基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚

肖瑩

摘要：本系統(tǒng)運用傳感器設備和網(wǎng)絡，對大棚內(nèi)部溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環(huán)境因素進行檢測，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)進行采集，并通過MSP430F1611為核心的無線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)綑z測中心，再把數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)送到客戶端使農(nóng)民能夠?qū)崟r檢測棚內(nèi)情況，同時可以遠程自動控制大棚的澆灌器、通風天窗這樣等設備，實現(xiàn)大棚的智能控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；溫室大棚；智能農(nóng)業(yè)

1概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后的又一次信息革命，被國家正式列為重點發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。在溫室生產(chǎn)中，要實時掌握和調(diào)整濕度、溫度、光照強度，二氧化碳濃度，土壤含水量和有機質(zhì)含量等溫室環(huán)境參數(shù)，確保作物有一個良好和適宜的成長環(huán)境。傳統(tǒng)溫室生產(chǎn)需要大量的人力物力，給生產(chǎn)帶來很多不便，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來了新的動力。物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)應運而生。它可以通過實時、動態(tài)的對農(nóng)作物的種植環(huán)境進行信息采集而達到快速、多尺度實時監(jiān)測，并能智能實現(xiàn)農(nóng)作物的灌溉、施肥與溫濕度控制的自動控制。

2大棚控制系統(tǒng)的主要功能

智能大棚就是利用物聯(lián)網(wǎng)建立溫室來自動或遠程控制蔬菜的生長環(huán)境，使蔬菜得到最佳的生長環(huán)境，提高產(chǎn)量，實現(xiàn)蔬菜全年合理種植。通過農(nóng)作物所需生長環(huán)境和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能大棚具有以下功能：

1）數(shù)據(jù)采集。按照農(nóng)作物種類和生長特點的不同，在各個點部署溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器、水流傳感器、土壤濕度傳感器等設備，對大棚內(nèi)的環(huán)境信息進行實時采集。采集到的信息通過無線射頻裝置發(fā)送到嵌入式物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，再由物聯(lián)網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)分析和處理后上傳到服務器上。

2）設施控制。信息系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理后，與服務器預先設定好的數(shù)據(jù)進行比較，根據(jù)設定好的各個參數(shù)再由物聯(lián)網(wǎng)關(guān)發(fā)出開關(guān)設備控制指令，然后控制指令經(jīng)由網(wǎng)關(guān)和無線網(wǎng)絡反饋到控制設備節(jié)點，對風機、閥門、噴灌、溫度、遮陽等設備進行調(diào)控，實現(xiàn)大棚內(nèi)部環(huán)境的智能調(diào)控。

3系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)總體硬件設備包括傳感器、傳感器節(jié)點、控制系統(tǒng)、控制節(jié)點和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.1節(jié)點組成

節(jié)點根據(jù)功能可以分為兩個類型：傳感器節(jié)點和控制節(jié)點。傳感器節(jié)點負責對傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，控制節(jié)點負責接收控制命令來對大棚的設備進行控制。傳感器節(jié)點是整個系統(tǒng)中的最底層，包括溫度傳感器節(jié)點、濕度傳感器節(jié)點、二氧化碳傳感器節(jié)點、光照傳感器節(jié)點、土壤水分傳感器節(jié)點和水流傳感器節(jié)點等對大棚內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測。這些信息采集節(jié)點采集的數(shù)據(jù)由ZigBee無線傳感器節(jié)點負責，最終與其他部分進行數(shù)據(jù)通信。傳感器節(jié)點硬件框架設計圖如圖2所示：

傳感器芯片采用支持ZigBee的CC2430芯片，這款芯片高度整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，用來進行數(shù)據(jù)的無線收發(fā)功能?？刂乒?jié)點用來接收網(wǎng)關(guān)傳送過來的指令，通過相應的繼電器對外部電器設備進行間接控制。由于ZigBee的組網(wǎng)方式，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，把所有傳感器節(jié)點連接在中央設備上，再由中央設備傳輸給實時監(jiān)測棚內(nèi)情況的監(jiān)測終端。

3.2網(wǎng)關(guān)組成

網(wǎng)關(guān)負責收集每個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)并將其打包發(fā)送到指定的服務平臺。同時，對服務平臺的指令進行分析并傳送給相應的控制節(jié)點，對相應的大棚設備進行控制。網(wǎng)關(guān)在進行網(wǎng)絡初始化后對各個節(jié)點進行掃描后建立最優(yōu)信道網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡狀態(tài)良好的情況下根據(jù)不同的模式進行工作。因為網(wǎng)關(guān)需要快速處理能力和穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡，所以網(wǎng)關(guān)MCU選用低功耗的MSP430F1611，MSP430F1611與CC2430無線模塊之間通過SPI接口進行通信從而達到數(shù)據(jù)的雙向通信。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

4系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)程序從結(jié)構(gòu)上可以分為三部分：傳感器節(jié)點程序、設備節(jié)點程序、客戶端程序。傳感器節(jié)點程序包括對節(jié)點的描述，節(jié)點的綁定和數(shù)據(jù)傳輸；設備節(jié)點程序包括對節(jié)點的描述，節(jié)點的綁定，數(shù)據(jù)接收、串口通信；客戶端程序是人機互動界面程序。系統(tǒng)的工作流程是先啟動數(shù)據(jù)采集設備按下開關(guān)按鍵后設備作為協(xié)調(diào)器進行工作，按兩次開關(guān)按鍵設備將處于允許綁定的狀態(tài)，之后開啟傳感器設備，設置按下按鍵后設備作為終端節(jié)點進行工作并處于請求綁定狀態(tài)。

5結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚技術(shù)的應用可以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一系列科技問題，這將成為實現(xiàn)我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的推動力，促進我國農(nóng)業(yè)的高效、優(yōu)質(zhì)發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚的應用將會改變我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本高、效率低的現(xiàn)狀，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)走向規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化、智能化，對推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程有著重要意義。endprint