智能化大棚的低功耗設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

朱建博+胡勝慧++汪斌

【摘 要】智能大棚已經(jīng)在我國(guó)的部分地區(qū)有著應(yīng)用，所謂智能大棚，是指在現(xiàn)有的農(nóng)作物溫室大棚的基礎(chǔ)之上，針對(duì)目標(biāo)作物所需的生長(zhǎng)環(huán)境要求，通過(guò)現(xiàn)代化的人為干預(yù)措施進(jìn)行管理，使農(nóng)作物長(zhǎng)期處于最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，以達(dá)到產(chǎn)量高，品質(zhì)好的目的。實(shí)現(xiàn)是藉由計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代化的新型傳感器設(shè)備及信息傳輸?shù)南到y(tǒng)，監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)（光照強(qiáng)度、溫度、濕度、空氣中CO2濃度等），從而構(gòu)建一個(gè)可調(diào)可控的大棚系統(tǒng)。所提出的智能大棚低功耗系統(tǒng)，在其原有的性能基礎(chǔ)上，能夠通過(guò)自身設(shè)備的改進(jìn)，進(jìn)行進(jìn)一步的低功耗設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】Zigbee；低功耗設(shè)計(jì)；研究

【Abstract】This system is based on the ZigBee technology which can build up a wireless sensor network. In addition， during the working in agricultural greenhouses ， this system can not only do a real-time detection but also do well in energy saving .And this article is mainly talked about several ways to reduce the energy loss in the work.

【Key words】Zigbee； Low functional design； Research

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是將物體用射頻識(shí)別設(shè)備、傳感器設(shè)備通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或其他方式接入到互聯(lián)網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)基于電腦和智能手機(jī)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制的技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)。智能大棚是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，它是指在現(xiàn)有的農(nóng)作物溫室大棚的基礎(chǔ)之上，針對(duì)目標(biāo)作物所需的生長(zhǎng)環(huán)境要求，通過(guò)現(xiàn)代化的人為干預(yù)措施進(jìn)行管理，使農(nóng)作物長(zhǎng)期處于最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，以達(dá)到產(chǎn)量高，品質(zhì)好的目的。智能大棚已經(jīng)在我國(guó)的部分地區(qū)有著應(yīng)用。

現(xiàn)階段應(yīng)用的農(nóng)業(yè)智能大棚，大多采用基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的解決方案。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用基于單片機(jī)，傳感器和射頻模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)而成。由于智能大棚供電環(huán)境的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)大多采用電池供電，從而使移動(dòng)方便以及攜帶便利，但是現(xiàn)有農(nóng)業(yè)大棚的傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用不間斷的供電模式，以達(dá)到能夠連續(xù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析處理的目的。該工作機(jī)制使得系統(tǒng)能夠收集大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，但是長(zhǎng)時(shí)間的不間斷工作會(huì)使傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的功耗過(guò)高、器件使用壽命變短，不能夠使電池保持很好的續(xù)航能力。所以為了在保證原有的功能基礎(chǔ)之上盡可能降低系統(tǒng)的功耗，以達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間的目的。本論文提出一種基于ZigBee節(jié)點(diǎn)的低功耗智能大棚系統(tǒng)方案。

1 智能大棚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該智能大棚采用基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的解決方案。傳感器節(jié)點(diǎn)以TI公司的CC2530芯片作為主控制器，CC2530芯片集成了8051單片機(jī)和RF收發(fā)器。[1]傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，通過(guò)溫度、濕度、光照傳感器采集空氣和土壤中的溫濕度以及光照度信息，并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入8051單片機(jī)進(jìn)行處理得到溫濕度及光照度信息，通過(guò)與設(shè)定好的閾值進(jìn)行對(duì)比，在溫度或濕度超過(guò)閾值時(shí)啟動(dòng)繼電器接通加溫或加濕模塊，對(duì)智能大棚中的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。此外，溫濕度及光照度信息通過(guò)射頻收發(fā)模塊傳送到其他的傳感器節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)其他的傳感器中繼節(jié)點(diǎn)傳送到遠(yuǎn)端電腦服務(wù)器[2]。

