基于CC430的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：為了有效監(jiān)測作物生長的各種環(huán)境要素，針對復雜的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境設計了一種基于CC430單片機的設施農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)。利用分布在設施農(nóng)業(yè)大棚中的各個CC430傳感器節(jié)點來監(jiān)控作物生長的各種環(huán)境要素，將各個子節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡發(fā)送給主節(jié)點，并通過主節(jié)點把環(huán)境信息匯總到上位機。上位機程序采用LabVIEW軟件編寫，實現(xiàn)實時的環(huán)境要素數(shù)據(jù)的波形顯示和存儲，同時參照一些農(nóng)作物生長環(huán)境要素進行相應的提醒與報警。試驗結果表明，該系統(tǒng)能成功采集設施農(nóng)業(yè)中各個環(huán)境要素數(shù)據(jù)，并通過設定要素閾值來進行報警提示。

關鍵詞：CC430；無線傳感網(wǎng)絡；LabVIEW；設施農(nóng)業(yè)；作物生長；環(huán)境要素；監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號： TP277；S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0414-02

收稿日期：2013-10-28

基金項目：中國博士后科學基金（編號：2013M541505）。

作者簡介：王克甫（1976—），男，河南鄭州人，碩士，講師，研究方向為電子技術與自動化。E-mail：wkf1976@126.com。設施農(nóng)業(yè)通過利用人工建造的設施，使得傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步擺脫自然的束縛，走向安全、高效和高產(chǎn)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)[1]。設施農(nóng)業(yè)控制的核心是通過監(jiān)測設施農(nóng)業(yè)環(huán)境內(nèi)的各個要素參數(shù)，根據(jù)實際需求與要素設定值改變環(huán)境各要素參數(shù)，如溫度、濕度和煙霧濃度等，使作物能生長在合適環(huán)境下，達到最佳生長狀態(tài)[2]。但是目前對于設施農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各個環(huán)境要素的監(jiān)控主要通過人為觀測來實現(xiàn)，不僅耗費人力、物力和工時，而且無法實現(xiàn)實時的報警監(jiān)測，因而難以實現(xiàn)各個要素的有效監(jiān)控。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，技術的應用逐步深入國民生活的方方面面[3]，而二者的核心技術之一的射頻識別技術（radio frequency identification，RFID）是整個無線傳感網(wǎng)絡發(fā)展的支撐點[4]。本試驗采用CC430單片機設計了農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，當環(huán)境參數(shù)超出預設的適宜生長范圍時會自動發(fā)出報警，并通過長時間的監(jiān)測建立作物生長模型，指導合理耕作。

1系統(tǒng)結構設計

基于CC430的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)主要包括溫度傳感器子節(jié)點、濕度傳感器子節(jié)點、氣敏傳感器子節(jié)點、主節(jié)點、RS232接口和LabVIEW框架下的計算機系統(tǒng)[3]（圖1）。溫度傳感器子節(jié)點、濕度傳感器子節(jié)點和氣敏傳感器子節(jié)點用來檢測設施農(nóng)場內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度以及煙霧濃度等參數(shù)信息；主節(jié)點用來接受各個子節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包處理后通過RS232通信接口發(fā)送給上位機；計算機系統(tǒng)用來接收由路由節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包進行解包處理，分別顯示溫度、濕度和煙霧濃度等設施農(nóng)場內(nèi)的環(huán)境參數(shù)曲線以及形成相應的報警提示等功能[5]。

2采集電路硬件設計

傳感器子節(jié)點主要包括傳感器、數(shù)據(jù)預處理電路、無線數(shù)據(jù)收發(fā)器組成，設計框圖如圖2所示。

傳感器主要用于感知農(nóng)業(yè)環(huán)境中的溫度、濕度和煙霧濃度等各種信息數(shù)據(jù)，將外界信息轉(zhuǎn)化為電信號；數(shù)據(jù)預處理用來對傳感器傳輸來的電信號進行放大濾波，使得電信號的幅值和頻率等參數(shù)滿足單片機CC430F6137的要求。CC430F6137作為無線收發(fā)器的主控單元，用來完成對農(nóng)業(yè)環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，無線傳輸包括參數(shù)設置、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和無線協(xié)議設計等；無線匹配網(wǎng)絡用來實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點之間可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。

