傳感器在智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

于麗娜

摘 要：我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化迫在眉睫，本文運(yùn)用智能農(nóng)業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中空氣溫濕度傳感器的原理及應(yīng)用，運(yùn)用當(dāng)前最熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，嵌入式技術(shù)和無線傳感網(wǎng)路技術(shù)相結(jié)合的方法，高精度測量智能大棚生產(chǎn)過程中的環(huán)境參數(shù)，智能控制溫室內(nèi)溫濕度及通風(fēng)等情況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更高產(chǎn)的環(huán)境。

關(guān)鍵詞：傳感器；智能溫室；智慧農(nóng)業(yè)

一、引言

（一）背景及意義

智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的溫室大棚種植技術(shù)相比，智慧大棚融合了信息技術(shù)，無線傳輸技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)等，使得溫室大棚朝著智能、精細(xì)方向發(fā)展。該系統(tǒng)能夠隨時(shí)檢測環(huán)境因子，準(zhǔn)確高速地控制大棚內(nèi)的植物生長環(huán)境。

智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)有三個(gè)部分組成，分別是PC上位機(jī)，終端設(shè)備以及協(xié)調(diào)器設(shè)備。大棚內(nèi)的溫濕度傳感器檢測環(huán)境溫濕度后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee終端，ZigBee協(xié)調(diào)器與PC端通過USB串口連接進(jìn)行通信。將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到屏上，如果參數(shù)異常，可以進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到植物生長最佳環(huán)境。

（二）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

隨著人類信息時(shí)代的高速發(fā)展與世界人口的顯著增長，信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用越來越廣范，農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量越來越受到重視。國內(nèi)外紛紛投入大量人力、財(cái)力到農(nóng)業(yè)種植當(dāng)中去，致力于研究出一套適合農(nóng)業(yè)生長的低成本、多功能、低功耗的智能監(jiān)控系統(tǒng)，確保在投入最低的人力、物力情況下生產(chǎn)出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品。

（三）國內(nèi)智慧大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

我國自原始社會開始就有農(nóng)業(yè)種植。依靠人力種植，靠天吃飯，隨著人類文明的不斷發(fā)展和意識形態(tài)的不斷進(jìn)化，溫室大棚開始出現(xiàn)并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。溫室大棚的種植者不僅要充當(dāng)大棚內(nèi)各個(gè)采集點(diǎn)的傳感器，還要充當(dāng)大棚內(nèi)數(shù)據(jù)對比出現(xiàn)問題的控制執(zhí)行器。是整個(gè)溫室大棚最核心的要素。通過對植物生長環(huán)境的研究和對植物生長情況的觀察，憑借多年的種植經(jīng)驗(yàn)可以去判斷影響植物生長的因素，手動(dòng)進(jìn)行改變，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境，為農(nóng)作物生長提供最舒適的環(huán)境。但是這種方式對種植者本身的要求很高，需要種植者有多年成熟的種植經(jīng)驗(yàn)和細(xì)心的品質(zhì)，而人工對農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)也很難做到精準(zhǔn)，精確。并且這類人工大棚成本高，維護(hù)困難，溫室內(nèi)的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度，土壤溫濕度等多種環(huán)境參數(shù)根本達(dá)不到植物所需的最佳條件，不能及時(shí)防御溫室大棚內(nèi)植物的病蟲害，使得植物的產(chǎn)量，質(zhì)量達(dá)不到要求。

隨著我國智能技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室大棚的控制系統(tǒng)越來越智能，功能越來越強(qiáng)大。

但是，目前國內(nèi)的溫室大棚還存在許多問題，例如溫室大棚內(nèi)對農(nóng)作物的管理效率比較低，農(nóng)民根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，缺乏科學(xué)技術(shù)的指導(dǎo)，導(dǎo)致錯(cuò)過處理問題的最佳時(shí)機(jī)，無法保證產(chǎn)物的產(chǎn)量與質(zhì)量；大棚建設(shè)面積小，且不集中，當(dāng)部分自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，缺乏及時(shí)、有效的病蟲害診斷方法，不能做好防御應(yīng)對工作，而且大棚的費(fèi)用很高，在資源得不到有效的利用下，大棚的成本始終無法得到降低。綜上所述，我國的智慧農(nóng)業(yè)還在進(jìn)步當(dāng)中，溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用不斷地在更新完善，通過不懈的努力，物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)將迎來飛速發(fā)展的新時(shí)期。