智能大棚的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器采集溫度、濕度和光照度信息傳送到路由器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)中繼傳送到根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)將信息送到GPRS模塊，然后再由GPRS模塊經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將信息傳送到遠(yuǎn)端電腦服務(wù)器端，連接到服務(wù)器的智能手機(jī)可下載電腦服務(wù)器端的環(huán)境參數(shù)信息。同時(shí)，智能手機(jī)可以通過(guò)裝載的應(yīng)用程序發(fā)送控制指令到電腦服務(wù)器端，并經(jīng)服務(wù)器、GPRS模塊、根節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)送到指定的子節(jié)點(diǎn)上，啟動(dòng)加溫或加濕模塊，從而控制大棚內(nèi)的環(huán)境。

2 智能大棚低功耗設(shè)計(jì)

2.1 低功耗優(yōu)化措施

在智能化的大棚設(shè)備中，其終端設(shè)備主要為各種傳感器設(shè)備的敏感元件與其轉(zhuǎn)化電路。為了得到大棚的實(shí)際環(huán)境情況，可能需要測(cè)量空氣中溫濕度，土壤溫濕度，空氣中的CO2濃度以及大棚內(nèi)的水流進(jìn)出量等環(huán)節(jié)的參數(shù)，然而部分傳感器在濕度較重的環(huán)境中可能出現(xiàn)元器件的生銹磨損，從而導(dǎo)致獲得數(shù)據(jù)的不正確甚至影響最后的判斷準(zhǔn)確與否。所以在智能大棚內(nèi)的參數(shù)檢測(cè)的過(guò)程中，可采取兩套線路測(cè)量同一物理量的辦法來(lái)保持元器件的靈敏度，即對(duì)于目標(biāo)物理量的測(cè)量上，使用兩套傳感器設(shè)備來(lái)記錄數(shù)據(jù)，再通過(guò)輸入電腦的數(shù)據(jù)比對(duì)，在針對(duì)同一種類(lèi)數(shù)據(jù)，同一位置上有兩種傳感器時(shí)，可以對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行判斷加以修正。另外，在一些環(huán)境較為潮濕的一些特殊環(huán)境，使用兩個(gè)傳感器探頭，通過(guò)設(shè)定好時(shí)間，進(jìn)行階段性的輪轉(zhuǎn)工作，來(lái)達(dá)到此工作點(diǎn)的工作時(shí)間得到延長(zhǎng)的目的。

大棚的工作對(duì)象是作物，在普通的大棚（注：此處以拱形大棚為例）中，一般采用塑料薄膜作為覆蓋材料，而采用塑料薄膜對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在光照強(qiáng)度與室內(nèi)的空氣混濁度等的變化。舉例可知：（1）當(dāng)大棚全部上卷時(shí)，室內(nèi)外相聯(lián)通，室內(nèi)空氣中的CO2含量在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)與室外保持一致，即空氣中一般含有約0.03%的二氧化碳。所以在這段時(shí)間內(nèi)針對(duì)CO2的檢測(cè)探頭可以暫時(shí)停止工作。（2）針對(duì)光照強(qiáng)度的檢測(cè)設(shè)備在一天之中，只有在白天且光照強(qiáng)度超過(guò)一定的閥值之后，才能夠?qū)r(nóng)作物產(chǎn)生影響，因此在傍晚與晚上的時(shí)候，即使打開(kāi)傳感器，也不能得到有效數(shù)據(jù)，所以在傍晚的時(shí)候，可以將此接口終端關(guān)閉，起到一定的功耗優(yōu)化作用。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：針對(duì)測(cè)量二氧化碳的傳感器，預(yù)先在控制大棚薄膜卷起或鋪開(kāi)的電機(jī)上引出一個(gè)激勵(lì)信號(hào)（設(shè)定激勵(lì)信號(hào)是高電平），設(shè)定測(cè)量二氧化碳的傳感器是由單片機(jī)終端的信號(hào)與電力開(kāi)關(guān)的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行與非邏輯運(yùn)算控制。當(dāng)同時(shí)有信號(hào)輸入時(shí)，通過(guò)與非門(mén)，則傳感器關(guān)閉。針對(duì)光照強(qiáng)度傳感器，則可以預(yù)先設(shè)置其工作時(shí)間，一般情況下可以設(shè)置5.30AM-5.00PM這段時(shí)間內(nèi)傳感器開(kāi)啟，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其余時(shí)間選擇關(guān)閉[3]。

