基于WSN的農(nóng)業(yè)大棚智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

秦芹

摘? ?要：文章研究了基于WSN的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，分別從環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及系統(tǒng)優(yōu)化幾個方面進行了分析和研究。以保定地區(qū)草莓種植基地作為測試環(huán)境，對本系統(tǒng)進行了為期3個月的測試。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準確地采集環(huán)境信息。

關(guān)鍵詞：智能環(huán)境監(jiān)控;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);農(nóng)業(yè)大棚

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）也在各行各業(yè)得到應(yīng)用。草莓種植一直是保定地區(qū)農(nóng)業(yè)方面的主要產(chǎn)業(yè)之一，目前，草莓種植基地的溫室環(huán)境還沒有實現(xiàn)智能化監(jiān)控及管理，這也是草莓產(chǎn)量不能有大幅增長的原因之一。因此，本文將WSN應(yīng)用到地區(qū)草莓種植基地的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)溫室環(huán)境的智能化監(jiān)控及管理[1-3]。

1? ? 系統(tǒng)原理及方法

WSN是由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成的大量傳感器節(jié)點，多個傳感器節(jié)點組成分布式網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用CC2530作為傳感器節(jié)點的處理器模塊，主要負責傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲、處理和多任務(wù)處理。傳感器選擇溫度、濕度、光照、二氧化碳質(zhì)量濃度等傳感器，主要負責溫室信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。無線通信模塊采用ZigBee技術(shù)，具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、兼容性好、實現(xiàn)成本低以及組網(wǎng)方便的優(yōu)點，非常適合低速率傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4-5]，主要負責組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳遞和指令交換等。

2? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)整體設(shè)計

傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)信息后，通過ZigBee技術(shù)將數(shù)據(jù)信息傳遞給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將收集到的數(shù)據(jù)信息通過串口傳遞到上位機，并在上位機界面顯示。上位機實現(xiàn)了信息實時顯示、查詢歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置閾值、遠程控制各種設(shè)備等功能，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2? 系統(tǒng)詳細硬件設(shè)計

2.2.1? 信息采集模塊設(shè)計

本次硬件設(shè)計中的傳感器主要包括：am2311溫濕度傳感器、HA2003光照強度傳感器、Moisture Sensor土壤濕度傳感器、ZC3XX USB攝像頭模塊。在溫室大棚的不同位置，放置與終端節(jié)點相連的各個傳感器，獲取溫室大棚內(nèi)環(huán)境的實時數(shù)據(jù)信息，各種傳感器參數(shù)如表1所示

采集到的相應(yīng)信息要通過無線通信模塊進行處理，并通過ZigBee通信協(xié)議發(fā)送至匯聚節(jié)點，無線通信模塊的選擇主要考慮以下幾點：

（1）成本和電力消耗，由于大量的傳感器節(jié)點需要在WSN中使用，因此，節(jié)點的硬件設(shè)計成本必須低。此外，由于傳感器節(jié)點的體積相對較小，兩個AA電池大多用于供電，主要用于數(shù)據(jù)收集、傳輸和處理，因此，只有低功率傳感器節(jié)點才能有效地改善整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生命周期。

（2）擴展性和可靠性，主控制器應(yīng)具有較高的可擴展性，能夠滿足系統(tǒng)各種功能的要求。此外，無線傳感器節(jié)點是整個系統(tǒng)的核心，必須保證節(jié)點的高可靠性。

本系統(tǒng)選用CC2530模塊作為終端節(jié)點的主控芯片，該模塊包括電源模塊、LCD顯示模塊、RS232接口、聯(lián)合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）模塊接口和CC2530無線通信模塊接口，如圖2所示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電源管理模塊采用TPS63001DRC和T公司的VTPS63002DRC/DC電源轉(zhuǎn)換芯片。TPS63001DRC為系統(tǒng)提供3.3 V電壓和1 A電流電源;VTPS63002DRC為系統(tǒng)提供5 V電壓和1 A電源。節(jié)點電源可以實現(xiàn)直流電源、鋰電池和AAA電池之間的無縫切換。

2.2.2? 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計所使用的網(wǎng)關(guān)設(shè)備是三星公司推出的基于ARM Cortex-A8內(nèi)核的32位RISC微處理器s5pv210。s5pv210采用的是ARMv7的架構(gòu)，其主頻可達1 GHz，32位總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)存尋址空間可達到4 GB。其中，芯片內(nèi)置32 KB一級緩存，512 KB二級緩存，從而為CPU與內(nèi)存之間不同的工作速度做出了彌補。其豐富的片上資源，為多媒體設(shè)備和其他移動領(lǐng)域應(yīng)用，提供了低功耗、低價格、高性能的微處理器解決方案。

3? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1? 網(wǎng)關(guān)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)設(shè)計采用交叉編譯的軟件開發(fā)環(huán)境，所謂交叉編譯就是在一個平臺上編譯出能在另一個平臺上運行的程序。此開發(fā)環(huán)境中的主機為Ubuntu12.04，標機s5pv210開發(fā)板。主機上還需要安裝arm-linux-等交叉編譯的工具，用來編譯能在開發(fā)板中執(zhí)行的程序。通過交叉編譯環(huán)境編譯出的可執(zhí)行程序，用簡單文件傳輸協(xié)議（Trivial File Transfer Protocol，TFTP）服務(wù)器下載到開發(fā)板中執(zhí)行。也可以通過網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（Network File System，NFS）服務(wù)將主機的工作目錄共享出去。開發(fā)版本通過NFS服務(wù)遠程掛載到主機的工作目錄中去。本開發(fā)環(huán)境選用的就是用NFS服務(wù)進行開發(fā)板與主機間文件的傳輸。

