模糊控制在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)大棚中的應用

龔瑞昆 田野

摘? 要： 該文重點利用ZigBee技術設計一整套智慧農(nóng)業(yè)大棚智能系統(tǒng)，通過各類傳感器節(jié)點采集的信息加以傳輸，以及多設備之間的數(shù)據(jù)交互傳遞，實現(xiàn)了農(nóng)作物與互聯(lián)網(wǎng)的對接。把農(nóng)作物的生長信息以及環(huán)境信息等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳遞給智能農(nóng)業(yè)大棚應用服務平臺，能夠使用戶端實時獲取大棚內(nèi)生長作物的準確信息，并通過科學的分析來預測、預防病蟲害的發(fā)生。大棚農(nóng)作物生長過程中存在的多種模糊性環(huán)境參數(shù)之間的耦合，會對農(nóng)作物的生長造成無法預測的影響。因此該文還著重研究了基于Mamdani模糊控制理論的控制系統(tǒng)，通過分析大棚內(nèi)各種參數(shù)后得出控制策略，以保證農(nóng)作物優(yōu)良生長，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚精準化、數(shù)字化的管理。

關鍵詞： 智慧農(nóng)業(yè)大棚; 模糊控制; ZigBee技術; 遠程通信; 系統(tǒng)設計; 數(shù)據(jù)分析

中圖分類號： TN790?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）08?0093?04

Application of fuzzy control in ZigBee IoT intelligent agricultural greenhouse

GONG Ruikun， TIAN Ye

（North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China）

Abstract： A whole set of intelligent system of intelligent agricultural greenhouse is designed by using ZigBee technology， with which the information collected by various sensor nodes is transmitted， and the data is transmitted among multiple devices interactively， so as to realize the docking between crops and the Internet. The crop growth information， environmental information and other data are transmitted to the application service platform of the intelligent agricultural greenhouse through network， which can enable the user side to obtain the accurate information of the growing crops in the greenhouse in real time， and predict and prevent the occurrence of diseases and pests by means of the scientific analysis. The coupling of a variety of fuzzy environmental parameters in the growing process of greenhouse crops could cause unpredictable effects on the growth of crops. Therefore， the control system based on the Mamdani fuzzy control theory is also studied emphatically， and the control strategy is obtained by analyzing various parameters in the greenhouses， so as to ensure the excellent growth of crops and realize the precision and digitization management of the agricultural greenhouses.

Keywords： intelligent agricultural greenhouse; fuzzy control; ZigBee technology; remote communication; system design; data analysis

0? 引? 言

智慧農(nóng)業(yè)打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的壁壘，成為新型的農(nóng)業(yè)一體化發(fā)展模式，棚內(nèi)的季節(jié)調(diào)節(jié)作用使得農(nóng)作物不再受時間和空間的制約，使農(nóng)業(yè)向著更加智慧、更加精準的方向發(fā)展，具有更重要的現(xiàn)實意義，為農(nóng)產(chǎn)品全年無間隔收獲提供了可能[1]。本文以傳感器、ZigBee數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)絡、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理終端等作為基礎搭建物聯(lián)網(wǎng)技術平臺來實現(xiàn)農(nóng)作物與互聯(lián)網(wǎng)的對接，同時運用Mamdani模糊控制方法設計一套完整、智能、信息精準化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚。利用大棚中的傳感器節(jié)點把農(nóng)作物的生長信息以及環(huán)境信息等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳遞給大棚應用服務端，能夠保證用戶實時獲取大棚內(nèi)生長作物的生長信息，對突發(fā)的環(huán)境異常、病蟲害等狀況進行報警，通知用戶終端做好預防病蟲災害等相關工作，實現(xiàn)大棚的智能化管理[2]。

1? ZigBee技術

1.1? ZigBee協(xié)議結(jié)構

ZigBee無線網(wǎng)絡體系的協(xié)議結(jié)構是在IEEE 802.15.4規(guī)定的MAC層與PHY層的基礎上，將其擴展到整個通信協(xié)議至網(wǎng)絡層與應用層。該體系最初基于IEEE 802.15.4定義的NWK層和MAC層，后來ZigBee 聯(lián)盟又定義了NWK層、APL層以及安全服務部分。PHY層負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，提供無線物理傳輸介質(zhì)的接口，同時向上層MAC提供接口;MAC層實現(xiàn)節(jié)點之間的通信，避免通信沖突，實現(xiàn)通信的高效機制;NWK層負責設備之間的連接和斷開，創(chuàng)建新的網(wǎng)絡，給節(jié)點分配地址;APL層負責設備之間數(shù)據(jù)的傳輸并維護綁定數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡設備中建立安全機制[3]。

1.2? ZigBee特點

ZigBee是一種低功耗、低成本、高可靠的無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，與GSM和CDMA協(xié)議通信系統(tǒng)類似，傳輸模塊等同于移動網(wǎng)絡基站，并且網(wǎng)絡通信距離從最開始規(guī)定的幾十米可以擴展到幾百米甚至幾千米，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚短距離區(qū)間的無線通信。

2? 系統(tǒng)設計

2.1? 智慧大棚整體架構

完整的ZigBee智慧大棚通信系統(tǒng)可以分成三個層面：感知層、網(wǎng)絡層、應用層。

1） 感知層。大棚內(nèi)空氣溫濕度、光照強度、[CO2]濃度、土壤溫濕度等植物生長環(huán)境參數(shù)主要由分布在大棚內(nèi)的傳感器來獲取，實時獲取感知信息并組成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，將農(nóng)作物生長環(huán)境中的數(shù)據(jù)輸送至ZigBee協(xié)調(diào)器上。

