基于WSN的農(nóng)作物光環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張校磊，陳俊麗

(山西華澳商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，山西 太原 030000)

基于WSN的農(nóng)作物光環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張校磊，陳俊麗

(山西華澳商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，山西 太原 030000)

溫室技術(shù)是反季節(jié)作物培養(yǎng)的重要手段，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的組成部分。但在溫室生產(chǎn)過程中，常遇到光照不足的問題。而傳統(tǒng)的補(bǔ)光系統(tǒng)控制方式粗放，常導(dǎo)致補(bǔ)光過量或補(bǔ)光不足。針對于此，擬設(shè)計(jì)一套農(nóng)作物光環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)作物的光合需求進(jìn)行精量化的補(bǔ)光，可最大程度地滿足任務(wù)的光合需求，對促進(jìn)作物生長和提高作物產(chǎn)量有較大的幫助。

WSN；光環(huán)境調(diào)節(jié)；ZigBee

隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，溫室大棚得到了廣泛的應(yīng)用。這使得農(nóng)作物可以在本不適合生長的季節(jié)生長。但在現(xiàn)階段，我國溫室大棚的科技含量普遍不高，多數(shù)溫室設(shè)施只能滿足作物對溫度的需求，在對光照環(huán)境的調(diào)控方面卻有著明顯的不足，許多大棚中沒有安裝補(bǔ)光設(shè)施，部分安裝了補(bǔ)光設(shè)施的也存在照度不合理、能耗過高及控制方式單一等多方面問題[1]。而光照是農(nóng)作物光合作用的基礎(chǔ)，是作物生長的重要條件。適宜的光照條件對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)都有著極其重要的作用。本文設(shè)計(jì)了一套農(nóng)作物光環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可對環(huán)境光數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再按照作物對光子能量密度的需求進(jìn)行精準(zhǔn)的補(bǔ)光。

1 需求分析

1.1 差異性需求

所謂差異性主要體現(xiàn)在兩個方面，即溫室個體差異及作物種類差異。

1.1.1 溫室個體差異

溫室的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、環(huán)境等因素都會造成其光環(huán)境的差異，如溫室材質(zhì)的差異會造成透光率的差異、溫室所處環(huán)境的差異會造成表面灰塵覆蓋的差異等。因此，本系統(tǒng)對環(huán)境光的感知和調(diào)節(jié)需要以溫室為單位進(jìn)行，即不同溫室進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)。

1.1.2 作物種類差異

不同種類作物對光照環(huán)境的需求有所不同，即光合作用特性差異。因此，系統(tǒng)要能夠根據(jù)不同作物對光線的需求進(jìn)行決策模型和調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的補(bǔ)光效果。

1.2 靈活性需求

溫室內(nèi)所種植的任務(wù)可能會因市場、季節(jié)等多方面的因素進(jìn)行調(diào)整，故作物植株的高度及種植密度等都是不固定的。同種作物的不同生長階段的位置和高度等也是不固定的。因此要求系統(tǒng)可靈活方便地布設(shè)和調(diào)整，即補(bǔ)光設(shè)備的布放位置、布放高度及布放密度等都應(yīng)足夠地靈活方便。

1.3 針對性需求

通過查閱文獻(xiàn)可知，不同波段的可見光對光合作用有著不同的影響。比較典型的是綠光會被葉綠體反射和透射，從而抑制光合作用；藍(lán)光可促進(jìn)葉綠素和胡蘿卜素的吸收，使葉綠體更活躍，可促進(jìn)光合作用；紅光對葉綠素的吸收率最低，對光合作用的效率有明顯的提升作用；其它波段的可見光對光合作用的影響相對較小[2]。針對光合作用的這一特性，本系統(tǒng)采用對光合作用有著明顯促進(jìn)作用的紅光和藍(lán)光進(jìn)行補(bǔ)光。在光源的選擇上，我們選擇了LED矩陣式光源。其具有窄帶和能量集中的特性，相較普通光源其發(fā)熱很小，對環(huán)境溫度的影響不大，在能耗方面也有著非常明顯的優(yōu)勢；另外可通過多種方式對其亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，適用于本系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合需求分析，我們對作物光環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)采取了模塊化的設(shè)計(jì)，即將環(huán)境光信息采集、分析與決策和補(bǔ)光設(shè)備等獨(dú)立設(shè)計(jì)，這樣可根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場景靈活地調(diào)節(jié)與部署。再根據(jù)不同作物的光合需求分別建模進(jìn)行分析并將結(jié)果數(shù)據(jù)植入分析與決策系統(tǒng)的軟件中，實(shí)現(xiàn)針對不同作物的專屬智能控制。