2.2 低功耗優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：通過(guò)在大棚內(nèi)外放置一系列的傳感器，在檢測(cè)初期全部打開(kāi)，進(jìn)行初期的數(shù)據(jù)采集，作為接下來(lái)數(shù)據(jù)分析的依據(jù)，并將所獲得數(shù)據(jù)，在電腦上使用軟件進(jìn)行對(duì)比（此處可以采用MATLAB軟件進(jìn)行誤差分析與處理），分析一定時(shí)間段內(nèi)傳回的數(shù)據(jù)。若位于大棚內(nèi)部不同方位的傳感器，存在近距離內(nèi)的傳感器獲得的數(shù)據(jù)相同或者相似，可以判定，該物理量的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，同時(shí)認(rèn)定該區(qū)域內(nèi)的物理環(huán)境相似，相關(guān)物理量對(duì)于大棚內(nèi)部的影響相近，可以采取關(guān)閉其中一個(gè)傳感器的措施。一段時(shí)間后再次打開(kāi)關(guān)閉的傳感器，收集兩處的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果外界環(huán)境改變導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，則判斷此時(shí)兩個(gè)終端處于不同的工作環(huán)境中，即需要將兩個(gè)終端同時(shí)打開(kāi)以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)有效，設(shè)定時(shí)間周期后，重復(fù)以上過(guò)程。對(duì)于傳感器上的數(shù)據(jù)的比對(duì)工作和記錄可以在ZigBee的節(jié)點(diǎn)上傳輸?shù)紾PRS的傳輸站，上傳到Internet上，再由控制電腦環(huán)節(jié)進(jìn)行下載，所下載的數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)設(shè)好的軟件進(jìn)行分析運(yùn)算，得出結(jié)果后，藉由相同的方式，反饋開(kāi)關(guān)指令給終端，控制相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)啟或者關(guān)閉。傳輸通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備終端和PC機(jī)的連接[4-5]，如圖3。

在軟件實(shí)現(xiàn)上，針對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸環(huán)節(jié)，為保證信號(hào)的強(qiáng)度，在大棚內(nèi)部架設(shè)結(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)點(diǎn)間的距離和結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上，可以有星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)，在三種結(jié)構(gòu)中，具有較好的穩(wěn)定性的是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以作為架構(gòu)時(shí)的首先選擇。

3 結(jié)語(yǔ)

智能大棚的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其主要功能在原有的智能化儀器儀表的基礎(chǔ)上，繼承了原有設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行材料的節(jié)能和結(jié)構(gòu)上的部分創(chuàng)新，在增強(qiáng)整套系統(tǒng)的可持續(xù)工作能力的同時(shí)增添了報(bào)警及防護(hù)的環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高了整套裝置的工作能力，在農(nóng)業(yè)上能夠有較好的運(yùn)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曹新，董瑋，譚一酉.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（2）：84-87.

[2]隋會(huì)靜，呂東華，林賢賢，楊永杰.一種智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光明日?qǐng)?bào)，2011（9）：100-102.

[3]呂宏，黃釘勁.基于 ZigBee技術(shù)低功耗無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸[J].中國(guó)科技核心期刊，2012，2，31（2）：58-60.

[4]戴由旺，李增有，韋俞鋒.基于ZigBee的低功耗無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（18）：121-123.

[5]任偉，顧小莉，王麗華.基于ZigBee 的低功耗無(wú)線溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，9（9）：103-107.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]