物聯(lián)網(wǎng)智能大棚信息采集與控制關(guān)鍵技術(shù)研究

楊召文，張正華，石俊逸，劉 學(xué)，秦立譽(yù)

（揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們精神生活質(zhì)量的提高，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)花卉的需求越來越大。特別是高檔花卉，對(duì)于環(huán)境要素的要求特別高。然而，在國內(nèi)，生產(chǎn)設(shè)施和栽培技術(shù)比較落后，花農(nóng)對(duì)于生產(chǎn)要素的控制缺乏經(jīng)驗(yàn)，人工不能夠精確控制環(huán)境要素，難度大。在這種情況下，一種能夠精確自動(dòng)采集與控制的技術(shù)就顯得十分迫切。系統(tǒng)采集上來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)，專家系統(tǒng)根據(jù)已經(jīng)制定好的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行判斷，然后向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，啟動(dòng)相應(yīng)的控制設(shè)備，從而達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制的目的。另外，產(chǎn)品成本低，容易維護(hù)，可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得該技術(shù)在推廣的時(shí)候擁有很大的優(yōu)勢。

1 硬件的實(shí)現(xiàn)

1.1 功能的實(shí)現(xiàn)過程

首先是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)將各種環(huán)境要素進(jìn)行信息采集，然后通過信息傳輸模塊傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)，專家系統(tǒng)對(duì)采集上來的信息進(jìn)行判斷，產(chǎn)生的控制指令通過信息傳輸模塊發(fā)送到反饋控制模塊對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到平衡環(huán)境要素的目的。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 信息采集

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System overall structure diagram

信息的采集需要將非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，因此，需要用到溫度，土壤濕度，二氧化碳，光照傳感器。傳感器采集的信號(hào)量為模擬信號(hào)，需經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器通過485總線進(jìn)行傳輸。485總線的作用是將多個(gè)信息采集模塊聯(lián)系在一起，形成多級(jí)通信，多個(gè)模塊采集到的信息通過總線傳輸?shù)絑igBee進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，從而使得大棚內(nèi)多個(gè)模塊共用同一個(gè)ZigBee，降低成本。

1.3 信息傳輸

大棚內(nèi)環(huán)境固定，適合利用485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而在大棚外部，傳輸距離遠(yuǎn)，環(huán)境復(fù)雜，適合利用無線傳輸。利用485總線將各個(gè)信息采集模塊采集上來的數(shù)據(jù)通過一個(gè)ZigBee發(fā)送。長距離的有線通信具有成本高，布線難度大，并且，日常需要定期檢查線路后期不易維護(hù)等缺點(diǎn) ，Zigbee技術(shù)是一種面向自動(dòng)化和無線控制的無線通信技術(shù)。和其他無線傳輸方式相比，具有低速率、低功耗、經(jīng)濟(jì)可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)[2]，設(shè)計(jì)精巧，可以自由組網(wǎng)，便于維護(hù)和擴(kuò)展[3、4]使其得到了廣泛的應(yīng)用。如圖2所示。

圖2 信息傳輸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Information transmission structure diagram

信息的傳輸主要包括2個(gè)部分：第一部分是信息采集模塊和ZigBee之間通過485總線的有線傳輸，第二部分是ZigBee和專家系統(tǒng)之間通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息的無線傳輸。因此，本文的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)充分利用了Zigbee技術(shù)簡單高效的特點(diǎn)，將ZigBee作為一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后分別發(fā)給專家系統(tǒng)或控制板[5-6]。

1.3.1 485總線傳輸

485總線的傳輸距離在幾十米到上千米之間，非常適合在大棚內(nèi)作為傳輸線使用。485總線采取平衡發(fā)送和差分接受，因此，在抗干擾方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。其有效驅(qū)動(dòng)點(diǎn)為32個(gè)，基本上不用采取方法來增加節(jié)點(diǎn)數(shù)，另外收發(fā)器的靈敏度非常高，能檢測在200 mV以下的電壓，因此非常適合在大棚內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在多級(jí)通信過程中，需要對(duì)每個(gè)信息采集模塊設(shè)置ID號(hào)，在控制的時(shí)候，來判定是哪一塊信息采集模塊發(fā)送的信息，從而相應(yīng)的控制模塊啟動(dòng)。

1.3.2 ZigBee無線傳輸

ZigBee作為無線通信的一種，自身有很大的優(yōu)點(diǎn)。其通信距離較遠(yuǎn)，在一公里左右；可以自由組網(wǎng)；功耗低；而且傳輸可靠性強(qiáng)。在通信過程中，采用Modus協(xié)議，以主從應(yīng)答方式工作[7]，使得PC服務(wù)器的數(shù)據(jù)與其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)能夠有效地交換和傳輸。

