基于C#的溫室大棚植物養(yǎng)分監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計

劉先明 宋余君 劉桂紅 米賢武

摘 要：為提高大棚生產(chǎn)效率，針對溫室大棚設(shè)施壞境可監(jiān)測程度低和監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜等問題，設(shè)計一種基于C#的溫室大棚植物養(yǎng)分監(jiān)測系統(tǒng)。各個無線傳感網(wǎng)絡(luò)將采集到的養(yǎng)分情況發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點再將養(yǎng)分信息發(fā)送至上位機，用戶可在上位機查看到各類植物當(dāng)前的養(yǎng)分情況。該系統(tǒng)為大棚種植提供了有利的數(shù)據(jù)支持，根據(jù)設(shè)定的閾值可有效降低植物死亡率。

關(guān)鍵詞：C#；養(yǎng)分監(jiān)測；溫室大棚；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

湖南省西部地區(qū)種植有較多農(nóng)作物，是湖南省主要的糧食儲備基地。在農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化進程中，溫室大棚的建設(shè)必不可少，通過建立溫室大棚，給植物提供適當(dāng)?shù)纳姝h(huán)境，能夠使更多植物反季節(jié)生長。然而，溫室大棚里的溫濕度控制和植物養(yǎng)分控制是艱難而重要的工程，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)通過在溫室中懸掛溫濕度計以及人們手動調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫濕度來保證植物的正常生長[1]。但這樣很難保證數(shù)據(jù)的準確性，而且實施困難，耗時耗力。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)已有集環(huán)境參數(shù)與控制于一體的方案[2]，但是這些數(shù)據(jù)只是環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并沒有土壤中植物生長所需養(yǎng)分的組成數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計了一種植物養(yǎng)分監(jiān)測系統(tǒng)，可將鹽分、水分傳感器放入土壤中讀取數(shù)據(jù)。配合自動澆灌技術(shù)，可分別測得各類植物養(yǎng)分數(shù)據(jù)，根據(jù)各自的生長規(guī)律，保證各個時段的作物處于最佳生長狀態(tài)，從而提高作物產(chǎn)量。本文系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準確，用戶界面友好，自帶學(xué)習(xí)模式，應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)整體方案包括主機和傳感器節(jié)點設(shè)計。其中，主機與電腦端采用串口通信，傳感器節(jié)點與主機采用無線ZigBee方式進行數(shù)據(jù)交互[3]。無線傳感器部分采用自帶ZigBee協(xié)議的SoC芯片CC2530[4-5]，傳感器節(jié)點包括無線傳輸控制器、土壤溫濕度傳感器、土壤鹽分傳感器、電源轉(zhuǎn)換單元。節(jié)點將采集到的植物養(yǎng)分數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)議[6-7]傳輸至主機，主節(jié)點將信息通過TTL-USB串口電平轉(zhuǎn)換器傳輸至上位機，上位機根據(jù)主機上傳的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示，提示管理人員當(dāng)前大棚的環(huán)境狀態(tài)，顯示出各種植物當(dāng)前的生存環(huán)境數(shù)據(jù)[8]。該系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點包括無線傳輸控制器、土壤溫濕度傳感器、土壤鹽分傳感器、電源轉(zhuǎn)換單元。其中，多個傳感器節(jié)點組成樹形結(jié)構(gòu)，覆蓋整個大棚區(qū)間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和控制。傳感器節(jié)點的原理框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)采用華控制造的土壤溫濕度傳感器，該傳感器具有體積小、測量精度高、互換性好等優(yōu)點，可直接埋入土壤中使用，實時測量不同深度的溫濕度。其中，通信方式采用RS 485A/B線實現(xiàn)，其內(nèi)部參照如圖3所示。

2.2 主機

主機是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互的中心，本系統(tǒng)主機的CC2530節(jié)點為協(xié)調(diào)器節(jié)點，負責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，啟動網(wǎng)絡(luò)后負責(zé)從終端節(jié)點接收數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送到電腦客戶端進行實時顯示。本系統(tǒng)采用TTL-USB模塊將電平轉(zhuǎn)換為USB可用，從而讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測。主機結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用下位機軟件，即CC2530片上系統(tǒng)，以MCU實現(xiàn)客戶端軟件編程。

3.1 CC2530軟件編程

本系統(tǒng)軟件采用C語言實現(xiàn)，以官方提供的ZigBee協(xié)議棧進行開發(fā)[9]。ZigBee軟件設(shè)計采用TI的Z-Stack協(xié)議棧，其中，ZigBee通信部分采用硬件TI的CC2530完成網(wǎng)絡(luò)的組建與應(yīng)用。CC2530自帶C8051增強型內(nèi)核，可利用IAR開發(fā)軟件導(dǎo)入Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)對ZigBee的開發(fā)[10]。主機流程如圖5所示，傳感器流程如圖6所示。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建過程中，針對節(jié)點入網(wǎng)和協(xié)調(diào)器允許入網(wǎng)要求，選擇一個合適的入網(wǎng)機制，保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)的安全性。整個流程主要包括由協(xié)調(diào)器組建合適的ZigBee網(wǎng)絡(luò)[11]以及路由器加入網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建主要由協(xié)調(diào)器完成。首先，協(xié)調(diào)器啟動后掃描當(dāng)前信道的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并開啟網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)；其次，路由器和終端節(jié)點通過使用協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層加入網(wǎng)絡(luò)或通過已加入過ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器節(jié)點加入該ZigBee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)過程如圖7所示。

