作物生長(zhǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賀芳+翁紹捷+唐榮年+肖乾虎

摘要：針對(duì)熱帶作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee/RS232的作物生長(zhǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)組成，采用組態(tài)軟件處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度、光照度和CO2濃度；能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)以圖形、表格等形式實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后可以在不同數(shù)據(jù)庫(kù)間共享。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，適用于農(nóng)田或溫室作物生長(zhǎng)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)；作物生長(zhǎng)環(huán)境信息；監(jiān)測(cè)；

中圖分類(lèi)號(hào)：S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-1302（2014）11-0435-03

海南省屬于熱帶季風(fēng)氣候，農(nóng)田可以終年種植。但熱帶作物的傳統(tǒng)種植方式極大地影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。加上作物種植的分散性使得海南農(nóng)業(yè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的資源配置。針對(duì)海南現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，研究一種適合小規(guī)模種植、成本低廉的現(xiàn)代化生產(chǎn)模式十分必要[1-2]。目前，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的重視。應(yīng)用于作物生長(zhǎng)環(huán)境信息采集的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有待進(jìn)一步的推廣。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)避免了復(fù)雜的布線，方便在中等面積的農(nóng)田上穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，應(yīng)用靈活。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有多種無(wú)線通信方式，包括ZigBee技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi、RFID和紅外線數(shù)據(jù)通訊等[3]。其中ZigBee技術(shù)因其低功耗、低成本、低復(fù)雜度等特點(diǎn)在短距離無(wú)線通訊方面脫穎而出，被認(rèn)為是最適合用于工業(yè)控制領(lǐng)域的無(wú)線通訊方式[4]。

對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響最大就是氣候環(huán)境，能反應(yīng)氣候環(huán)境的因素包括環(huán)境溫濕度、光照、土壤溫度和土壤水分等，在溫室環(huán)境下，還有CO2濃度等。作物生長(zhǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的變量包括環(huán)境溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照和CO2濃度。根據(jù)農(nóng)作物的基本生長(zhǎng)規(guī)律，選擇合適的傳感器。溫度傳感器量程需-20～60℃，環(huán)境濕度、土壤濕度傳感器量程需0～100%，光照度傳感器量程需為0～50000lx，CO2濃度傳感器量程需0～5000μmol/mol。同時(shí)今后的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)要逐步融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，所以對(duì)農(nóng)田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都要切合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[5-6]，處理數(shù)據(jù)既要便于直觀分析，又要方便二次開(kāi)發(fā)。

1系統(tǒng)的總體組成

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為三部分：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分、數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分。傳感器與傳感器之間、傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊之間的通訊都是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線通訊；ZigBee無(wú)線傳感器的特點(diǎn)之一就是能通過(guò)自組織的方式快速形成一個(gè)局域網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集模塊與上位機(jī)之間則是串口通信，支持RS-232和RS-485接口。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體組成框圖如圖1所示。

布置在大田里的傳感器將采集到的環(huán)境參數(shù)傳送給數(shù)據(jù)采集模塊。各傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以相互轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。即傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有采集和發(fā)送功能，也起到路由的作用[5]。因此可以保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)ψ銐蜻h(yuǎn)的距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，并通過(guò)RS232串口或者RS-485串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)的上位機(jī)為PC機(jī)，裝有組態(tài)軟件，在組態(tài)軟件中建立與數(shù)據(jù)采集模塊相匹配的工程，最終將數(shù)據(jù)直觀地顯示出來(lái)。

2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1硬件

系統(tǒng)底層放置了環(huán)境溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器以及CO2傳感器。中間由數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)集中并上傳給PC機(jī)。系統(tǒng)選擇的傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊是北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JZH-15-12系列傳感器和KL-N4600數(shù)據(jù)采集模塊。在空曠環(huán)境下，JZH-15-12系列傳感器的通信距離≥800m，可根據(jù)大田的實(shí)際情況，合理放置傳感器。KL-N4600是集ZigBee無(wú)線通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換于一體的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，它可下掛64個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)可將ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬成RS-485網(wǎng)絡(luò)并把通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU協(xié)議。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

