基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

李丹 李俊娟

摘要：隨著數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用受到廣泛的關(guān)注。在此背景下，文章設(shè)計了一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文章首先闡述了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體組成，然后闡述了環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和主控單元子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，最后總結(jié)了設(shè)計方案的創(chuàng)新與不足。文章設(shè)計的系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心的智能溫室中調(diào)試與運行，實驗效果良好。

關(guān)鍵詞：智能溫室；ZigBee協(xié)議；傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP391

文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著數(shù)字經(jīng)濟和大數(shù)據(jù)技術(shù)迅猛發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在智能溫室大棚中得到了很好的應(yīng)用。作物在生長過程中對外界溫濕度、二氧化碳濃度、土壤酸堿度等方面具有非常嚴格的要求，所以這些指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集就顯得至關(guān)重要。及時對溫室的環(huán)境進行數(shù)據(jù)分析可以有效規(guī)避風(fēng)險的發(fā)生，較好地保證作物生長和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

傳統(tǒng)大棚存在很大的局限性，工作效率低、干擾因素多、溫控能力差，對作物單產(chǎn)造成一定影響。因此，本文設(shè)計了一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此項采集系統(tǒng)可以生成溫室內(nèi)的區(qū)域環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)庫，對采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析并生成報告。實時監(jiān)測作物生長數(shù)據(jù)，間接地提高了單位時間的生產(chǎn)效率，為實現(xiàn)精確控制溫室環(huán)境，遠程智能控制，營造植物生產(chǎn)的舒適環(huán)境奠定了基礎(chǔ)。本文為滿足食品安全的需求，提供更好、更豐富、更安全的農(nóng)產(chǎn)品提供了參考依據(jù)^［1］。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計，如圖1所示。從組成結(jié)構(gòu)的角度進行設(shè)計，系統(tǒng)主要包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和主控單元子系統(tǒng)三大部分。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要包括空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、土壤pH值傳感器、光照度傳感器等傳感器。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要包括ZigBee終端節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點、ZigBee路由節(jié)點等，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信的功能。主控單元子系統(tǒng)是由PLC模塊、觸摸屏等模塊組成^［2］。

從數(shù)據(jù)處理流程的角度進行設(shè)計，信源是環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，是包括各種傳感器生成的光照度值、土壤pH值、空氣溫濕度值、土壤溫濕度值等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸信道包括采集子系統(tǒng)與傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的信道，傳輸網(wǎng)絡(luò)的無線通信信道，傳輸網(wǎng)絡(luò)與主控單元之間的RS485信道。其中傳感器與傳輸網(wǎng)絡(luò)的信道因傳感器類型不同而有差異，可以包括RS485、UART、I2C信道等。信宿是主控單元子系統(tǒng)，主要完成數(shù)據(jù)特征提取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與顯示和環(huán)境參數(shù)控制驅(qū)動等功能。

2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計

通過傳感器與ZigBee無線模塊之間的信息傳輸獲取溫室大棚中的環(huán)境參數(shù)，每個大棚內(nèi)都會安裝多個ZigBee無線模塊傳感器節(jié)點，準(zhǔn)確監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù)空間分布帶來的影響，獲取更準(zhǔn)確、更客觀的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)^［3］。

溫室內(nèi)的溫度和濕度等環(huán)境因素對作物生長非常重要，及時監(jiān)測和分析溫室環(huán)境信息變化是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保證作物健康生長、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等的重要手段。選擇傳感器是建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的依據(jù)。溫室大棚需要采集的數(shù)據(jù)種類繁雜、數(shù)量龐大，在傳感器與ZigBee模塊進行信息傳輸時存在一定難度。選用帶有RS485串口的傳感器，RS485通信采用的是差分信號。最大的好處是能抑制共模干擾。在溫室大棚這個環(huán)境復(fù)雜的環(huán)境里抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫接行嵘?sup>［^4］。

3 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

通信技術(shù)的不斷發(fā)展，ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)對于如何實現(xiàn)低成本、短距離、高質(zhì)量的通信具有重要的意義。RS485總線通信傳遞不受障礙物阻隔、成本低。由于RS485總線采用有線通信形式，所以在布線困難的場所采用ZigBee無線技術(shù)，可以解決設(shè)備的有線連接問題，降低通信成本。ZigBee和RS485之間的信號轉(zhuǎn)換可以方便地實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)之間的通信，其信號穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸方便，使RS485總線的適用范圍得以擴大。RS485信號轉(zhuǎn)換模塊通過TTL電平與PLC子模塊通信，實現(xiàn)TTL電平與RS485總線信號的轉(zhuǎn)換。

