基于無線傳感網絡的智能育苗監控系統

創新者：張友迅 陳佳俊 林國民 張 樂 胡文軍

傳統的室內育苗系統常常是通過人工方式進行，這導致育苗環境的參數控制精度不高且花費過多的人力和物力。鑒于此，基于Zigbee無線傳感網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）技術構建了育苗智能監控系統，該系統包括感知終端、控制終端、路由與協調終端以及后臺管控軟件。感知終端負責數據采集，基于Zigbee 技術的路由與協調終端負責數據/控制命令的雙向傳輸，控制終端用于負載控制，后臺管控軟件用于存儲數據和用戶發送控制命令。實驗測試表明，提出的監控系統可以實現三層結構育苗環境參數的有效控制，且控制精度較高。

隨著科學技術的飛躍發展，我國農業正逐步從傳統農耕向現代化農業轉變。為了提高農業產量，國內外許多研究機構進行了多方面的研究，最近研究表明優化植物幼苗的培育系統是提高生產力的有效途徑。傳統的育苗系統難以穩定和準確控制培育環境，導致植物幼苗生長慢，壯苗率不高，并且缺乏關鍵的配套技術，成本太高或者操作過于復雜，不適應自動化、大面積育苗的推廣。雖然利用有線方法可以實現大面積的育苗環境檢測，但大幅提高了傳統育苗系統的成本，且實際操作復雜。同時，一旦系統出現故障，難以及時排除，進而影響到系統的正常運行。

由于育苗系統可以對大面積育苗環境的穩定監控，通過系統的自動化控制可以實現環境的精確控制，提高壯苗率和減少人力物力等成本。一般地，育苗系統抓藥功能包括對育苗環境的土壤濕度、空氣溫度、光照強度等環境參數進行監視和控制，常用于大棚等室內幼苗的培育。近年來，無線傳感器網絡得到了快速發展，設計和生產成本逐漸降低，已在各種行業中得到廣泛應用。為此，本文應用無線傳感器網絡，主要基于Zigbee 技術構建一種低成本、高穩定性、操作方便的智能育苗監控系統，包括節點終端和后臺軟件，該系統可以實現遠程數據采集、數據傳輸和存儲、育苗的手動和自動控制等功能。

系統結構

提出系統包括節點終端與后臺軟件兩部分，其中，節點終端包括了感知終端、控制終端、路由與協調終端。感知終端負責采集土壤濕度、空氣溫度、光照強度等一系列參數，并通過無線射頻通信方式發送到后臺服務器?？刂平K端會根據感知終端采集的數據或后臺服務器發送的控制命令，實現對執行裝置的操作，從而改善現場的環境因素。路由與協調終端采用先進的無線傳感網絡技術進行設計，其正常工作的額定功率較低，可適應各種不同的環境，更支持遠距離的數據傳輸。通過路由與協調終端，以維持數據傳輸的穩定性，使系統不會輕易地受到外界干擾，保證系統的安全運行。數據傳輸過程以動態路由的方式選擇通信路徑，以提高能量的利用率，個別節點出現故障，也不影響整個系統的運行。后臺軟件用于實現對現場環境的遠程監控，采用圖形化的數據顯示方式，進而全面而直觀地反映現場環境的信息，同時，后臺軟件還具有保存現場數據信息的功能。

系統節點設計

感知終端

感知終端作為系統節點的現場監測部分，由CC2530模塊與傳感器模塊組成，完成現場土壤濕度、空氣溫度以及光照強度等一系列環境參數的采集。CC2530 芯片內部集成了2.4GHz 標準無線射頻模塊，支持IEEE 802.15.4 協議，其具備了低功耗、低成本、可自組網、協議簡單等特點，內部集成一個8051 內核單片機，提供八路12位ADC通道，21個通用I/O口和看門狗定時器等。

感知終端中的濕度與溫度傳感器是以模擬量輸出，經信號調理電路之后進行模數轉換，完成對土壤濕度與空氣溫度的采集。光照強度傳感器是數字量輸出，直接與CC2530 內裝的低功耗8051 單片機I/O 口通信，由單片機對數據進行處理后，轉換成光照強度。感知終端功能框圖如圖2 所示。模數轉換的參考電壓配置為3.3V，同時由于溫度傳感器與濕度傳感器的輸出電壓與參考電壓不匹配，需要利用信號調理電路對信號按比例進行衰減與放大。在信號調理電路中，接入電壓跟隨器以提高輸入阻抗和降低輸出阻抗，實現阻抗匹配，保證數據采樣的準確性。

系統中使用高精度的土壤濕度傳感器，其工作電壓為3.3V～ 5V，額定電流15mA。由于傳感器長期處于土壤之中，易受到腐蝕，故表面做了鍍金處理，延長其使用壽命。溫度傳感器采用非線性NTC 熱敏電阻，測量范圍在-30℃到105℃之間，25℃對應10K 的阻值。將電阻值與溫度值對應的表格存入單片機的程序存儲器里，利用查表法得到對應的環境溫度。光照傳感器型號為GY-30，具有寬范圍、高分解與低功耗的特點，測量數據范圍為1～65535，額定電流200uA。通過IIC 時序與單片機通信，經數據處理轉換為勒克斯（Lx）單位的光照強度。