KL-N4600和傳感器之間組建成ZigBee無(wú)線局域網(wǎng)，之后通過(guò)RS232串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。上位機(jī)借助組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)處理后顯示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)基地布置情況如圖3所示。

2.2軟件

系統(tǒng)使用組態(tài)王來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示界面的設(shè)計(jì)。整個(gè)監(jiān)測(cè)界面根據(jù)功能分解原理來(lái)設(shè)計(jì)。主界面功能菜單包括實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表和事件報(bào)警等（圖4）。通過(guò)實(shí)時(shí)曲線可以查看0.5h內(nèi)的農(nóng)田環(huán)境信息，及時(shí)掌握環(huán)境變化情況。歷史曲線調(diào)用了組態(tài)王中的歷史曲線控件，此控件功能完善，可以隨時(shí)查找歷史記錄，包括變量在某一時(shí)期的最大最小值和平均值等。在實(shí)時(shí)報(bào)表界面和歷史報(bào)表界面的左側(cè)設(shè)置了工具欄，可對(duì)報(bào)表進(jìn)行查詢(xún)、頁(yè)面設(shè)置、保存和打印。組態(tài)王還可以將保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入其他數(shù)據(jù)庫(kù)，其他應(yīng)用程序也可以訪問(wèn)組態(tài)王的數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)更有效的利用[7]。事件報(bào)警則會(huì)記錄系統(tǒng)出現(xiàn)的異常情況并給出警報(bào)。

作為常用的工控軟件，組態(tài)王與不同下位機(jī)結(jié)合的過(guò)程中遇到的問(wèn)題有許多共性，例如：（1）使用組態(tài)王新建設(shè)備時(shí)要正確填寫(xiě)設(shè)備地址。（2）新建變量時(shí)，需根據(jù)通訊協(xié)議確定變量所在寄存器的功能碼及存儲(chǔ)地址，并對(duì)照組態(tài)王支持的硬件設(shè)備及其協(xié)議列表選擇寄存器。組態(tài)王規(guī)定，變量存儲(chǔ)地址如果不是從0x0000開(kāi)始，地址換算成十進(jìn)制后需要+1才是通道號(hào)。寄存器一欄應(yīng)填寫(xiě)寄存器+通道號(hào)。

2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

首先對(duì)傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行疲勞測(cè)試，在長(zhǎng)達(dá)2周的不間斷使用期間，數(shù)據(jù)一直上傳穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高。部分?jǐn)?shù)據(jù)的歷史曲線如圖5所示。顯示界面上部分為各變量的曲線化顯示，可以直觀地看到具體時(shí)間段內(nèi)各變量的變化趨勢(shì)。在歷史曲線的兩側(cè)和上方都有游標(biāo)，可以查詢(xún)?nèi)我鈺r(shí)刻的某一變量值。曲線下方的功能區(qū)可實(shí)現(xiàn)顯示或隱藏某變量曲線，設(shè)置查詢(xún)區(qū)間，自定義曲線顏色粗細(xì)，放大或縮小曲線以及隨時(shí)添加變量等功能。

圖6和圖7列出了以報(bào)表形式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。在歷史報(bào)表的前3行給出了對(duì)應(yīng)變量的平均值以及最大、最小值，反映了各變量的基本情況。從數(shù)據(jù)的記錄情況來(lái)看，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。其次對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)在不同距離和環(huán)境下進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳感器節(jié)點(diǎn)在有障礙物時(shí)通訊信號(hào)容易被阻擋，在空闊地帶通訊距離可達(dá)800m以上。

3結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的作物生長(zhǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)測(cè)提供了一種簡(jiǎn)單實(shí)用成本低廉的方案。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、功能完善的前提下，盡可能地減小了系統(tǒng)操作的復(fù)雜度，保證了系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊選民，張海輝，薛少平.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技信息，2012（1）：73.

[2]王亞男.田間信息的遠(yuǎn)程獲取與無(wú)線傳輸系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[3]周怡頲，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表，2005，26（6）：5-9.

[4]虞志飛，鄔家煒.ZigBee技術(shù)及其安全性研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008，18（8）：144-147.

