié)調(diào)器與按鍵模塊通過窗口相連，一旦協(xié)調(diào)器收到來自按鍵模塊的信息就調(diào)用回調(diào)函數(shù)將對應(yīng)的信息發(fā)送至終端執(zhí)行器節(jié)點。

4 結(jié)束語

文章設(shè)計的采用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)的經(jīng)濟型大棚智能測控系統(tǒng)，是一種集監(jiān)、控、管于一體的大棚溫室智能化監(jiān)控設(shè)施，結(jié)合了計算機自控技術(shù)，為作物創(chuàng)造相對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更好的生長條件，避免了外界四季變化和惡劣氣候的影響，以達到促進生長發(fā)育，并提高農(nóng)作物質(zhì)量、產(chǎn)值產(chǎn)量，提高土地的使用率，實現(xiàn)資源的節(jié)約等目的。溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，所以得到了迅速的推廣和應(yīng)用。

參考文獻

[1]青島東合信息技術(shù)有限公司.Zigbee開發(fā)技術(shù)及實踐[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014.

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[3]王小強，歐陽駿，黃寧淋.Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：63-66.

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[5]陸楠，郭勇.基于ZigBee技術(shù)的無線大棚溫濕監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（15）：98-100.