基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能系統(tǒng)研究

都妍美

摘 要：我國正處于經(jīng)濟發(fā)展階段，在經(jīng)濟建設中出現(xiàn)了許多問題。我國土地資源非常豐厚，但是因為人口眾多，人均占有量卻非常低。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時若想要得到預計的高產(chǎn)高質(zhì)作物，就需要未知物提供適宜其健康生長的如陽光，二氧化碳等。為了滿足溫室智能管理自動化、網(wǎng)絡化的需求，本課題結(jié)合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的特點和優(yōu)勢，提出了一種新的設計方案，設計和實現(xiàn)了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡和GPRS技術(shù)的無線溫室智能管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡；溫室智能管理

中圖分類號：S625.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）27-0061-02

1 數(shù)字信息化

數(shù)字信息化的進步為人們社會生活提供了許多便捷，也日益影響著世界經(jīng)濟格局，已經(jīng)全面滲透到人們生活當中。各個國家利用這一發(fā)展趨勢也逐步將其利用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中。農(nóng)業(yè)的信息科技化深深影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使農(nóng)業(yè)在這種改革之下慢慢變成新型農(nóng)業(yè)模式。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)中都運用數(shù)字信息化模式，通過科學手段控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程。目前，農(nóng)業(yè)從以往傳統(tǒng)模式向全智能模式轉(zhuǎn)變，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的最終形態(tài)和必須經(jīng)歷的過程。

如今社會生活中使用無線技術(shù)的方面非常多，其中廣為人知的是網(wǎng)絡領(lǐng)域中的無線上網(wǎng)功能。無線技術(shù)在被社會運用過程中使用范圍有限，總是運用在在某一特定單一的領(lǐng)域。隨著科技發(fā)展無線技術(shù)也越來越被國家重視并且應用到水利工程項目中，其中ZigBee技術(shù)根據(jù)其自身特點在溫室智能管理時起到了至關(guān)重要的作用，它的使用解決了以往對溫室智能管理中出現(xiàn)的一系列問題，可以更完善數(shù)據(jù)的采集，也為以后對水利工程中的監(jiān)測提供了保障。

2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術(shù)，主要適用于自動控制領(lǐng)域。2000年12月成立的IEEE802.15.4工作組制定了其物理層和介質(zhì)訪問控制層的協(xié)議，2002年8月成立的ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)之上定義了網(wǎng)絡層、安全層和應用接口層標準。應用層的具體功能由用戶根據(jù)實際應用自行開發(fā)，因此使該技術(shù)能夠適用于更多的應用領(lǐng)域。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

3.1 總體設計方案

具體的溫室監(jiān)控因素主要可歸納為以下這些：溫濕度、光照強弱和CO2濃度。因為這些因素是農(nóng)作物生長最不可或缺的生長條件，在對以上這些環(huán)境參數(shù)監(jiān)測后，緊接著使用系統(tǒng)來控制相應設備進行調(diào)整，如噴灌、補光、濕簾泵、地熱發(fā)生器都可以實現(xiàn)對上面參數(shù)變化作出補救。

為實現(xiàn)溫室的環(huán)境監(jiān)控，需要及時合理的對多個影響農(nóng)作物生長的因素進行由點到線再到面的監(jiān)督和數(shù)據(jù)的收集，需要有大量的電纜或者光纖的幫助才能實現(xiàn)，而且實行起來非常費時費力，在土壤的作用下，電纜和光纖很有可能和對農(nóng)作物施用的肥料發(fā)生有害的化學反應，在大雨、大雪、雷電等情況下很容易發(fā)生料想不到的麻煩，而且線都鋪設在土壤之下，一旦有故障修理繁瑣，耗時過長，很可能減值減收。

①往往利用節(jié)點模塊實現(xiàn)溫室環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集整理，能在ZigBee本身的網(wǎng)絡和協(xié)調(diào)器之間傳遞信息，將節(jié)點端布置在室內(nèi)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，整理和傳遞的作用。

②協(xié)調(diào)器的主要功能是通過建立協(xié)調(diào)節(jié)點連接計算機和傳感器，建立集中網(wǎng)絡和處理終端傳遞的數(shù)據(jù)進而利用UART傳遞到上位機。

③網(wǎng)口-串口轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器可以將數(shù)據(jù)在兩種設備上及時互換，最終到達以太網(wǎng)IOTService，如果終端不是以太網(wǎng)則需要選擇合適的適配器實現(xiàn)連接。