[5]許崢，史智興，張?jiān)骑w，等.基于ZigBee的農(nóng)田信息采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（6）：2772-2774.

[6]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（增刊1）：171-176.

[7]王冰，王世明.組態(tài)王相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（4）：1025-1027.endprint

摘要：針對(duì)熱帶作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee/RS232的作物生長(zhǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)組成，采用組態(tài)軟件處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度、光照度和CO2濃度；能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)以圖形、表格等形式實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后可以在不同數(shù)據(jù)庫(kù)間共享。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，適用于農(nóng)田或溫室作物生長(zhǎng)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)；作物生長(zhǎng)環(huán)境信息；監(jiān)測(cè)；

中圖分類(lèi)號(hào)：S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-1302（2014）11-0435-03

海南省屬于熱帶季風(fēng)氣候，農(nóng)田可以終年種植。但熱帶作物的傳統(tǒng)種植方式極大地影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。加上作物種植的分散性使得海南農(nóng)業(yè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的資源配置。針對(duì)海南現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，研究一種適合小規(guī)模種植、成本低廉的現(xiàn)代化生產(chǎn)模式十分必要[1-2]。目前，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的重視。應(yīng)用于作物生長(zhǎng)環(huán)境信息采集的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有待進(jìn)一步的推廣。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)避免了復(fù)雜的布線，方便在中等面積的農(nóng)田上穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，應(yīng)用靈活。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有多種無(wú)線通信方式，包括ZigBee技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi、RFID和紅外線數(shù)據(jù)通訊等[3]。其中ZigBee技術(shù)因其低功耗、低成本、低復(fù)雜度等特點(diǎn)在短距離無(wú)線通訊方面脫穎而出，被認(rèn)為是最適合用于工業(yè)控制領(lǐng)域的無(wú)線通訊方式[4]。

對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響最大就是氣候環(huán)境，能反應(yīng)氣候環(huán)境的因素包括環(huán)境溫濕度、光照、土壤溫度和土壤水分等，在溫室環(huán)境下，還有CO2濃度等。作物生長(zhǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的變量包括環(huán)境溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照和CO2濃度。根據(jù)農(nóng)作物的基本生長(zhǎng)規(guī)律，選擇合適的傳感器。溫度傳感器量程需-20～60℃，環(huán)境濕度、土壤濕度傳感器量程需0～100%，光照度傳感器量程需為0～50000lx，CO2濃度傳感器量程需0～5000μmol/mol。同時(shí)今后的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)要逐步融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，所以對(duì)農(nóng)田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都要切合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[5-6]，處理數(shù)據(jù)既要便于直觀分析，又要方便二次開(kāi)發(fā)。

1系統(tǒng)的總體組成

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為三部分：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分、數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分。傳感器與傳感器之間、傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊之間的通訊都是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線通訊；ZigBee無(wú)線傳感器的特點(diǎn)之一就是能通過(guò)自組織的方式快速形成一個(gè)局域網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集模塊與上位機(jī)之間則是串口通信，支持RS-232和RS-485接口。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體組成框圖如圖1所示。

布置在大田里的傳感器將采集到的環(huán)境參數(shù)傳送給數(shù)據(jù)采集模塊。各傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以相互轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。即傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有采集和發(fā)送功能，也起到路由的作用[5]。因此可以保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)ψ銐蜻h(yuǎn)的距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，并通過(guò)RS232串口或者RS-485串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)的上位機(jī)為PC機(jī)，裝有組態(tài)軟件，在組態(tài)軟件中建立與數(shù)據(jù)采集模塊相匹配的工程，最終將數(shù)據(jù)直觀地顯示出來(lái)。

2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1硬件

系統(tǒng)底層放置了環(huán)境溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器以及CO2傳感器。中間由數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)集中并上傳給PC機(jī)。系統(tǒng)選擇的傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊是北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JZH-15-12系列傳感器和KL-N4600數(shù)據(jù)采集模塊。在空曠環(huán)境下，JZH-15-12系列傳感器的通信距離≥800m，可根據(jù)大田的實(shí)際情況，合理放置傳感器。KL-N4600是集ZigBee無(wú)線通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換于一體的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，它可下掛64個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)可將ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬成RS-485網(wǎng)絡(luò)并把通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU協(xié)議。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