3.2? 終端信息采集功能軟件開發(fā)

am2311溫濕度傳感器的驅(qū)動是以模塊的方式實現(xiàn)的，遵循內(nèi)核的模塊化編程思想?？梢栽贚inux系統(tǒng)啟動后手動執(zhí)行insmod命令，將驅(qū)動程序插入內(nèi)核，然后根據(jù)模塊向內(nèi)核注冊初始化函數(shù)的入口地址，直接調(diào)用初始化函數(shù)。

在該驅(qū)動中有一個重要的file_operations結(jié)構(gòu)體，其內(nèi)部包含了整個驅(qū)動程序中將要被應(yīng)用程序調(diào)用的函數(shù)，以及指定的驅(qū)動模塊。

當應(yīng)用程序需要讀取溫濕度時，會調(diào)用應(yīng)用層的read函數(shù)。最終，read函數(shù)會調(diào)用到該結(jié)構(gòu)體中的am2311_read函數(shù)。以下是am2311_read函數(shù)的具體實現(xiàn)。

在am2311_read函數(shù)中會調(diào)用到一個關(guān)鍵的函數(shù)am2311_humiture_measure。此函數(shù)封裝了兩線式串行總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）通信最底層的函數(shù)。由此函數(shù)用標準的I2C協(xié)議去讀取am2311中的溫濕度數(shù)據(jù)。該函數(shù)的具體實現(xiàn)如下所示。

功能碼的值為0x03，含義是讀取寄存器數(shù)據(jù)，起始地址為0x00，寄存器個數(shù)為4，意思是從0地址開始，讀取4個寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)。然后使用am2311_i2c_send函數(shù)調(diào)用I2C通信發(fā)送給am2311。

3.3? 系統(tǒng)控制模塊軟件設(shè)計

本系統(tǒng)選用支持向量機（Support Vector Machine，SVM）實現(xiàn)溫室環(huán)境的自動控制，采用WSN監(jiān)測節(jié)點收集溫室內(nèi)外環(huán)境因素作為輸入?yún)?shù)，通過支持向量機對各種設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)進行識別。本系統(tǒng)選取保定地區(qū)草莓種植溫室進行實際數(shù)據(jù)監(jiān)測，結(jié)合溫室草莓生長環(huán)境對數(shù)據(jù)進行分析。由于室外溫度和濕度對室內(nèi)二氧化碳質(zhì)量濃度影響不大，而且調(diào)節(jié)成本較高，大多數(shù)溫室未配備相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制設(shè)備，被視為不調(diào)節(jié)和控制的次要影響因素。因此，本文只考慮溫室溫度、濕度和光照的適當值調(diào)節(jié)和控制。采用支持向量機對組合設(shè)備狀態(tài)進行分類和識別。

通過對溫室的實時監(jiān)測，得到了溫室溫度、濕度、光照強度等參數(shù)。將監(jiān)測參數(shù)和相應(yīng)參數(shù)的控制方法存儲在數(shù)據(jù)庫中，并提取一些數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練支持向量機模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。其余數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)，測試模型的識別精度。建立了基于SVM的溫室環(huán)境控制模型，然后確定需要測量的數(shù)據(jù)，以確定哪些控制設(shè)備狀態(tài)組合用于調(diào)整室內(nèi)環(huán)境因子，以滿足溫室草莓的生長環(huán)境需求。

本文根據(jù)組合分類器的結(jié)構(gòu)，研究了溫室環(huán)境設(shè)備的5種開關(guān)狀態(tài)調(diào)節(jié)方法，并根據(jù)實際需要結(jié)合了9個控制設(shè)備狀態(tài)組合類。輸出“1”表示設(shè)備運行狀態(tài)為“開”，系統(tǒng)需要對環(huán)境參數(shù)實施控制、干預(yù)，如開啟加熱器和通風機;“0”表示設(shè)備運行狀態(tài)為“關(guān)”，該系統(tǒng)不需要溫室環(huán)境干預(yù)。設(shè)備開關(guān)狀態(tài)構(gòu)成二進制字符串，作為控制設(shè)備狀態(tài)的組合識別模型。針對控制模型識別的需要，將二進制控制字符串轉(zhuǎn)換為十進制控制數(shù)。

4? ? 結(jié)語

本系統(tǒng)的研究和設(shè)計實現(xiàn)了多因素采集的智能溫室控制。目前，我國對智能溫室控制系統(tǒng)的開發(fā)仍是一個漫長的過程。與發(fā)達國家相比，我國室內(nèi)環(huán)境控制算法存在較大的不足。在今后的工作中，將進一步研究相關(guān)算法，使智能溫室控制系統(tǒng)能夠滿足我國實際應(yīng)用的需要。

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Abstract：This paper focuses on the monitoring system of agricultural greenhouses based on WSN， analysis and research this study from hardware design， software design and system optimization. Strawberry cultivation in Baoding for three months of test. Experimental results show that， this system can collect environmental information in real time accurately.

Key words：intelligent environment monitoring; wireless sensor networks; agricultural shed