一種基于無線網絡的智能溫室群監控系統設計

梁麗

（陜西財經職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

隨著我國經濟的增長和科技水平的提高，智能化、網絡化成為未來我國發展的一個重要的趨勢。同時隨著我國人口的不斷增長，溫室農作物栽培成為當前農業發展的重點。根據農業部門的統計顯示，我國溫室栽培面積已經達到210萬hm2，成為國際上農業發展的一支重要的力量。但是，隨著溫室規模的不斷擴大，如何對溫室規模群實現整體監控，成為當前智能化發展需要思考的重要的趨勢，對此本文提出一種基于無線網絡的溫室監控系統，并對系統設計進行了詳細的研究。

1 系統整體架構搭建

與傳統的溫室溫度監控系統相比，溫室群環境監控則是在傳統溫室監控監控的基礎上，通過采用服務集群的方式，對現場的不同溫室環境進行監控，從而使得農業企業通過該系統對處在全國各地的溫室進行監控，以此實現對現代農業的管理。對此，根據該原理，本文將該系統整體架構設計為如圖1所示。

圖1 系統整體架構布局Fig.1 The overall architecture of system layout

通過圖1可以看出，對系統的底層其通信協議采用無線網絡ZigBee協議，在每個不同的節點搭載著不同類型的環境監控傳感器，從而將溫室環境監控信息上傳到溫室群當中的ZigBee協調器節點。這些協調器的節點在接收到相關的數據之后，經過其中的RS232-RJ45通信協議，最終將數據格式轉換為RJ45的格式，則將數據上傳到系統的路由器當中。同時在溫室當中布局視頻節點，通過其中的IEEE 802.11協議，也將視頻采集到的數據上傳到路由器當中。最后通過上述步驟將數據共享到現場的服務器當中。而現場的服務器則通過對數據的匯總，并通過網絡交換機的方式與總的服務器進行處理。用戶終端系統通過網絡界面即可實現對下屬的任何一個溫室環境進行查看、分析和整理，并根據溫室溫度的情況，實現對溫室溫度的控制。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器節點控制模塊設計

為更好的做好對溫室溫度的監控，本文將傳感器節點搭載相應的傳感器和繼電器，從而通過該系統中傳感器對其中的溫度、光照度等相關數據的采集，并可通過繼電器實現對溫室控制風機的運轉，以此最后實現對整個溫室當中溫度方面的監控和控制。而在該系統中空氣的溫濕度傳感器本文則選擇有歐洲Sensirion公司所生產的數字濕度傳感器，該類傳感器的濕度值的輸出分辨率則為12位、該傳感器的電源電壓范圍保持在 2.4～5.5 V的范圍之內，對其進行測量是其消耗的電流大約在 550 μA，平均能耗為28 μA。該傳感器采集濕度的精度與傳統的相比，其精度要高，在±2%左右。同時可根據對數據采集的需要，對傳感器采集時間進行設計，從而使得對數據的采集在需要的時候定時采集，而在不需要的時候則可以將其關閉，節約系統的能耗。

另外，在本系統當中，對光照傳感器的選擇為由西門子公司的硅光電池型號，該類傳感器對波長在400～1100 nm，而該類波長正好為農作物吸收的波長，以此更好的可以對農作物的光照進行監控。該傳感器其光敏探頭的輸出電壓通常保持在 10～1 100 mV，通過系統當中的運放器可見將其放大的原來的3倍，從而可以給通信模塊提供到30～3 300 mV的采樣的電壓。

而其中的繼電器的控制，通過上機位下達的命令，由PCA9554驅動I/O功能接口，實現對風機電壓開關的控制，以此驅動風機的運轉和停止。

2.2 通信模塊設計

針對硬件系統的設計，本文采用由TI公司生產的CC2430芯片，該芯片是以CMOS作為解決方案，可有效的提高系統性能，并滿足 ZigBee為基礎的波段，同時對該無線網絡的協議棧選擇ZigBee2006協議，其具體的硬件原理圖如圖2所示。