（四）國外智慧大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

總體上來說，國外在農(nóng)業(yè)方面的發(fā)展不管是從經(jīng)濟(jì)成本上，還是實(shí)際的收益上都走在我國前面，隨著網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代的進(jìn)一步發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國家開始朝著更加智慧化，精細(xì)化的農(nóng)業(yè)方向發(fā)展。

二、監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（一）傳感器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器采集大棚內(nèi)溫度和濕度。這是一款數(shù)字信號傳感器，自動(dòng)將采集到的溫濕度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的形式輸出，不僅減少了系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集上的工作，而且其專業(yè)的數(shù)字模擬采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)也保證了傳感器數(shù)據(jù)信息的可信度和不易破壞性。

（二）ZigBee芯片型號選擇

ZigBee節(jié)點(diǎn)的工作是在溫室大棚中，將溫濕度傳感器采集到的溫濕度參數(shù)傳輸?shù)诫娔X端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，便于人員觀察。通過對多種芯片的比較，本次系統(tǒng)采用TI公司研究的CC2530芯片。原因有以下幾點(diǎn)：

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，ZigBee技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸量不大，速率低，售價(jià)低，耗能小，安全性高。對于采用無線通信技術(shù)來說，是最為合適的。

CC2530是一個(gè)集成模塊，集51單片機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、無線通信模塊于一體。這不僅大大的減小了節(jié)點(diǎn)模塊的體積，還提高了單片機(jī)和無線通信模塊集成的安全性。

相對于其它芯片（CC2430，CC2431）來說，性能更好，操作更方便，價(jià)格也更低。

CC2530支持最新的ZigBee2007/PRO。

（三）ZigBee芯片內(nèi)部介紹

TI公司中的ZigBeeCC2530芯片有RF收發(fā)器、低能的射頻前端、微型處理器。外接的射頻相對更簡單，并且加大ZigBee的輸出功率，大大改進(jìn)了接收設(shè)備效率。

CC2530是一種真正的片上系統(tǒng)解決方案，在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)上，致力于ZigBee和RF4CE。能用超低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，內(nèi)置增強(qiáng)版8051單片機(jī)，有CC2530F32/64/128/256這四種閃存版本，根據(jù)系統(tǒng)選擇，每種模式都可以完整保存數(shù)據(jù)。

三、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)采用C++語言進(jìn)行編寫的，運(yùn)行環(huán)境是Visual Studio2008，vs是一種功能強(qiáng)大的軟件編寫開發(fā)環(huán)境，由微軟公司開發(fā)，是目前非常流行的程序開發(fā)環(huán)境。

（一）監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

如果傳感器的溫濕度參數(shù)成功傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器上了，電腦和協(xié)調(diào)器通過USB接口連接成功以后在電腦管理下會有一個(gè)串口號，記住該串口號。然后運(yùn)行上位機(jī)軟件，打開串口之后，溫濕度傳感器采集到的環(huán)境溫濕度參數(shù)就會顯示在上位機(jī)軟件上的溫濕度顯示控件中。

（二）實(shí)時(shí)界面顯示設(shè)計(jì)

上位機(jī)上除了會在溫濕度控件上顯示當(dāng)前的具體溫濕度值之外，還會以動(dòng)態(tài)曲線的形式顯示。當(dāng)自動(dòng)刷新功能打開時(shí)，每隔一秒會定時(shí)的獲取溫濕度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

（三）手動(dòng)控制功能設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶觀察溫濕度趨勢變化有異常時(shí)就需要手動(dòng)去打開控制設(shè)備（風(fēng)扇）去調(diào)節(jié)環(huán)境，進(jìn)一步增加當(dāng)下系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。該功能能夠人為的改變環(huán)境溫濕度。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

打開上位機(jī)軟件，自動(dòng)刷新數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)能否正常的顯示以及控制按鈕，風(fēng)扇是否能正常工作。圖1為溫度曲線圖，圖2為濕度曲線圖。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建飛，靖文.基于ZigBee和LabVIEW的智能農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013（05）.

[2]張新，陳蘭生，趙俊.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2015（05）.

[3]宮娜娜，武海艷.傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布均勻性與定位性能的關(guān)系[J].電子測量技術(shù)， 2014（12）.