基于WSN的溫室大棚信息采集智能化監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘要：針對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中信息采集智能化監(jiān)測的問題，提出以無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的大棚監(jiān)測系統(tǒng)。以CC2530為核心芯片，選取光照傳感器、溫濕度傳感器、CO2傳感器設(shè)計系統(tǒng)的硬件；以Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)相應(yīng)的控制策略；以光伏發(fā)電為監(jiān)測裝置提供電源；以RS485實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的上位機傳輸；以GSM實現(xiàn)對非正常數(shù)據(jù)的信息告警。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠有效完成對相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化；信息；采集；監(jiān)測；系統(tǒng)；WSN

中圖分類號：TP274.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）08-0027-06

溫室大棚作為高質(zhì)量蔬菜的生產(chǎn)基地得到了迅速發(fā)展。溫室大棚內(nèi)作物的生長狀況主要與大棚內(nèi)溫濕度、光照強度、CO2濃度等因素息息相關(guān)。傳統(tǒng)的大棚內(nèi)環(huán)境信息的采集主要依靠人工定時持相關(guān)測量工具獲取相關(guān)數(shù)據(jù)或通過預(yù)先布線的方式進行有線采集。人工定時采集存在時效性低、作業(yè)強度大、成本高、數(shù)據(jù)精確度低等問題；預(yù)先布線方式因受地理位置、空間大小等影響也有一定的局限性。因此，本研究設(shè)計一種基于WSN的大棚溫濕度、光照強度、CO2濃度的在線監(jiān)測系統(tǒng)。ZigBee屬于一種無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有低能耗及成本、高可靠性和較大的網(wǎng)絡(luò)容量等特點，其工作頻段和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)非常靈活，傳輸距離較遠，將該技術(shù)與傳感技術(shù)進行融合，可組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，非常適合應(yīng)用于大棚環(huán)境監(jiān)測中。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要由終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備、網(wǎng)關(guān)（數(shù)據(jù)匯集設(shè)備）、監(jiān)控終端三部分組成。終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備負責對大棚內(nèi)的光照強度、溫濕度、CO2濃度進行采集，并將采集的各類數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再將收集的數(shù)據(jù)以RS485通信方式傳輸至監(jiān)控終端，并將非正常數(shù)據(jù)通過短信傳輸至手機終端進行信息告警。系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

1.1 終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備的硬件功能實現(xiàn)

終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備的主要功能是實現(xiàn)光照強度、溫濕度、CO2濃度的采集，并負責將采集的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)設(shè)備。終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)光照強度采集選用BH1750數(shù)字式光照傳感器，其內(nèi)置16位的A/D轉(zhuǎn)換器，可直接輸出數(shù)字信號，精度高，測量范圍在0～65 535 Lx；溫濕度采集選用DHT21傳感器，其是一款數(shù)字式傳感器，內(nèi)部包含一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，具有測量精度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強等特點；CO2濃度采集選用MH-Z14A傳感器，其內(nèi)置溫度補償，靈敏度高、功耗低，提供UART口，可數(shù)字輸出CO2濃度值，具有較高的性價比。

在本系統(tǒng)中選用CC2530作為終端采集設(shè)備的主控芯片。該芯片具有較高的集成度和靈敏度，最大發(fā)射功率和存儲量較大，其內(nèi)部結(jié)合了一個8位增強型8051微處理器以及高性能的2.4 G直接射頻收發(fā)器核心，同時集成了UART和A/D等常用外部設(shè)備。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝在溫室大棚內(nèi)，發(fā)送數(shù)據(jù)的周期和數(shù)量不是很大，且通信距離都較近，不用外加增強型發(fā)射芯片，因此選用成本較低的PCB天線。