3.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)把農(nóng)作物生長過程中的光照度值、土壤pH值、空氣溫濕度值、土壤溫濕度值等數(shù)據(jù)收集起來，傳輸數(shù)據(jù)來和實時攝像頭進行信息交互，充分發(fā)揮無線通信靈活便捷、無需布線的特點，有效規(guī)避傳統(tǒng)有線方式存在的缺陷和不足。本文設(shè)計的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)通過上位機Modbus連接的ZigBee協(xié)調(diào)網(wǎng)關(guān)采集節(jié)點信息數(shù)據(jù)，傳輸給下位機PLC主控制器，實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的靈活控制?；赯igBee技術(shù)與RS485總線之間的信號轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)幀格式進行分析，重建，數(shù)據(jù)處理和發(fā)送，實現(xiàn)溫室數(shù)據(jù)信息傳遞。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信是通過CC2530單片機建立的。一方面下位機通過RS485總線連接CC2530模塊，將RS485信號轉(zhuǎn)換成ZigBee協(xié)議信號輸出。另一方面接收到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過RS485信號在PLC設(shè)備上顯示實現(xiàn)雙向通信^［5］。

將CC2530輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-485信號后通過RS-485總線發(fā)送到PLC裝置，或?qū)腞S-485總線接收到的裝置信號轉(zhuǎn)換成TTL電平傳送到CC2530數(shù)據(jù)處理芯片上。即通過Modbus網(wǎng)絡(luò)到達ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將指令進行轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 Modbus網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

ZigBee智能終端將采集到的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)通過Modbus網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給PLC設(shè)備。當(dāng)前土壤墑情數(shù)據(jù)采集通常采用綜合型采集傳感器，此種傳感器廣泛應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)田間或溫室中。土壤墑情綜合數(shù)據(jù)傳感器普遍采用RS485傳輸總線和Modbus通信協(xié)議與智能節(jié)點交互信息。Modbus通信協(xié)議主機詢問數(shù)據(jù)幀組成包括地址碼、功能碼、寄存器起始編號、長度、校驗碼，一般是8個字節(jié)。例如，8個字節(jié)包括0x01，0x03，0x00，0x00，0x00，0x04，0x44，0x09，表示讀取編號0寄存器起始的4個字節(jié)。Modbus通信協(xié)議從機應(yīng)答主機的數(shù)據(jù)幀組成包括地址碼、功能碼、長度、數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)N、校驗碼，一般是5+2 N個字節(jié)。例如，13個字節(jié)包括0x01，0x03，0x08，0x02，0x92，0xFF，0x9B，0x03，0xE8，0x00，0x38，0x57，0xB6，表示讀取水分值、溫度值、電導(dǎo)率值和pH值。

4 主控單元子系統(tǒng)設(shè)計

中國北方氣候變化大，晝夜溫差大，日照時間短，對作物生長不利。建設(shè)溫室已成為提高作物生長速度的有效途徑。同時，為增加農(nóng)產(chǎn)品附加值，需要通過各種規(guī)制來提高溫室環(huán)境規(guī)制體系的決策可信度、容錯能力和穩(wěn)定性。準(zhǔn)確控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營，準(zhǔn)確科學(xué)控制化肥農(nóng)藥用量，有效控制農(nóng)藥殘留率，從而保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。溫室內(nèi)植物生長因子較多，溫室內(nèi)環(huán)境因子之間存在很強的耦合關(guān)系。選擇設(shè)計PLC主控制器環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)，采用服務(wù)器-客戶端終端控制方式。由傳統(tǒng)的單一因素調(diào)控方式向多因素調(diào)控方式轉(zhuǎn)變。可有效提高溫室環(huán)境控制效果。在實驗過程中受實際情況影響，選用USB轉(zhuǎn)RS485接口和PC端模擬PLC在數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中對系統(tǒng)的控制^［6］。

主控單元子系統(tǒng)采用西門子PLC200系列模塊作為運算控制核心。一方面，主要完成任務(wù)功能是接收溫室環(huán)境參數(shù)采集數(shù)據(jù)，進行初步的數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)特征提取。然后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心的數(shù)據(jù)運算服務(wù)器上。同時，也將實時數(shù)據(jù)顯示在本地觸摸屏上。另一方面，接收智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心的環(huán)境參數(shù)調(diào)控驅(qū)動指令，輸出信號進行控制植物生長燈、水肥滴灌設(shè)備、濕簾幕布設(shè)備等。本文主要闡述第一方面功能，即數(shù)據(jù)接收處理與數(shù)據(jù)傳輸。