KL-N4600和傳感器之間組建成ZigBee無(wú)線局域網(wǎng)，之后通過(guò)RS232串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。上位機(jī)借助組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)處理后顯示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)基地布置情況如圖3所示。

2.2軟件

系統(tǒng)使用組態(tài)王來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示界面的設(shè)計(jì)。整個(gè)監(jiān)測(cè)界面根據(jù)功能分解原理來(lái)設(shè)計(jì)。主界面功能菜單包括實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表和事件報(bào)警等（圖4）。通過(guò)實(shí)時(shí)曲線可以查看0.5h內(nèi)的農(nóng)田環(huán)境信息，及時(shí)掌握環(huán)境變化情況。歷史曲線調(diào)用了組態(tài)王中的歷史曲線控件，此控件功能完善，可以隨時(shí)查找歷史記錄，包括變量在某一時(shí)期的最大最小值和平均值等。在實(shí)時(shí)報(bào)表界面和歷史報(bào)表界面的左側(cè)設(shè)置了工具欄，可對(duì)報(bào)表進(jìn)行查詢(xún)、頁(yè)面設(shè)置、保存和打印。組態(tài)王還可以將保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入其他數(shù)據(jù)庫(kù)，其他應(yīng)用程序也可以訪問(wèn)組態(tài)王的數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)更有效的利用[7]。事件報(bào)警則會(huì)記錄系統(tǒng)出現(xiàn)的異常情況并給出警報(bào)。

作為常用的工控軟件，組態(tài)王與不同下位機(jī)結(jié)合的過(guò)程中遇到的問(wèn)題有許多共性，例如：（1）使用組態(tài)王新建設(shè)備時(shí)要正確填寫(xiě)設(shè)備地址。（2）新建變量時(shí)，需根據(jù)通訊協(xié)議確定變量所在寄存器的功能碼及存儲(chǔ)地址，并對(duì)照組態(tài)王支持的硬件設(shè)備及其協(xié)議列表選擇寄存器。組態(tài)王規(guī)定，變量存儲(chǔ)地址如果不是從0x0000開(kāi)始，地址換算成十進(jìn)制后需要+1才是通道號(hào)。寄存器一欄應(yīng)填寫(xiě)寄存器+通道號(hào)。

2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

首先對(duì)傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行疲勞測(cè)試，在長(zhǎng)達(dá)2周的不間斷使用期間，數(shù)據(jù)一直上傳穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高。部分?jǐn)?shù)據(jù)的歷史曲線如圖5所示。顯示界面上部分為各變量的曲線化顯示，可以直觀地看到具體時(shí)間段內(nèi)各變量的變化趨勢(shì)。在歷史曲線的兩側(cè)和上方都有游標(biāo)，可以查詢(xún)?nèi)我鈺r(shí)刻的某一變量值。曲線下方的功能區(qū)可實(shí)現(xiàn)顯示或隱藏某變量曲線，設(shè)置查詢(xún)區(qū)間，自定義曲線顏色粗細(xì)，放大或縮小曲線以及隨時(shí)添加變量等功能。

圖6和圖7列出了以報(bào)表形式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。在歷史報(bào)表的前3行給出了對(duì)應(yīng)變量的平均值以及最大、最小值，反映了各變量的基本情況。從數(shù)據(jù)的記錄情況來(lái)看，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。其次對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)在不同距離和環(huán)境下進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳感器節(jié)點(diǎn)在有障礙物時(shí)通訊信號(hào)容易被阻擋，在空闊地帶通訊距離可達(dá)800m以上。

3結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的作物生長(zhǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)測(cè)提供了一種簡(jiǎn)單實(shí)用成本低廉的方案。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、功能完善的前提下，盡可能地減小了系統(tǒng)操作的復(fù)雜度，保證了系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊選民，張海輝，薛少平.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技信息，2012（1）：73.

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[4]虞志飛，鄔家煒.ZigBee技術(shù)及其安全性研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008，18（8）：144-147.

