基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的蔬菜大棚智能控制系統(tǒng)研究

雷鑫

摘要：一直以來蔬菜的生長都是隨著季節(jié)而生長，人們沒有有效的方法大批量的改變蔬菜生長環(huán)境以及產(chǎn)量，隨著科技的發(fā)展，通過科技來改變蔬菜生長季節(jié)及產(chǎn)量就成了一個有待解決的問題。在智慧蔬菜大棚中構(gòu)建了以ZigBee為核心無線傳感網(wǎng)絡(luò)，本文主要講述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的蔬菜大棚智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和采用的傳感器。

關(guān)鍵詞：ZigBee；智慧蔬菜大棚；傳感器

1引言

傳統(tǒng)的蔬菜大棚只能憑經(jīng)驗施肥，不僅浪費大量的人力物力還可能因控制不好而造成蔬菜的損失。該項目在了解蔬菜的生長特點及所需的營養(yǎng)情況下結(jié)合專門測試蔬菜生長環(huán)境所需的傳感器來實時、動態(tài)的農(nóng)作物種植環(huán)境信息采集，實現(xiàn)快速、多維、多尺度的實時監(jiān)測，并在種植專家知識系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)作物種植的智能灌溉、智能施肥等自動控制。該項目的實施可實現(xiàn)科學(xué)合理的提高蔬菜的產(chǎn)量。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備類型：

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有兩種類型的設(shè)備分別

為全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD）。FFD一般來說是承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的作用。RFD只具有簡單的功能如控制開關(guān)。ZigBee協(xié)議根據(jù)ZigBee設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的作用與功能要求，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分成了三種類型： 協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，能夠保證整個網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的正常通信。路由器主要起路由的作用，負責(zé)維護網(wǎng)絡(luò)路徑、搜索設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸。FFD和RFD都可作為終端設(shè)備，因為他們的結(jié)構(gòu)簡單，功能單一。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要有三種拓撲結(jié)構(gòu)： 星型網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。每種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中必須要有一個協(xié)調(diào)器建立和協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)，每個ZigBee設(shè)備都具有一個64位的IEEE地址（一般稱為長地址），這個64位長地址是在芯片生產(chǎn)時就被確定了的，而且各不相同，并且是全球唯一的。

2.2 傳感模塊

傳感器模塊由不同的傳感器實現(xiàn)，包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、土壤濕度傳感器和熱釋紅外傳感器。

溫濕度傳感器：溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用SHT10采集農(nóng)業(yè)大棚中的溫度和濕度，工作電壓24-25V，測濕精度為+-45%RH，足以滿足大棚要求。SHT10采用SMD貼片封裝，用兩條串行線與處理器進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)采集完后ZigBee無線通信芯片將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，完成了一次數(shù)據(jù)采集。

光照度傳感器：光照度傳感器實現(xiàn)光照數(shù)據(jù)采集功能，它采用光敏電阻采集環(huán)境的光照度信息，當(dāng)光照度發(fā)生變化時，光敏電阻的阻值會減小。數(shù)據(jù)采集后轉(zhuǎn)化為電壓值送給CC2530單片機，并通過CC2530單片機的射頻通信模塊將數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，完成一次數(shù)據(jù)采集。

控制器模塊：控制模塊主要實現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)控制，主要由繼電器及控制電路組成。采用USB接口與外圍設(shè)備連接。控制節(jié)點負責(zé)執(zhí)行上協(xié)調(diào)器發(fā)送的開關(guān)設(shè)備的命令。

2.3 控制器芯片選擇

控制器芯，選擇TI 公司生產(chǎn)的CC2530，主要是利用CC2530的RF無線射頻功能實現(xiàn)系統(tǒng)的自組網(wǎng)，即可進行數(shù)據(jù)的傳輸。

3系統(tǒng)的設(shè)計方案

方案設(shè)計上，主要設(shè)計三個子系統(tǒng)，分別是ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)