終端采集設(shè)備的核心芯片外圍電路設(shè)計如圖3所示。核心芯片外圍電路中的電容C4和C8作為晶體振蕩電路，為CC2530收發(fā)數(shù)據(jù)提供時鐘；R1是偏置電阻，為晶體振蕩電路提供合適的工作電流；C2和C3所組成的晶體振蕩電路，為采集設(shè)備的睡眠提供時鐘；整個外接電路射頻部分采用非平衡天線，其主要目的是將差分電路信號轉(zhuǎn)換為單端信號，其中電容和電感組成的巴倫電路主要用于對天線性能的優(yōu)化；電路中設(shè)計的π型阻抗匹配電路可調(diào)節(jié)電路的品質(zhì)因數(shù)，使電路具備更高的靈活性。PCB天線的設(shè)計尺寸見表1，其尺寸示意圖如圖4所示。帶有PCB天線的電路板如圖5所示，網(wǎng)關(guān)設(shè)備因數(shù)據(jù)流量較大，采用鞭狀天線。

1.2 終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備的電源

ZigBee設(shè)備可實現(xiàn)在低功耗狀態(tài)下休眠，耗電量較小，在終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備電源的設(shè)計中原本只需采用電池供電即可，但考慮到大棚內(nèi)光照強度不足時作物生長可能會受到影響，故本系統(tǒng)加裝了40 W，19.0 V的SUNPOWER太陽能電池板進行光伏發(fā)電，存儲能量，在光照不足時為大棚內(nèi)作物提供足夠的光照強度。太陽能光伏發(fā)電及變電的原理如圖6所示。

由于太陽能光伏發(fā)電所得電能穩(wěn)定性不佳，故將所得電流依次經(jīng)過前端沖擊保護模塊、整流濾波模塊、降壓模塊以及DC/DC模塊形成采集設(shè)備所需電壓。當電能較為充沛時，可通過電池的充放電來給移動電源充電儲能，以便在光照強度不足時給大棚內(nèi)作物進行人工照明。電路中前端保護模塊由瞬態(tài)電壓抑制TVS二極管D1和D2以及電容C1組成，用于快速吸收前端飽和時所產(chǎn)生的脈沖尖峰，對高頻能量進行緩沖；整流濾波模塊由二極管D3～D6所組成的整流橋和電解電容C2與C3構(gòu)成，用于實現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換及濾除諧波；降壓模塊由電阻R1與R2和電壓轉(zhuǎn)化芯片構(gòu)成，可實現(xiàn)將19.0 V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V電壓的功能；DC/DC模塊由電容C4與C5和電解電容C8以及二極管D7構(gòu)成，用于輸出穩(wěn)定的直流 3.3 V電壓。

1.3 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)設(shè)備主要負責接收終端設(shè)備采集的光照強度、溫濕度、CO2濃度數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)在LCD上進行顯示，同時將采集的數(shù)據(jù)打包后以一定的格式通過RS485傳輸至上位機監(jiān)測終端，一旦采集的某一數(shù)據(jù)超過或低于既定的閾值，網(wǎng)關(guān)設(shè)備就會進行蜂鳴報警，并通過GSM通信模塊將詳細信息傳輸至指定的手機終端，提醒工作人員進行處理。網(wǎng)關(guān)設(shè)備硬件主要由天線模塊、電源模塊、LCD顯示模塊、RS485數(shù)據(jù)傳輸模塊、蜂鳴報警模塊以及GSM模塊構(gòu)成，如圖7所示。

1.3.1 RS485數(shù)據(jù)傳輸模塊 為構(gòu)建農(nóng)業(yè)信息一體化平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，本系統(tǒng)在網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)計時加入了RS485數(shù)據(jù)傳輸模塊，可有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。該接口電路采用差分方式傳輸數(shù)據(jù)，采用同相端A和反相端B兩根雙絞線進行數(shù)據(jù)傳輸，接口驅(qū)動芯片采用周立功RSM3485CHT，一條總線上至少可掛接32個網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可將獲取的數(shù)據(jù)穩(wěn)定地傳輸至監(jiān)控中心，當數(shù)據(jù)傳輸至上位機監(jiān)控中心時則需要使用RS485轉(zhuǎn)RS232進行轉(zhuǎn)換，便于上位機進行讀取。endprint

RSM3485CHT與CC2530的接口電路如圖8所示。485_RXD和485_TXD分別連接至CC2530的P0_4與P0_5，用于進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送；485_EN與CC2530的一個I/O口管腳連接，用于實現(xiàn)該芯片的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。C43為電源濾波電容。A+和B-接外部485總線，由于在實際應(yīng)用中485差分傳輸存在差分匹配問題，當高速率或長距離傳輸時電路可能會出現(xiàn)回波干擾，因此在同相端A和反相端B之間連接1個120 Ω的匹配電阻R32，用于降低傳輸線路上信號的反射，增強電路的穩(wěn)定性。