[5]許崢，史智興，張?jiān)骑w，等.基于ZigBee的農(nóng)田信息采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（6）：2772-2774.

[6]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（增刊1）：171-176.

[7]王冰，王世明.組態(tài)王相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（4）：1025-1027.endprint

摘要：針對(duì)熱帶作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee/RS232的作物生長(zhǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)組成，采用組態(tài)軟件處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度、光照度和CO2濃度；能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)以圖形、表格等形式實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后可以在不同數(shù)據(jù)庫(kù)間共享。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，適用于農(nóng)田或溫室作物生長(zhǎng)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)；作物生長(zhǎng)環(huán)境信息；監(jiān)測(cè)；

中圖分類(lèi)號(hào)：S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-1302（2014）11-0435-03

海南省屬于熱帶季風(fēng)氣候，農(nóng)田可以終年種植。但熱帶作物的傳統(tǒng)種植方式極大地影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。加上作物種植的分散性使得海南農(nóng)業(yè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的資源配置。針對(duì)海南現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，研究一種適合小規(guī)模種植、成本低廉的現(xiàn)代化生產(chǎn)模式十分必要[1-2]。目前，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的重視。應(yīng)用于作物生長(zhǎng)環(huán)境信息采集的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有待進(jìn)一步的推廣。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)避免了復(fù)雜的布線，方便在中等面積的農(nóng)田上穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，應(yīng)用靈活。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有多種無(wú)線通信方式，包括ZigBee技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi、RFID和紅外線數(shù)據(jù)通訊等[3]。其中ZigBee技術(shù)因其低功耗、低成本、低復(fù)雜度等特點(diǎn)在短距離無(wú)線通訊方面脫穎而出，被認(rèn)為是最適合用于工業(yè)控制領(lǐng)域的無(wú)線通訊方式[4]。

對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響最大就是氣候環(huán)境，能反應(yīng)氣候環(huán)境的因素包括環(huán)境溫濕度、光照、土壤溫度和土壤水分等，在溫室環(huán)境下，還有CO2濃度等。作物生長(zhǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的變量包括環(huán)境溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照和CO2濃度。根據(jù)農(nóng)作物的基本生長(zhǎng)規(guī)律，選擇合適的傳感器。溫度傳感器量程需-20～60℃，環(huán)境濕度、土壤濕度傳感器量程需0～100%，光照度傳感器量程需為0～50000lx，CO2濃度傳感器量程需0～5000μmol/mol。同時(shí)今后的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)要逐步融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，所以對(duì)農(nóng)田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都要切合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[5-6]，處理數(shù)據(jù)既要便于直觀分析，又要方便二次開(kāi)發(fā)。

1系統(tǒng)的總體組成

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為三部分：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分、數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分。傳感器與傳感器之間、傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊之間的通訊都是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線通訊；ZigBee無(wú)線傳感器的特點(diǎn)之一就是能通過(guò)自組織的方式快速形成一個(gè)局域網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集模塊與上位機(jī)之間則是串口通信，支持RS-232和RS-485接口。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體組成框圖如圖1所示。

布置在大田里的傳感器將采集到的環(huán)境參數(shù)傳送給數(shù)據(jù)采集模塊。各傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以相互轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。即傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有采集和發(fā)送功能，也起到路由的作用[5]。因此可以保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)ψ銐蜻h(yuǎn)的距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，并通過(guò)RS232串口或者RS-485串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)的上位機(jī)為PC機(jī)，裝有組態(tài)軟件，在組態(tài)軟件中建立與數(shù)據(jù)采集模塊相匹配的工程，最終將數(shù)據(jù)直觀地顯示出來(lái)。

2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1硬件

系統(tǒng)底層放置了環(huán)境溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器以及CO2傳感器。中間由數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)集中并上傳給PC機(jī)。系統(tǒng)選擇的傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊是北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JZH-15-12系列傳感器和KL-N4600數(shù)據(jù)采集模塊。在空曠環(huán)境下，JZH-15-12系列傳感器的通信距離≥800m，可根據(jù)大田的實(shí)際情況，合理放置傳感器。KL-N4600是集ZigBee無(wú)線通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換于一體的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，它可下掛64個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)可將ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬成RS-485網(wǎng)絡(luò)并把通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU協(xié)議。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