網(wǎng)絡(luò)搭建方面，我們選擇了無線自組織網(wǎng)絡(luò)，即各模塊間通過ZigBee技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接和數(shù)據(jù)傳輸，為系統(tǒng)模塊之間的信息傳輸提供了可靠的底層網(wǎng)絡(luò)支持。ZigBee網(wǎng)絡(luò)不但進(jìn)一步提升了部署和調(diào)節(jié)的靈活性，相較其它類型的無線網(wǎng)絡(luò)，ZigBee在功耗、成本和可靠性方面也有著較強(qiáng)的優(yōu)勢[3]。

我們將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與系統(tǒng)各模塊進(jìn)行了整合設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)各模塊除了具有自身的系統(tǒng)功能外還兼具組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸功能。這樣可以更好地滿足分區(qū)域監(jiān)控和靈活性等方面的需求。系統(tǒng)由環(huán)境自然光監(jiān)測模塊、智能補(bǔ)光模塊和智能控制模塊組合構(gòu)成。各功能模塊均集成了CC2530作為網(wǎng)絡(luò)處理核心作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)中各類型節(jié)點(diǎn)的功能如下。

2.1 智能控制節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)功能方面，智能控制節(jié)點(diǎn)是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點(diǎn)?？赏瓿蒢igBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功能，對網(wǎng)絡(luò)中的組網(wǎng)信息和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理。

系統(tǒng)功能方面，它是系統(tǒng)的服務(wù)器。其內(nèi)置多種作物的光合需求模型數(shù)據(jù)，并能夠接收環(huán)境光監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)來的環(huán)境光信息，通過綜合分析運(yùn)算得出作物當(dāng)前應(yīng)補(bǔ)充紅光、藍(lán)光的具體數(shù)據(jù)，再將其轉(zhuǎn)化為控制信息發(fā)送至相應(yīng)的補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)，由補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)完成精確補(bǔ)光操作。

2.2 環(huán)境光監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)功能方面，環(huán)境光監(jiān)測節(jié)點(diǎn)是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)。負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的維護(hù)、與其它路由節(jié)點(diǎn)的信息交互、監(jiān)測數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)發(fā)等。

系統(tǒng)功能方面，其上集成有光傳感器，能夠周期性地采集溫室內(nèi)的環(huán)境光信息，并將環(huán)境光信息發(fā)送至智能控制節(jié)點(diǎn)供其分析。

2.3 補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)功能方面，補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的葉子節(jié)點(diǎn)。可自動搜索ZigBee網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送入網(wǎng)信息以加入網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)功能方面，其上集成有驅(qū)動控制器和專用的LED補(bǔ)光設(shè)備。驅(qū)動控制器可將智能控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的控制信息進(jìn)行解析并發(fā)出驅(qū)動信號，以驅(qū)動LED補(bǔ)光設(shè)備進(jìn)行精確的補(bǔ)光。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 智能控制節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

智能控制節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的ZigBee協(xié)調(diào)器功能和系統(tǒng)的服務(wù)器功能，需要管理全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲作物光合需求模型、運(yùn)算分析以及生成并發(fā)送控制指令等。綜上，我們選擇了CC2530作為智能控制節(jié)點(diǎn)的核心，CC2530是德州儀器生產(chǎn)的一款片上系統(tǒng)，其結(jié)合了業(yè)界較為先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧，可以充分滿足智能控制節(jié)點(diǎn)作為ZigBee協(xié)調(diào)器的功能需求。另外，CC2530還內(nèi)置了增強(qiáng)型8051CPU、可編程閃存以及豐富的I/O接口等[4]?？梢猿浞譂M足智能控制節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)功能方面的需求。智能控制節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能控制節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

為了更方便進(jìn)行人機(jī)交互，我們在CC2530模塊接入液晶顯示屏和人工控制按鍵。顯示屏接入P0_0、P1_2、P1_5、P1_6數(shù)字I/O接口，人工控制按鍵接入P0_1、P0_6和P2_0等數(shù)字I/O接口。其中P0_1接入控制模式切換按鍵，可進(jìn)行自動控制模式和人工控制模式的狀態(tài)切換。P0_6和P2_0接入系統(tǒng)控制熱鍵，系統(tǒng)一般處于自動控制模式，當(dāng)按下該模式切換按鍵后，用戶便可根據(jù)自身工作經(jīng)驗(yàn)通過系統(tǒng)控制熱鍵來進(jìn)行手動補(bǔ)光操作，顯示屏顯示相應(yīng)信息。