1.3.2 GSM模塊 當數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)后，會分別進行匯總，同時將匯總的數(shù)據(jù)與既定的閾值進行對比，一旦某一測量數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)會自動進行蜂鳴報警，并將自動生產(chǎn)的報警信息通過GSM模塊發(fā)送至指定的手機終端，便于進行故障排除。選用的GSM模塊是GTM900C，其最高耐溫80 ℃，通過標準的UART口進行連接，支持標準SMS短信和AT命令及增強AT命令，具有一個USB接口和一個RS232接口，易于和設(shè)備進行通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用支持C語言的IAR Embedded Workbench（IAR）作為軟件開發(fā)平臺，其內(nèi)嵌基于操作系統(tǒng)構(gòu)建的Z-Stack協(xié)議棧，可優(yōu)化緊湊代碼，節(jié)省硬件資源?？紤]到后期網(wǎng)絡(luò)的拓展性，采用ZigBee經(jīng)典的簇樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)適合應(yīng)用于覆蓋范圍相對較大的場合，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多跳傳輸，有效解決了由于低功耗射頻收發(fā)器所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積小的問題。系統(tǒng)軟件由終端采集設(shè)備和網(wǎng)關(guān)軟件兩部分組成。

2.1 終端采集設(shè)備軟件設(shè)計

終端采集設(shè)備的主要任務(wù)是加入網(wǎng)關(guān)所建立的網(wǎng)絡(luò)中，并周期性地輪詢完成對光照強度、溫濕度、CO2濃度等數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。終端采集設(shè)備上電后，會進行一系列的初始化工作，完成各種參數(shù)的配置、工作模式設(shè)置和寄存器設(shè)置，然后搜索網(wǎng)絡(luò)并加入。完成這些工作后，終端采集設(shè)備便會進入休眠狀態(tài)，然后每隔一段時間（20 s）由定時器喚醒設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)按既定格式封裝后發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。一旦數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，采集設(shè)備又會進入休眠狀態(tài)，等待下一次定時器中斷請求將其喚醒。終端采集設(shè)備工作基本流程如圖9所示。

2.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是網(wǎng)絡(luò)的控制中心，當其上電復(fù)位后，首先會對系統(tǒng)硬件模塊和軟件架構(gòu)進行初始化，選擇一條合適的信道，創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)，然后進入無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽狀態(tài)，并對監(jiān)聽得到的數(shù)據(jù)包進行判斷，判斷接收數(shù)據(jù)包是入網(wǎng)請求還是數(shù)據(jù)傳輸請求，并針對不同的請求進行相應(yīng)的處理，同時將所接收到的數(shù)據(jù)以RS485傳輸至監(jiān)控終端，否則繼續(xù)進入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)設(shè)備工作流程如圖10所示。

2.3 控制策略的實現(xiàn)

整個電控系統(tǒng)由光伏組件、傳感器模塊、進水壓力檢測模塊、電磁閥控制模塊組成。光伏發(fā)電組件可為整個系統(tǒng)提供充足的電能，系統(tǒng)一旦監(jiān)測到大棚內(nèi)光照強度不足時，可通過控制器自動打開光源為農(nóng)作物進行人工增光；當大棚內(nèi)溫度過高時，系統(tǒng)會通過電磁閥控制器將風扇開啟加快空氣流動，為大棚降溫；當濕度不足時，控制系統(tǒng)會將噴霧裝置打開，為大棚內(nèi)作物增加濕度。系統(tǒng)中由于為大棚內(nèi)作物進行動作的次數(shù)不是很多，因此選用常閉電磁閥。系統(tǒng)啟動后會載入自動策略控制模式，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果判斷是否進行相應(yīng)的動作，如果發(fā)現(xiàn)控制模塊有異常，則會通過GSM短信發(fā)送至指定的手機終端?？刂撇呗曰玖鞒倘鐖D11所示。

3 試驗測試

3.1 通信效果測試

為了測試終端采集設(shè)備與網(wǎng)關(guān)節(jié)點間的通信效果，對通信距離和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率進行測試，結(jié)果見表2。