圖1 育苗系統的結構框圖

圖2 感知終端的功能框圖

圖3 控制終端的功能框圖

控制終端

控制終端是由TI 的CC2530 微處理器與負載控制器兩個模塊組成，用于實現負載的自動和手動控制，具體見3.1節?？刂平K端包含了無線射頻模塊，用于與后臺服務器的無線通信。通過該無線通信方法，后臺服務器可以設置控制終端的工作模式（自動或手動模式），還可以設置環境參數的目標值。微處理器根據設置的目標環境參數和感知終端實時獲取的環境參數，實現負載控制。一個控制終端可以集中實現三層育苗工作臺控制，每層控制相互獨立，系統安裝也比較簡便。負載控制器主要由負載、繼電器、光耦等組成。繼電器隔離強弱電進而實現澆灌裝置的控制，由于CC2530芯片IO 口輸出電流較小，不能直接驅動繼電器，中間采用三極管進行驅動。光耦用于驅動LED 燈的電流調節，主要以接收CC2530 的PWM 信號實現電流調節進而控制光照強度?？刂平K端的功能框圖如圖3 所示。

路由與協調終端

路由與協調終端主要用于擴展網絡覆蓋面，在障礙周圍動態路由，幫助緩解網絡擁擠與解決設備連接失敗問題。本系統節點數據在傳輸過程中，可以根據路由選擇最優路線，提高數據傳輸的可靠性，有效避免因沖突而引起的丟包問題。路由與協調終端采用CC2530 芯片實現，其傳輸協議采用IEEE 802.15.4 標準協議，使用該技術具有以下明顯優勢：

1）功耗低。相比Bluetooth 與WIFI，相同的電量（兩節5 號電池）可維持設備工作6 個月以上，Bluetooth 卻只能工作數周，WIFI 僅僅能正常工作幾小時；

2）安全性高。協議的保密設施是基于128 位AES算法的安全軟件，防止非法節點加入網絡，保證了系統數據的安全性；

圖4 感知終端軟件流程圖

3）成 本 低。IEEE 802.15.4 協議不收取專利費，通信協議較為簡單，傳輸效率高，自組網能力強，一個系統最多可以容納256 個節點。

在本系統設計中，協調終端通過RS232 電平與服務器連接進行實時通信。具體的包括以下功能：接收來自系統節點的數據，并發送給后臺軟件，實現育苗環境的土壤濕度、空氣溫度與光照強度等指標數據實時顯示、存儲等；接收后臺軟件發送的數據并發送至路由器，再由路由器傳輸到相應的系統節點，形成整個系統的閉環控制。協調終端還為系統節點與路由器分配網絡地址，共同組成了線傳感的傳輸網絡。

軟件設計

感知終端軟件設計

為了提高感知終端對現場環境參數的采集精度，本系統采用均值濾波對數據進行處理。系統在上電初始狀態下，根據系統要求配置網絡初始化、定時器初始化、ADC 通道的采樣方式與轉換時間及對應IO 接口的初始化。感知終端軟件流程以時間分片執行，確保在一定時間當中執行一次相應任務，具體如圖4 所示。具體地，在200ms 內完成所有傳感器的單次采樣任務，5 次采樣后，對相應數據進行均值濾波得到最終采用數據；為緩解網絡數據擁堵的現象，感知終端每隔3s 發送一次數據包，該數據包由節點網絡地址、采集到的數據、系統命令字構成。同時，考慮到系統能耗和資源有效性，啟用了系統休眠模式，由內部時鐘定時喚醒CPU 查詢系統狀態，減小軟件運行時的耗損，提高執行事件的效率。

控制終端軟件設計

圖5 控制終端軟件流程圖

圖6 協調終端軟件流程圖

控制終端主要功能是根據感知終端與后臺服務器的數據，完成執行機構的控制，主要包括自動和手動兩種模式，具體由后臺服務器進行設置。在自動模式下，控制終端根據預設目標參數和感知終端采集的實時參數進行自動控制，如當濕度下降至低于預設值的下限時，開啟澆灌裝置，當濕度上升至預設值的上限時，關閉澆灌裝置。在手動模式下，用戶可以通過后臺服務器直接控制每個澆灌裝置和補光強度。另外，用戶通過后臺服務器設置系統節點的參數之后，控制終端會將這些預設參數保存在Flash ROM中，以避免因斷電而造成的數據丟失?？刂平K端的軟件流程圖如圖5 所示。