本研究提出的智慧大棚系統(tǒng)中，環(huán)境感知模塊的監(jiān)測對象包括棚內(nèi)的大氣環(huán)境及土壤環(huán)境，主要通過CC2530的RF無線射頻功能實現(xiàn)系統(tǒng)的自組網(wǎng)來實現(xiàn)，它具有傳輸功耗低、傳輸速率低、成本低的優(yōu)勢，主要包括感知節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點，感知節(jié)點上所感知到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多條傳輸途徑匯至協(xié)調(diào)器節(jié)點，再向上層系統(tǒng)傳輸，最終實現(xiàn)大棚環(huán)境的實時監(jiān)測。在大棚內(nèi)隨機設(shè)置多個各種類型的傳感器，可以實現(xiàn)濕度、溫度、光照度、氣體濃度、土壤PH值的監(jiān)測：此外，該系統(tǒng)中還增加了若干個與感知節(jié)點功能類似的智能水泵控制節(jié)點。不過其傳感器模塊由兩路工業(yè)級繼電器開關(guān)控制模塊取代，在可感知棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)及土壤數(shù)據(jù)的變化后，通過水泵的啟停實時調(diào)整土壤的溫濕度。

3.2 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

智慧大棚的視頻監(jiān)控模塊包括無線智能攝像頭、視頻數(shù)據(jù)分析處理及終端信息系統(tǒng)等三個部分，其中無線智能攝像頭可360度水平連續(xù)旋轉(zhuǎn)、90度垂直旋轉(zhuǎn)，具有防雷、防浪涌等室外防護能力，在不同的室外工作溫度環(huán)境中支持分級管理，可更好的適應(yīng)大棚內(nèi)外的工作環(huán)境。在傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，一個管理人員需要監(jiān)視多路視頻，由于其工作負擔(dān)大、需要管理的范圍廣，很容易出現(xiàn)疏漏，甚至?xí)e過最佳的事故處理時機： 并且傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在大量未經(jīng)處理的視頻原始數(shù)據(jù)，很多都是無用的片段，不僅占用了大量的存儲空間，而且事后查詢歷史視頻也較困難。面智能視頻監(jiān)控不僅大大提高了視頻監(jiān)控的時效性及可靠性，而且減少了人工監(jiān)控管理的工作量，改善了工作效率及效果。

3.3 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理模塊是整個智慧大棚系統(tǒng)的信息處理中心，其包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、視頻應(yīng)用服務(wù)器、信息交換設(shè)備等硬件部分，以及各種應(yīng)用系統(tǒng)組成的軟件部分。具體組成包括系統(tǒng)配置管理模塊、感知數(shù)據(jù)存貯及處理模塊、監(jiān)控視頻存儲及處理模塊、報表處理模塊、信息遠程服務(wù)模塊等。系統(tǒng)可針對不同的用戶設(shè)置對應(yīng)的管理權(quán)限，通過系統(tǒng)配置及管理模塊設(shè)置大棚感知信息處理指令，調(diào)整視頻監(jiān)控及無線寬帶網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，保證系統(tǒng)正常的存儲感知數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)，還可進行數(shù)據(jù)的實時存貯及隨機檢索調(diào)用。此外，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還要根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果向各子系統(tǒng)發(fā)送控制信息，包括水系的啟停、溫濕度的調(diào)控。病蟲害防治的告警信息等，針對各種感知信息生成處理圖表、打印報表。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具備移動終端訪問功能，用戶可以通過智能手機、平板電腦、筆記本電腦等移動智能設(shè)備隨時隨地的獲取大棚監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，大大提高了管理控制的靈活性。

4總結(jié)

本文主要通過ZigBee自主網(wǎng)絡(luò)來連接各種傳感器來實時監(jiān)測溫室蔬菜大棚內(nèi)的土壤溫濕度、光照強度、ph值、CO2濃度等，實時監(jiān)控溫室蔬菜大棚內(nèi)的情況方便用戶隨時查看蔬菜的成長，本項目完成后大大提高了工作效率也能隨時滿足人們吃新鮮蔬菜的需求。

參考文獻

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[3]付克蘭.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)測控制系統(tǒng).科技資訊15.11（2017）：143-144.

*項目基金：2017年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的蔬菜大棚智能控制系統(tǒng)的研究，項目編號：201713324174）

指導(dǎo)老師：王紅，副教授，研究方向物聯(lián)網(wǎng)工程。