3.2 客戶端軟件編程

本系統(tǒng)選擇PC平臺、C#語言進行移動客戶端的開發(fā)[12]。開發(fā)壞境基于微軟的Microsoft Visual Studio 2015，客戶端功能框架如圖8所示。主界面主要負責(zé)顯示數(shù)據(jù)，在串口設(shè)置界面需要將串口進行初始化。

3.2.1 串口通信

客戶端和硬件主板采用串口通信進行數(shù)據(jù)交互。在C#語言中，需要先將串口函數(shù)實例化，獲取串口號，綁定端口號，再進行通信[13-14]。

3.2.2 施肥量計算

客戶端主界面上的溫度、濕度顯示直接由底層上報到客戶端實現(xiàn)。根據(jù)測得的土壤溫度、濕度、氮含量以及植物標準氮含量計算表達式計算出施肥量。

施肥量計算公式如下所示[15]：

[（植物標準氮含量-葉綠素儀測得的氮含量）/1 000]×目標產(chǎn)量=應(yīng)施肥量×化肥中的氮含量×化肥中氮的利用率

根據(jù)節(jié)點測得的葉綠素SPAD含量，將SPAD含量發(fā)送到客戶端進行氮含量計算。

其中，加水時間控制需要使用窗口發(fā)送命令，其主要代碼如下：

4 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)本文提出的方案，設(shè)計出植物養(yǎng)分監(jiān)測系統(tǒng)，測試出植物所需氮含量，根據(jù)施肥量轉(zhuǎn)換公式計算出施肥量，以提示用戶給相應(yīng)土地的植物施肥。本文系統(tǒng)主界面如圖9所示。

經(jīng)過實驗調(diào)試，本系統(tǒng)可準確地將溫濕度顯示在界面上，且實時顯示效果較好。當(dāng)濕度超過預(yù)警值時，用戶可點擊加水啟動按鈕，開啟加水泵給植物澆水，并實時顯示植物氮含量，通過修改按鈕計算出所需施肥量，且可手動修改。

5 結(jié) 語

本文提出一種基于C#的溫室大棚植物養(yǎng)分監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)植物養(yǎng)分的實時監(jiān)控。硬件系統(tǒng)采用ZigBee低功耗芯片實現(xiàn)節(jié)點與控制中心的相互通信，兩節(jié)普通7號電池即可使用兩年。軟件系統(tǒng)采用C#語言開發(fā)，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方式，提供給用戶一個簡單的界面，可將采集到的數(shù)據(jù)進行處理后顯示在客戶端，根據(jù)各種肥料的含氮量計算出所需施肥量，并根據(jù)植物生長習(xí)慣提高種植效率。該系統(tǒng)在植物種植領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]余華芳，吳志東，林智濤.蔬菜溫室大棚溫濕度控制系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（28）：17601-17603.

[2]宋慶恒，譚懿.基于CC2530的溫室智能移動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國農(nóng)機化學(xué)報，2015，36（3）：114-117.

[3]張永梅，楊沖，馬禮，等.一種低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方法[J].計算機工程，2012，38（3）：71-73.

[4] YOUSSEF M，AGRAWALA A. The horus WLAN location determination system[C]// Proc International Conference on Mobile Systems，2005，14（3）：357-374.

[5] MART?NEZ-?LVAREZ R P，RODR?GUEZ-SILVA D，COSTAS-RODR?GUEZ S，et al.Low cost remote effort monitoring with wearable accelerometers[C]// IEEE Consumer communications and networking conference，2009：44-45.

[6] A True System-on-Chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee（TM）. TEXAS INSTRUMENTS Inc[EB/OL]. http：//focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2430.pdf . 2007.

[7] IEEE.Wireless medium access control and physical layer specifications for low-rate wireless personal area networks[J]. IEEE std，1997.

[8]何鵬，那立陽. 基于物聯(lián)網(wǎng)和LabVIEW的溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報，2016，37（9）：218-222.

[9] ALIZAI M H，WIRTZ H，KIRCHEN B，et al. Portable wireless-networking protocol evaluation[J]. Journal of network & computer applications，2013，36（4）：1230-1242.

[10] LIAN K Y，HSIAO S J，SUNG W T.Intelligent multi-sensor control system based on innovative technology integration via ZigBee and WiFi networks[J]. Journal of network and computer applications ，2013，36（2）：756-767.

[11] RAN P，SUN M，ZOU Y.ZigBee routing selection strategy based on data services and energy-balanced ZigBee routing[C]// IEEE Asia-Pacific conference on services computing. ieee computer society，2006：400-404.

[12]倪康，徐曉光，崔晶.基于C#和ZigBee的大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].洛陽師范學(xué)院學(xué)報，2015（2）：41-44.

[13]王鵬，王熙.基于C#的嵌入式農(nóng)機GPS輔助導(dǎo)航串口通信程序的設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2013，35（9）：78-81.

[14]翟希述，王寶興，范淼.基于Visual C#的串口通信程序設(shè)計[J].電子科技，2011，24（2）：24-26.

[15]王劍峰.論采用土壤養(yǎng)分相對含量計算施肥量之方法[J].東北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，36（3）：27-29.