2.1溫度傳感器

溫度傳感器選用達拉斯公司生產(chǎn)的DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20的檢測范圍為-55～125 ℃，最高分辨率達12位，精度能夠到達±0.5 ℃，完全可以滿足農(nóng)業(yè)設施的環(huán)境要求。同時DS18B20具有先進的單總線數(shù)據(jù)通信功能，大大簡化了硬件電路設計，使用方便、可靠性強；內(nèi)置EEPROM，具有限溫報警功能；64位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接。DS18B20具有3個引腳，1引腳接電路信號地（GND）；2引腳作為數(shù)字信號輸出，需要接47 000 Ω上拉電阻，上拉電阻接+3.3 V電源；3引腳接電源+3.3 V[6]。

2.2濕度傳感器

濕度傳感器選用廣州奧松公司生產(chǎn)的DHT11濕度傳感器。DHT11濕度測量范圍為20%～90%RH，濕度分辨率達8位，精度達到±1%RH，完全可以滿足農(nóng)業(yè)設施的環(huán)境要求。DHT11具有4個引腳，1引腳接+5 V電源；2引腳為輸出端，接CC430的P5.1端口，需要接5 000 Ω上拉電阻，上拉電阻接 +5 V 電源；3引腳懸空；4引腳接電路信號地[7]。

2.3氣敏傳感器

氣敏傳感器選用MQ-2，檢測氣體濃度范圍為300～10 000 μL/L，對煙霧、可燃氣體（如天然氣、液化石油氣）等具有較高分辨率，完全可以滿足農(nóng)業(yè)設施的環(huán)境要求。氣敏傳感器電路如圖3所示。

氣敏傳感器具有6個引腳，1、2、3引腳接+5 V電源；5引腳通過匹配5 000 Ω電阻與電路信號地（GND）相連；4、6引腳為傳感器輸出端，短接5 000 Ω匹配電阻與地相連，并與比較器LM311的3引腳正輸入端相連。在氣敏傳感器電路中，通過與LM311的2引腳負輸入端的煙霧濃度閾值電壓相比較，判定煙霧濃度是否超標，閾值電壓可以通過調(diào)節(jié) 10 000 Ω 可變電阻來設定。如果3引腳的輸入電壓值小于2引腳的閾值電壓，LM311的7引腳輸出端為信號0，煙霧濃度沒有超標，不報警；若3引腳的輸入電壓值大于2引腳的閾值電壓，LM311的7引腳輸出端為信號1，煙霧濃度超標，報警。LM311的8引腳接+5V電源，4引腳接信號地，7引腳需要接 4 700 Ω 上拉電阻R14，R14接入電源+5 V，并通過0.1 μF的小電容C 25，接入信號地[8]。

3軟件設計

3.1傳感器子節(jié)點程序設計

在無線傳感網(wǎng)絡中，每個節(jié)點都有一個固定的地址編碼，用于身份識別。傳感器子節(jié)點程序主要用來監(jiān)測設施農(nóng)業(yè)環(huán)境中各個要素的數(shù)據(jù)。軟件設計框圖如圖4所示。傳感器子節(jié)點程序主要采集分布在設施農(nóng)業(yè)環(huán)境中的傳感器傳輸電信號，并對采集到的電信號進行相應的處理，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換和打包處理等，并利用射頻433 MHz進行無線數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸過程中LED指示燈閃爍，傳輸完畢后LED指示燈熄滅。

5結束語

與傳統(tǒng)的人為觀測設施農(nóng)業(yè)環(huán)境要素相比，基于CC430的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)能有效實現(xiàn)設施農(nóng)業(yè)環(huán)境要素的實時監(jiān)測，并通過設置環(huán)境要素閾值給予報警提示。以LabVIEW軟件構建的上位機具有良好的人機界面、操作簡單便捷、便于用戶使用、功能擴展性強的特點。系統(tǒng)試驗結果表明，網(wǎng)絡節(jié)點間能夠達到300 m的通信距離，且能夠?qū)r(nóng)業(yè)設施環(huán)境中溫度和濕度進行有效的數(shù)據(jù)采集。利用上位機能夠?qū)r(nóng)業(yè)設施環(huán)境中的要素進行實時的數(shù)據(jù)波形監(jiān)測，通過設定閾值來保證設施農(nóng)業(yè)環(huán)境中農(nóng)作物的可靠生長，一旦某一要素超過閾值，就會報警提示。該系統(tǒng)能夠應用在現(xiàn)代化大型生產(chǎn)的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境要素監(jiān)管過程中，實現(xiàn)設施農(nóng)業(yè)中大棚種植的遠程監(jiān)控，為確保農(nóng)作物生長環(huán)境和農(nóng)作物生長質(zhì)量可監(jiān)控，提供了有利條件。

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