2） 網(wǎng)絡層。ZigBee協(xié)調(diào)器會創(chuàng)建新的網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器（也充當路由器）再將各種傳感器感知得到的信息和監(jiān)視視頻等數(shù)據(jù)信息通過內(nèi)置的協(xié)議棧以及ZigBee網(wǎng)絡的無線技術上傳到網(wǎng)關，并保存到數(shù)據(jù)庫中等待預處理。

3） 應用層。主要負責對上傳并儲存的各種數(shù)據(jù)進行分析處理、展示與應用，將信息提供給用戶研究，通過Android手機、PC平板電腦等設備實現(xiàn)與用戶的交互[4]。

大棚系統(tǒng)從整體上分為5個模塊，系統(tǒng)整體結(jié)構如圖2所示。

1） 數(shù)據(jù)采集模塊。獲取空氣環(huán)境參數(shù)和土壤參數(shù)等信息，由終端節(jié)點負責獲取，主要通過傳感器節(jié)點的采集功能實現(xiàn)。

2） 數(shù)據(jù)傳輸自動預警提示模塊。該模塊是由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡服務器并保存到MySQL數(shù)據(jù)庫中，告警以短信、聲光媒體、Web網(wǎng)頁端顯示異常等形式通知客戶端與專家控制平臺。

3） 視頻監(jiān)控處理模塊。主要由ZigBee嵌入式網(wǎng)關與視頻攝像頭實現(xiàn)對蔬菜溫室環(huán)境的遠程監(jiān)控。

4） 現(xiàn)場控制模塊。利用Visual Studio集成開發(fā)軟件用Java語言編寫了一個監(jiān)控界面，由工作人員在Android手機或PC電腦上完成對遮陽板、卷簾門、噴霧機等繼電終端的控制。

5） 智能灌溉、水肥一體化模塊。其主要由施肥、灌溉等繼電控制類設備完成控制。

2.2? 系統(tǒng)功能結(jié)構設計

2.2.1? 下位機軟硬件設計

1） 硬件部分

終端節(jié)點：負責采集棚內(nèi)農(nóng)作物數(shù)據(jù)信息，主要由CC2530中央處理器、通信、傳感器和電源控制等四個模塊構成。對傳感器模塊的設計以[CO2]傳感器節(jié)點為例詳細闡述選擇過程：選取MG811型傳感器采集[CO2]濃度，MG811型傳感器使[CO2]濃度受溫濕度的變化影響較小，具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度。[CO2]濃度采集節(jié)點電路圖如圖3所示，節(jié)點核心管控模塊采用TI公司研發(fā)的CC2530芯片，該芯片包括了射頻端同時聯(lián)合了電源與復位端電路，將傳感器與核心模塊CC2530芯片在DOUT與AOUT數(shù)字引腳與模擬信號引腳上相連，當傳感器模塊讀取信號后經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)分析和轉(zhuǎn)化后，便獲得[CO2]濃度參數(shù)[5]。

圖4為棚內(nèi)在溫度為27 ℃，相對濕度為70%RH，氧氣濃度為20%時EMP與[CO2]濃度關系的仿真，EMP為輸出電勢差，代表了傳感器敏感電極和實際參考電極之間的差距，EMP符合能斯特方程：

式中：[EC]為常量;[P（CO2）]為[CO2]分壓;R為氣體常量;T為絕對溫度;F為法拉第常量。

由圖4可以得出[CO2]濃度與EMP之間的關系，即[CO2]濃度越低，EMP越高。一般空氣中[CO2]濃度為350～380 ppm。為了得到更加精確的值，圖3電路原理圖中的tCOM引腳還對MG811進行溫度補償輸出[6]。

協(xié)調(diào)器節(jié)點：創(chuàng)建網(wǎng)絡，向下與多個同區(qū)域終端通信，實現(xiàn)和滿足同路由節(jié)點的通信功能。本系統(tǒng)設計的協(xié)調(diào)器硬件核心部分主要為CC2530芯片，同時將電源接口、有線通信模塊和無線通信模塊進行聯(lián)合。

路由節(jié)點：可以由協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)路由功能，其功能構成類似都屬于FFD型節(jié)點。圖5為終端節(jié)點程序流程圖。

2） 軟件部分

下位機的軟件設計主要為系統(tǒng)的ZigBee軟件開發(fā)，運用支持Java語言編程的IAR Embedded Workbench 開發(fā)平臺，實現(xiàn)對ZigBee軟件的開發(fā)。其包括對終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器與路由器節(jié)點的開發(fā)過程，采用Java編程語言，同時對TI公司發(fā)布的Z?Stack協(xié)議棧進行相應的移植操作[7?8]。

2.2.2? 上位機軟硬件設計

1） 硬件部分

上位機的硬件設計是用戶端在Android智能手機、PC上可以直接安裝的應用APP。本系統(tǒng)設計開發(fā)的APP應用軟件主要功能分為大棚實時數(shù)據(jù)在線檢測、遠程控制以及數(shù)據(jù)管理三大模塊。系統(tǒng)實時測控部分主要是對傳感器數(shù)據(jù)的檢測;遠程控制部分主要是對卷簾門、遮陽板、噴霧機、人工光源等繼電設備的控制;數(shù)據(jù)管理主要是對農(nóng)作物生長的數(shù)據(jù)進行實時顯示、查詢。遇到觸發(fā)報警情況可以通過操作APP及時控制相關設備狀態(tài)，實現(xiàn)對大棚環(huán)境參數(shù)的遠程在線控制。