路由與協調終端軟件設計

路由終端的功能是擴展網絡的覆蓋面積，緩解網絡擁擠現象，它在接收到數據之后，根據數據的網絡地址將數據，發送到對應的節點或協調終端，實現數據的雙向通信。合理分布路由與節點，有助于數據傳輸，利用多級路由可延長數據的傳輸距離。本系統通過CC2530 實現的數據傳輸是采用動態路由方式實現，即數據傳輸的路徑并不是固定不變，是通過搜索網絡中最優路徑，結合拓撲特點并分析位置關系，利用最優信道實行數據傳輸[14-16]。在數據傳輸管理中，使用了“梯度法”確定路徑，即選擇最短路徑為傳輸信道，如果信道受阻將使用另外稍遠的通信路徑，以此類推，直到數據送達目的。實際應用中，數據傳輸信道可能發生變化，其本質是通過動態路由結合網狀拓撲結構，確保數據傳輸的可靠性。

協調終端用于啟動和配置網絡，協調點建立新網絡時，通過掃描數據傳輸信道，在網絡中識別空閑信道建立新網絡。協調點攜帶新網絡的唯一標識符，標識符貫穿整個網絡，節點與路由攜帶標識符方能加入網絡。協調終端組成后臺服務器與系統節點通信的橋梁，管理系統節點并保存網絡信息。協調終端工作流程圖如圖6 所示，協調終端上電后的系統初始化包括協議堆棧初始化、串口初始化、中斷初始化與硬件初始化等。一旦初始化并建立新網絡后，系統就確定了PAN ID（Personal Area Network ID，ZigBee 協議使用一個16 位的個域網標志符）和完成網絡地址的分配，每個任務事件對應一個特定ID，并由操作系統管理所有任務事件并調用相應的處理函數。

后臺軟件設計

本系統后臺軟件使用美國NI 公司提供的虛擬儀器開發環境LabVIEW 設計，其開發語言為G 語言。虛擬儀器是以計算機軟件為核心，而硬件僅作為數據的輸入輸出接口，同時用戶可以根據需要來定義儀器功能，不必受限于儀器廠商的特定功能。虛擬儀器將控制信息集中于軟件模塊中，并可以采用多種方式顯示相關數據、分析處理數據和實現相應控制方法，同時，可以利用計算機存儲器保存大量數據和提供報表生成及打印功能。

本系統后臺軟件與系統節點之間自定義了通信協議，每個數據包包括26 字節，其中包括報頭、命令字、工作臺號、節點網絡高地址、節點網絡低地址（L）、數據、校驗碼和報尾，設置命令字對所有執行指令進行分類，命令字包括設置系統節點的工作模式，設置系統節點的環境預設值等，校驗碼為規定長度內的所有數據和的低八位，用于校驗數據傳輸的正確性。后臺軟件與協調終端相互通信，并根據通信協議確認數據的正確性，并從數據包中提取相關數據進行使用。后臺軟件的功能框圖如圖7 所示。

后臺軟件的操作界面如圖8 所示，包括4 個工作臺，每個工作臺分為3 層并對應一個系統節點。每個工作臺顯示的信息包括節點臺號、命令字、節點網絡地址、工作方式、土壤濕度實際值與預設值曲線、工作臺環境溫度和光照強度。左上角菜單用于系統節點的參數設置和報表打印等功能。

實驗測試

測試育苗大棚面積為10m×10m，其中有4 個育苗工作臺，每個工作臺含三層植物幼苗。標準大氣壓、環境溫度20～25℃。測試內容包括：1）數據采集域無線傳輸的準確性測試分析；2）育苗環境參數控制的性能測試分析。

數據采集域無線傳輸的準確性測試分析

圖7 后臺軟件的功能框圖

圖8 后臺軟件操作界面（以1-2 臺為例）

以土壤濕度采集作為測試對象，進行數據采集與無線傳輸的偏差實驗。標準測量器具與后臺服務器（以1 號工作臺為例）測量得到數據如表1 所示。從表1 可以看出，數據誤差均在2%范圍以內，表明數據采集、傳輸具有一定的可靠性，符合實際應用需求。

表1 土壤濕度測試數據

育苗環境參數控制的性能測試分析

以1 號工作臺為例，育苗系統的環境參數設置為：土壤濕度處于20%～35%，光照強度為650Lx。利用電磁閥控制滴灌裝置改變土壤濕度，滴灌速度約為2L/min，由多組LED 燈調節補光強度，輸出功率的可調區間為10W～20W。表2 給出了24h 之內的測試數據。

表2 土壤濕度與光照強度測試數據

測試數據表明，在24h 之內土壤濕度變化范圍基本處于20%～35%之間，光照強度誤差均在±10Lx 以內。實驗過程表明，執行機構的響應速度快，系統控制穩定，可適用于實際應用。

總結

本文基于無線傳感網絡設計了育苗智能監控系統，可以實現對土壤濕度、空氣溫度、光照強度等一系列影響植物幼苗生長的環境參數的監控。育苗系統采用了Zigbee協議實現無線傳感網絡的組建和運行，系統具有低功耗、高傳輸效率與自組網能力等優勢。通過后臺服務器的管理與控制，該系統可以實現大范圍的遠程的育苗生產監控。