圖2 無線模塊原理圖設計Fig.2 Schematic Design of wireless module

2.3 系統電源設計

對電源的設計，本文采用由美國TI公司所生產的和型號，上述型號其標準電壓分別為3.3 V、5.0 V。通過出常規電池供電的方式以外，還可通過USB接口的方式實現對系統的供電。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟甲功能平臺設計

為更好的提供對溫室環境的監控，本文對后臺軟件平臺的設計全部采用模塊化的設計思想，并預留系統功能接口。對此，文中將該軟件平臺設計為如圖3所示。

對該平臺的開發分為兩個部分，一部分為前臺開發，這部分通過VS2012開發工具，并以ASP作為開發語言，對前天進行開發；后臺部分的開發采用采用PBuilder進行開發。對整體系統數據庫采用Oracle9i，系統服務器采用Tomcat6.0。

3.2 協議棧軟件設計

對該部分軟件的開發，則采用IAR7.30B、串口調試工具、硬件驅動程序、數據分析儀等。對系統軟件的開發時基于TI公司所提供的一個免費的ZigBee2006協議棧所進行的。并以其中的ZStack-1.4.3-1.2.1版本當中的GenericApp作為基礎。該例程在功能方面比較齊全，并可在ZStack實現對數據的傳輸。

圖3 上位機軟件功能設計Fig.3 PC software function design

而無線通信模塊則通過其中的串口實現對數據的采集及其控制，對此，需要對串口的數據收發功能和傳輸功能進行設計。其具體的步驟為首先在ZStack的程序當中潛入一個實時的操作系統，并通過統一組網的方式，對無線網絡中的每個節點的加入、收發等進行控制。對此，要完成其中的任務，則需要采用統一的處理函數對其中的事件的處理進行實現。在進入到該事件的處理函數后，根據其中的event判定其中任務的發生，其具體的處理流程則如圖4所示。

圖4 任務處理部分流程Fig.4 Task processing parts of the process

如在通過無線發送的時候，則應用層會直接發送一個GEN ERICA PPSENDM SCEV T事件，其具體的串口程序為：

4 結束語

通過上述對該溫控系統的設計，從而得到該無線傳送系統在20 m的范圍之內可實現有效的數據傳輸，并通過其數據丟包率在0.5%以內。而在35 m的范圍之內其丟包的范圍更大，由此使得該系統可廣泛的應用在農業溫室監控之中，并滿足農業工程的需要。

[1]陳一飛，杜尚豐.對農業大系統控制若干問題的思考[J].農業工程，2011，1（1）:8-13.CHEN Yi-fei，DU Shang-feng.Consideration for some problems about large system control in intelligent agriculture[J].Agricultural Engineering，2011，1（1）:8-13.

[2]韓華峰，杜克明，孫忠富，等.基于 ZigBee網絡的溫室環境遠程監控系統設計與應用[J].農業工程學報，2009，25（7）:158-163.HAN Hua-feng，DU Ke-ming，SUN Zhong-fu，et al.Design and application ofZigBee based telemonitoring system for greenhouse environment data acquisition[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering：Transactions of the CSAE，2009，25（7）:158-163.

[3]蔡義華，劉剛，李莉，等.基于無線傳感器網絡的農田信息采集節點設計與試驗[J].農業工程學報，2009，4（25）:176-178.CAI Yi-hua，LIU Gang，LI Li，et al.Design and test of nodes for farmland data acquisition based on wireless sensor network[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering：Transactions of the CSAE，2009，4（25）:176-178.

[4]楊瑋，呂科，張棟，等.基于ZigBee技術的溫室無線智能控制終端開發[J].農業工程學報，2010，26（3）:198－202.YANG Wei，LV Ke，ZHANG Dong，et al.Development of wireless intelligent control terminal of greenhouse based on ZigBee[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering:Transactions of the CSAE，2010，26 （3）:198-202.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008:41-45，146-202.

[6]TI.CC2430數據手冊TI.CC2430 data manual[S].湘潭斯凱電子科技有限公司，2012.

[7]呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.