為了能夠準(zhǔn)確獲取系統(tǒng)時間，我們在P0_2、P0_4和P0_5接口上聯(lián)接了DS1302時鐘芯片。DS1302具有涓流充電和低功耗等顯著優(yōu)勢。

3.2 環(huán)境光監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境光監(jiān)測節(jié)點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。同時其也負(fù)責(zé)環(huán)境光數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。因此，我們同樣選擇CC2530模塊作為環(huán)境光監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的核心處理模塊，并在其上加入環(huán)境光傳感器進(jìn)行環(huán)境光信息采集。另外，由于作物光合作用同時需要二氧化碳的參與并在一定的溫度下進(jìn)行，在作物光合需求模型也需要二氧化碳濃度和溫度數(shù)據(jù)。因此，我們在環(huán)境光監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上集成了二氧化碳深度傳感器和溫度數(shù)據(jù)器，為系統(tǒng)功能的進(jìn)一步擴(kuò)展打好基礎(chǔ)。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 環(huán)境光監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

其中，環(huán)境光傳感器方面我們選擇了美國戴維斯儀器公司(Davis Station)生產(chǎn)的太陽輻射傳感器，型號為6450VantagePro。我們將其接入CC2530模塊的P0_7數(shù)字I/O接口，完成環(huán)境光的數(shù)據(jù)采集。此款傳感器被廣泛應(yīng)用于氣象站等氣象監(jiān)測系統(tǒng)中，具有監(jiān)測范圍大和分辨率較高等特點(diǎn)，在滿量程狀態(tài)下其探測精度可達(dá)正負(fù)5%。其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合本系統(tǒng)需求。二氧化碳傳感器我們選用了GSS-COZIR傳感器，其為英國GSS公司生產(chǎn)的第三代產(chǎn)品。功耗僅為3.5mW，有效測量范圍卻可達(dá)5000ppm，是一款超低功耗的高精度二氧化碳傳感器。溫度傳感器方面，我們選用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器。其體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)且探測精度較高[5]。這是一款被廣泛使用的溫度傳感器，可靠性和耐久性都久經(jīng)市場檢驗(yàn)，非常適用于本系統(tǒng)。

3.3 補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的葉子節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收智能控制節(jié)點(diǎn)發(fā)來的補(bǔ)光控制信號。另外其集成有補(bǔ)光燈具和驅(qū)動控制模塊，驅(qū)動控制模塊執(zhí)行相應(yīng)的控制信號來控制補(bǔ)光燈組。

由需求分析可知，紅光和藍(lán)光是對作物光合作用產(chǎn)生積極影響的兩種光線。因此，我們選擇了紅藍(lán)兩色LED光源作為補(bǔ)光燈組。紅藍(lán)兩色LED燈珠按等距陳列方式均勻排列于基板之上。補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

電阻調(diào)節(jié)和脈沖寬度調(diào)制是LED亮度調(diào)節(jié)的兩種主要方式。電阻調(diào)節(jié)即為通過調(diào)整電阻值的大小改變通過LED的電流，從而實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的目的。這種方式原理簡單，但難以實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)。這種亮度調(diào)節(jié)方式不能滿足系統(tǒng)對精度補(bǔ)光的需求，故不適用于本系統(tǒng)。脈沖寬度調(diào)制(PWM)是通過周期性的改變脈沖寬度(占空比)實(shí)現(xiàn)對LED亮度的調(diào)節(jié)。這種方式可以精確地控制LED的亮度，可以滿足本系統(tǒng)對于精確補(bǔ)光的需求。

我們將CC2530模塊的P1_5和P1_6接口設(shè)計(jì)為紅藍(lán)LED的開關(guān)接口，即輸出紅藍(lán)驅(qū)動模塊的電源通斷信號。P1_0和P1_1接口輸出紅藍(lán)LED的PWM控制波形信號至驅(qū)動控制模塊。我們在LED燈組的驅(qū)動控制模塊中集成了PT4115驅(qū)動控制芯片和PC817型光電耦合器。PWM波形信號經(jīng)PC817光電耦合器完成信號隔離，再經(jīng)PT4115 芯片調(diào)制后輸出相應(yīng)的恒直流，達(dá)到精確控制LED燈組亮度的目的。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 智能控制節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