1.4 采集數(shù)據(jù)的判定與控制指令的產(chǎn)生

專家系統(tǒng)的功能是對(duì)傳輸上來的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行與標(biāo)準(zhǔn)值判定，然后根據(jù)判定結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令，其實(shí)質(zhì)是模仿人類的思維過程。專家系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的信息為用戶答疑，同時(shí)，用戶也可以和專家系統(tǒng)進(jìn)行交互，包括參與大棚參數(shù)的設(shè)定。

1.5 環(huán)境反饋控制

一般的智能大棚控制系統(tǒng)，大部份控制技術(shù)都是基于開關(guān)量。而基于反饋的精確控制系統(tǒng)，是根據(jù)對(duì)環(huán)境變化的增量來調(diào)整控制信號(hào)。

反饋控制的設(shè)備有水泵、風(fēng)扇、補(bǔ)光燈、卷簾窗。正常工作時(shí)，PC機(jī)接收到傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其與標(biāo)定值比較，實(shí)現(xiàn)反饋控制。當(dāng)超過設(shè)定的范圍時(shí)，水泵、風(fēng)扇、補(bǔ)光燈、卷簾窗等相應(yīng)設(shè)備的電源自動(dòng)接通或斷開。從而實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，使溫室的環(huán)境參數(shù)始終保持在適合花卉生長的最佳狀態(tài)，因此能提高花卉的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益影響花卉的環(huán)境要素為溫度，光照，土壤濕度以及二氧化碳濃度，因此 在信息采集需要相應(yīng)的傳感器。對(duì)象相應(yīng)的傳感器模塊，需要配置相應(yīng)的控制模塊。溫度配置風(fēng)扇與加熱板；土壤濕度配置水泵，光照配置LED燈和遮陽板；二氧化碳配置卷簾窗。如圖3所示。

圖3 信息采集控制示意圖Fig.3 Information collection and control plan

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 環(huán)境監(jiān)測模塊軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測模塊軟件流程是按照一定邏輯進(jìn)行運(yùn)行的。首先對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行初始化，再利用CC2430將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后搜索網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)搜索到相關(guān)ID號(hào)之后，將其加入網(wǎng)絡(luò)，通過射頻發(fā)送給接收端，接收端接收這些數(shù)據(jù)，將它顯示出來，然后重復(fù)以上過程，進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)的傳遞[8-10]。如圖4所示。

圖4 環(huán)境監(jiān)測模塊軟件流程圖Fig.4 Environmental monitoring module software flow chart

2.2 反饋控制模塊軟件設(shè)計(jì)

反饋控制模塊主要是對(duì)各種調(diào)控設(shè)備進(jìn)行控制，可以自動(dòng)控制，也可以人工控制。當(dāng)網(wǎng)關(guān)有調(diào)控指令發(fā)送過來時(shí)，立刻開始執(zhí)行控制程序，先選擇是自動(dòng)控制還是人工控制，然后通過所選擇的控制方式來控制風(fēng)扇，水泵等控制設(shè)備，使環(huán)境參數(shù)達(dá)到預(yù)定值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的反饋控制[11]。流程圖如圖5所示。

圖5 反饋控制模塊軟件流程圖Fig.5 Feedback control module software flow chart

3 結(jié)束語

高檔花卉對(duì)室內(nèi)的環(huán)境有著特別高的要求，本系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境要素能夠精確地控制。同時(shí)，本系統(tǒng)還能利用到其他的大棚種植比如蔬菜種植，水果種植等等，利用范圍廣，精確程度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，性價(jià)比好，市場前景廣闊。現(xiàn)在我國的經(jīng)濟(jì)提倡轉(zhuǎn)型，本套系統(tǒng)有利于農(nóng)業(yè)的信息化發(fā)展。

[1]Bogena H R，Huisman J A，Oberd rster C，et a1.Evaluation of a low-cost soil water content sensor for wireless network applications[J].Journal of Hydrology，2007，344(2)：32—42.

[2]鄭毅.基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].襄樊學(xué)院報(bào),2010(8):36.

[3]孫巍，陳桂芬。基于ZigBee的無線土壤溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2012（4）：9-11.

[4]YU Cheng-bo,CUI Yan-zhe,ZHANG Lian,et al.Zigbee wireless senor network in environmental monitoring applications[J].2009:1-2.

[5]李理，劉柯歧.基于Zigbee的糧倉分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù).2008,27(9):63.

[6]RAJEEV S，ANANDA.Mobile，wireless and sensor networks[M].John Wiley&Sons。lnc，USA，2006.

[7]潘洪躍.基于Modbus&協(xié)議通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)量技術(shù)，2002(4）:37.

[8]王戈，張效義.可用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(10)：117—120.

[9]劉子京，裴文江.基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，19(5)：192—194.

[10]張粵，倪桑晨，倪偉.基于ZigBee CC2430的土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012(2):189.

[11]黎放江，王祥寧，張倩.遠(yuǎn)程無線傳感器技術(shù)在智能灌溉監(jiān)控中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010(3):183-186.