西門子PLC主控單元軟件編程采用梯形圖語言，使用循環(huán)掃描的程序執(zhí)行結(jié)構(gòu)。每次掃描程序段依次完成任務(wù)功能包括RS485通信端口設(shè)備數(shù)據(jù)接收、數(shù)字量IO口設(shè)備數(shù)據(jù)接收、模擬量IO口設(shè)備數(shù)據(jù)接收、上位機控制指令接收、數(shù)據(jù)運算和輸出驅(qū)動控制信號。其中RS485通信端口設(shè)備接收的數(shù)據(jù)包括光照度值、土壤pH值、空氣溫濕度值、土壤溫濕度值等數(shù)據(jù)。根據(jù)作物類型不同和種植位置空間分布差異，RS485通信端口設(shè)備包括有線傳感器節(jié)點和無線ZigBee通信節(jié)點。數(shù)字量IO口設(shè)備接收數(shù)據(jù)包括水泵變頻運行反饋數(shù)據(jù)、濕簾水泵運行反饋數(shù)據(jù)、卷簾機展開反饋數(shù)據(jù)、卷簾機下限反饋數(shù)據(jù)、卷簾機收起反饋數(shù)據(jù)、卷簾機上限反饋數(shù)據(jù)、排氣窗展開反饋數(shù)據(jù)、排氣窗下限反饋數(shù)據(jù)、排氣窗收起反饋數(shù)據(jù)、排氣窗上限反饋數(shù)據(jù)、負壓風(fēng)機運行反饋、軸流風(fēng)機運行反饋、生長燈運行反饋等。模擬量IO口設(shè)備數(shù)據(jù)包括水肥一體化水箱液位數(shù)據(jù)、水泵出口壓力數(shù)據(jù)、水泵變頻反饋數(shù)據(jù)等。輸出驅(qū)動控制信號包括水泵變頻啟停、水箱出口電磁閥開關(guān)、藥箱出水口電磁閥開關(guān)、滴灌電磁閥開關(guān)、噴霧電磁閥開關(guān)、噴灌機正轉(zhuǎn)、噴灌機反轉(zhuǎn)、噴灌機停止、卷簾機展開開關(guān)、卷簾機收起開關(guān)、排氣窗展開開關(guān)、排氣窗收起開關(guān)、負壓風(fēng)機啟停、濕簾水泵啟停、軸流風(fēng)機啟停、燃油熱風(fēng)機啟停、生長燈開關(guān)等。

5 結(jié)語

基于Modbus和ZigBee的無線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決了網(wǎng)絡(luò)覆蓋小的問題，使蜂窩網(wǎng)絡(luò)更加靈活，并大大降低了成本。為了降低環(huán)境因素的耦合率，選用了PLC，編程簡單，抗干擾性強，安裝開發(fā)負載小。在此基礎(chǔ)上，對環(huán)境因素采用順序控制方法。然而，環(huán)境因子初值的測量和計算仍然是一個很大的問題。受季節(jié)更替的影響，環(huán)境因子初值不穩(wěn)定、不準(zhǔn)確，冬、夏兩季環(huán)境因子初值在適宜溫度范圍邊緣波動。硬件設(shè)計采用PLC設(shè)備，根據(jù)溫度環(huán)境特點對室內(nèi)溫度進行控制，對溫室內(nèi)的光照度值、土壤pH值、空氣溫濕度值、土壤溫濕度值進行檢測和采集。當(dāng)然，由于時間和知識的限制，也有挑戰(zhàn)，無論是硬件還是軟件都不能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，主要是自動溫度控制，其他影響溫度的環(huán)境因素還不完善，系統(tǒng)檢測裝置也不成熟。本文的下一步工作是實現(xiàn)適當(dāng)環(huán)境參數(shù)區(qū)間的自動測量。

參考文獻

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（編輯 李春燕）

Design of intelligent greenhouse data acquisition system based on sensor network

Li Dan， Li Junjuan

（Electrical and Information Engineering College， Jilin Agricultural Science and Technology University， Jilin 132101， China）

Abstract： With the development of digital agricultural technology， the application of agricultural Internet of things in modern agriculture has been widely concerned. In this background， this paper designed a kind of intelligent greenhouse data acquisition system based on sensor networks. Firstly， this paper expounds the whole composition of the data acquisition system. Secondly， the structure and function of environmental data acquisition subsystem， data transmission network subsystem and main control unit subsystem are described. Finally， the innovation and deficiency of the design scheme are summarized.The system designed in this paper has been debugged and operated in the intelligent greenhouse of the Intelligent Agricultural Engineering Research Center， and the experimental results are good.

Key words： intelligent greenhouse; ZigBee protocol; network of sensors