智能控制節(jié)點(diǎn)作為ZigBee協(xié)調(diào)器，其軟件執(zhí)行的主要功能包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建與管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯聚及數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理等。系統(tǒng)在加電運(yùn)行后首先進(jìn)行初始化操作，之后便開始進(jìn)行信道選擇并組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。之后智能控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)，根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)包類型差別，調(diào)用相應(yīng)的處理程序。如接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)，則調(diào)用相應(yīng)的作物光合需求模塊程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)分析結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的補(bǔ)光指令；如接收到節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請求，則調(diào)用相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)程序；如接收到指令執(zhí)行的反饋信息，則調(diào)用反饋處理程序。如圖5所示。

圖5 智能控制節(jié)點(diǎn)軟件流程

4.2 環(huán)境光監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境光監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的軟件任務(wù)主要為兩方面，第一是將傳感器采集到的環(huán)境光、二氧化碳濃度及溫度等信息進(jìn)行解析并上傳；第二是轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，包括上傳和下傳。軟件流程如圖6所示。

其中掃描無線網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送等三部分都設(shè)置有重發(fā)機(jī)制，即未掃描到無線網(wǎng)絡(luò)則重新掃描、入網(wǎng)請求未通過則重新發(fā)送入網(wǎng)請求以及環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送后末接到確認(rèn)信息則重新發(fā)送。環(huán)境數(shù)據(jù)由傳感器周期采集，到達(dá)采集周期時接收環(huán)境數(shù)據(jù)并解析，將解析結(jié)果發(fā)送至智能控制節(jié)點(diǎn)。

圖6 環(huán)境光采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4.3 補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)軟件主要執(zhí)行數(shù)據(jù)包的接收、傳輸以及驅(qū)動控制補(bǔ)光設(shè)備等功能。其中，數(shù)據(jù)包接收主要指由智能控制節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送的和經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的控制指令數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸是指將指令執(zhí)行結(jié)果的反饋信息發(fā)送至智能控制節(jié)點(diǎn)；驅(qū)動控制是指將控制指令轉(zhuǎn)化為PWM信號。軟件執(zhí)行流程如圖7所示。

圖7 補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)作物光環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本系統(tǒng)由以CC2530為核心的智能控制節(jié)點(diǎn)、環(huán)境光采集節(jié)點(diǎn)和補(bǔ)光節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，采用ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組建和數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)內(nèi)置了環(huán)境光分析軟件，可依據(jù)作物光合需求模型精確計(jì)算出作物對紅藍(lán)光的需求量，可以實(shí)現(xiàn)精量化補(bǔ)光。

[1]何蔚，楊振超，蔡華，王達(dá)菲，王曉旭.光質(zhì)調(diào)控蔬菜作物生長和形態(tài)研究進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2016(02): 9-18.

[2]陳強(qiáng)，劉世琦，張自坤，等. 不同LED光源對番茄果實(shí)轉(zhuǎn)色期品質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(5): 156-161.

[3]何龍，聞?wù)湎迹瑮詈Ｇ?，? 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(12): 236-239.

[4]郭文川，程寒杰，李瑞明，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(7): 181-185.

[5]Dam TV, Langendoen K. An adaptive energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks[J]. International Journal of Computer Applications, 2015,67(7):23-27.

ClassNo.:S126DocumentMark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

AWSN-basedDesignofLightEnvironmentControlSystem

Zhang Xiaolei，Chen Junli

(Department of Computer Science，China Australia Business School of Shanxi,Taiyuan，Shanxi 030000, China)

Greenhouse technology is an important means to cultivate off-season crops, and is an indispensable part of agricultural production in china. But in the process of greenhouse production, the problem of insufficient illumination is often encountered. And the fill light system of traditional is extensive in control mode, often leads to excessive or insufficient fill fill. In view of this, we design a set of crop light environment adjustment system. The system can precise fill light according to the demand of crop photosynthesis of light, can satisfy the demand of the task of photosynthesis, promote crop growth and increase crop production has a great help.

WSN; light environment control; ZigBee

張校磊，碩士，講師，山西華澳商貿(mào)職業(yè)學(xué)院。

2096-3874(2017)11-0051-05

S126

A