KL-N4600和傳感器之間組建成ZigBee無(wú)線局域網(wǎng)，之后通過(guò)RS232串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。上位機(jī)借助組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)處理后顯示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)基地布置情況如圖3所示。

2.2軟件

系統(tǒng)使用組態(tài)王來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示界面的設(shè)計(jì)。整個(gè)監(jiān)測(cè)界面根據(jù)功能分解原理來(lái)設(shè)計(jì)。主界面功能菜單包括實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表和事件報(bào)警等（圖4）。通過(guò)實(shí)時(shí)曲線可以查看0.5h內(nèi)的農(nóng)田環(huán)境信息，及時(shí)掌握環(huán)境變化情況。歷史曲線調(diào)用了組態(tài)王中的歷史曲線控件，此控件功能完善，可以隨時(shí)查找歷史記錄，包括變量在某一時(shí)期的最大最小值和平均值等。在實(shí)時(shí)報(bào)表界面和歷史報(bào)表界面的左側(cè)設(shè)置了工具欄，可對(duì)報(bào)表進(jìn)行查詢(xún)、頁(yè)面設(shè)置、保存和打印。組態(tài)王還可以將保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入其他數(shù)據(jù)庫(kù)，其他應(yīng)用程序也可以訪問(wèn)組態(tài)王的數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)更有效的利用[7]。事件報(bào)警則會(huì)記錄系統(tǒng)出現(xiàn)的異常情況并給出警報(bào)。

作為常用的工控軟件，組態(tài)王與不同下位機(jī)結(jié)合的過(guò)程中遇到的問(wèn)題有許多共性，例如：（1）使用組態(tài)王新建設(shè)備時(shí)要正確填寫(xiě)設(shè)備地址。（2）新建變量時(shí)，需根據(jù)通訊協(xié)議確定變量所在寄存器的功能碼及存儲(chǔ)地址，并對(duì)照組態(tài)王支持的硬件設(shè)備及其協(xié)議列表選擇寄存器。組態(tài)王規(guī)定，變量存儲(chǔ)地址如果不是從0x0000開(kāi)始，地址換算成十進(jìn)制后需要+1才是通道號(hào)。寄存器一欄應(yīng)填寫(xiě)寄存器+通道號(hào)。

2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

首先對(duì)傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行疲勞測(cè)試，在長(zhǎng)達(dá)2周的不間斷使用期間，數(shù)據(jù)一直上傳穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高。部分?jǐn)?shù)據(jù)的歷史曲線如圖5所示。顯示界面上部分為各變量的曲線化顯示，可以直觀地看到具體時(shí)間段內(nèi)各變量的變化趨勢(shì)。在歷史曲線的兩側(cè)和上方都有游標(biāo)，可以查詢(xún)?nèi)我鈺r(shí)刻的某一變量值。曲線下方的功能區(qū)可實(shí)現(xiàn)顯示或隱藏某變量曲線，設(shè)置查詢(xún)區(qū)間，自定義曲線顏色粗細(xì)，放大或縮小曲線以及隨時(shí)添加變量等功能。

圖6和圖7列出了以報(bào)表形式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。在歷史報(bào)表的前3行給出了對(duì)應(yīng)變量的平均值以及最大、最小值，反映了各變量的基本情況。從數(shù)據(jù)的記錄情況來(lái)看，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。其次對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)在不同距離和環(huán)境下進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳感器節(jié)點(diǎn)在有障礙物時(shí)通訊信號(hào)容易被阻擋，在空闊地帶通訊距離可達(dá)800m以上。

3結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的作物生長(zhǎng)環(huán)境信息無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)測(cè)提供了一種簡(jiǎn)單實(shí)用成本低廉的方案。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、功能完善的前提下，盡可能地減小了系統(tǒng)操作的復(fù)雜度，保證了系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊選民，張海輝，薛少平.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技信息，2012（1）：73.

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[7]王冰，王世明.組態(tài)王相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（4）：1025-1027.endprint