由表2可知，傳輸數(shù)據(jù)的丟包率隨著傳輸距離的增加而增加，尤其是當通信距離超過200 m時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率明顯增加。但在實際應(yīng)用中，大棚內(nèi)終端采集設(shè)備向網(wǎng)關(guān)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的距離僅有150 m，已滿足系統(tǒng)所要求的通信距離。

3.2 系統(tǒng)整體測試

大棚內(nèi)終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝如圖12所示，太陽能光伏組件安裝如圖13所示。

針對所設(shè)計的系統(tǒng)進行整體試驗測試，結(jié)果如圖14所示。在測試過程中采用太陽能光伏組件為采集設(shè)備和網(wǎng)關(guān)供電，經(jīng)測試太陽能光伏組件可以穩(wěn)定獲得系統(tǒng)所需電壓（圖14中⑥）。當給網(wǎng)關(guān)進行上電操作后，在其屏幕上顯示出“NETWORK IS SUCCESS！”，這表示網(wǎng)絡(luò)組件成功（圖14中①），并在LCD屏幕上給出組網(wǎng)的具體信息，包含有PANID、頻道、及網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)地址（圖14中②），網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功后終端采集設(shè)備便會申請加入網(wǎng)關(guān)設(shè)備建立的網(wǎng)絡(luò)之中，并呈現(xiàn)出終端采集設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)號、IEEE地址（圖14中③）。一切就緒后，人工將大棚內(nèi)的溫度由32 ℃逐漸增加至42 ℃，可看出大棚內(nèi)溫度過高（圖14中④）。其他數(shù)據(jù)一切正常，此時系統(tǒng)會通過GSM將超溫信息發(fā)送至指定的手機終端（圖14中 ⑤），并進行聲光報警，同時通過電磁閥將風扇開啟為大棚內(nèi)作物進行通風降溫。

經(jīng)過1周的試驗測試，整個系統(tǒng)運行狀況良好，能夠?qū)Υ笈飪?nèi)光照強度、溫濕度、CO2濃度進行有效測量，實現(xiàn)相應(yīng)的控制策略。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計的基于WSN的溫室大棚信息采集智能化監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合了ZigBee技術(shù)、GSM技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)和自動控制技術(shù)，具有智能程度高、綠色環(huán)保、成本低、測量精度高、響應(yīng)快、適應(yīng)面廣等特點，發(fā)揮出明顯的技術(shù)優(yōu)勢，降低了人工作業(yè)強度，增強了作業(yè)時效性，提高了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的技術(shù)水平。

參考文獻

[1] 黃新波，羅兵，劉存孝，等.采用ZigBee芯片的無線加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實現(xiàn)[J].高電壓技術(shù)，2010，36（8）：1 962-1 969.

[2] 苗鳳娟，吳凌斌，陶佰睿，等.基于WSN的低功耗濕地土壤監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國農(nóng)機化學報，2016，37（4）：246-248.

[3] 季宇寒，李婷，張漫，等.基于WSN的溫室CO2氣肥優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46（增刊）：201-207.

[4] 汪濤，謝志軍.基于WSN的智能家具控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2015，41（2）：71-75.

[5] 賴其濤.基于ZigBee的校園草坪智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2017，45（13）：218-219，238.

[6] 王財寶，盛戈皞，曾奕，等.基于ZigBee技術(shù)的導(dǎo)線接頭溫度集群監(jiān)測[J].電力自動化設(shè)備，2009，29（11）：45-49.

[7] 向乾.基于ZigBee的中壓開關(guān)柜觸頭測溫系統(tǒng)研究[D].西安：西安工程大學，2015.

[8] 朱磊.基于無線傳感網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)收集的設(shè)計與實現(xiàn)[D].蘭州：蘭州大學，2013.

[9] 蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[10] 楊燁，董惠.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2001（17）：140-142.

[11] 黃震坤，曹偉.ZigBee技術(shù)在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（17）：203-205.

[12] 周武斌，羅大庸.ZigBee 路由協(xié)議的研究[J].計算機工程與科學，2009，31（6）：12-14.

[13] 寧炳武.Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學，2007.endprint