④裝備有IAR Embedded Workbench的C/C++調(diào)節(jié)器和交叉編譯器的終端往往是為了網(wǎng)絡在硬件之間的建立，而裝備有VS2005軟件平臺的計算機是為了實現(xiàn)溫室內(nèi)部的可視化監(jiān)控，便于協(xié)調(diào)人與機器的互知，依靠科學的方法實現(xiàn)作物的高產(chǎn)，最終目標將溫室參數(shù)放在節(jié)點下，使用統(tǒng)一標準和數(shù)據(jù)化調(diào)控起來。

3.2 開發(fā)平臺架構(gòu)

基于Visual Studio 2005編程環(huán)境，使用 MSComm控件完成監(jiān)測管理軟件設計。我們所添加的程序主要在API層，將已有的建立好的工程項目進行修改，添加自己所需要的應用代碼，通過移植的方式來開發(fā)Zigbee項目。使用IAR打開工程文件后，即可查看到整個協(xié)議棧從ZDO層到APP層的文件夾分布。

無線傳感器網(wǎng)絡軟件平臺包括兩部分：Z-Stack協(xié)議棧和溫濕度應用程序。把用戶新建的任務添加到系統(tǒng)中，將兩部分通過操作系統(tǒng)結(jié)合到一起，才能協(xié)調(diào)有序地工作，這就是軟件平臺搭建的整個過程。

3.3 傳感器模塊

該模塊是溫濕度和相關(guān)光電傳感器等模塊，有2個傳感器，分別是光電傳感器和溫濕度傳感器，溫濕度探頭直接使用IIC接口進行控制，光敏探頭經(jīng)運放處理后輸出電壓信號到AD輸入。

使用l0-v 12bit的AD采集器對光敏信號進行采集，使用專用的IIC接口進行溫濕度信號采集。每一次的采樣需要使用2字節(jié)描述，MSB方式，溫濕度及光電傳感器模塊輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

①需要采集溫度等重要信息：溫度的數(shù)據(jù)采用高字節(jié)，而溫度數(shù)據(jù)則采用低字節(jié)；②需要采集濕度等重要信息：濕度的數(shù)據(jù)采用高字節(jié)，而濕度的數(shù)據(jù)則采用低字節(jié)；③需要采集光強度等重要信息：光強的數(shù)據(jù)采用高字節(jié)，而光強的數(shù)據(jù)則采用低字節(jié)。

在本文對溫室系統(tǒng)中，采用如今市場上廣為人知的SHT10來準確測量棚內(nèi)的溫濕度。這種傳感器較對于以往傳感器技術(shù)更能準確無誤的測量棚內(nèi)信息，使棚內(nèi)的溫濕度達到可控效果，來保證作物的生產(chǎn)結(jié)果，并且具有非常高的穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)混亂等突發(fā)問題。這種芯片另一種優(yōu)點在于可以與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器做到直接連接，方便對系統(tǒng)整體進行控制和信息傳遞。

4 數(shù)據(jù)采集模塊的調(diào)試

通過對數(shù)據(jù)的采集以及硬件調(diào)試中，通過焊接電路板，由于對程序不能有效下載。需要檢查電源的供電情況是否正常，應用多功能電表檢查，可知供電系統(tǒng)屬于正常的。通過對檢測線路問題的連接，也沒有發(fā)現(xiàn)虛焊點。當排除上述問題后，開始對原理圖的設計進行檢測，最終檢測得到在畫PCB封裝時因開關(guān)封裝時出問題，將控制信號直接短接到地，將其斷開后就能正常下載程序了。把程序下載到電路板里，得到數(shù)據(jù)采集模塊對溫室里的溫度、濕度、CO2濃度和光照強度的實時采集。

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)溫室智能管理存在觀測點少、數(shù)據(jù)采集慢、傳輸不可靠以及數(shù)據(jù)處理不及時等缺點，本文設計了基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡。它貼合各溫室智能管理的實際情況，無論其實用性、可靠性、技術(shù)先進性、經(jīng)濟性等方面都有許多優(yōu)勢，極大提高了溫室智能管理的科學管理水平，為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡在溫室智能管理中的應用提供了一套行之有效的解決方案。

參考文獻：

[1] Richa Arya，George Souliotis，Spyros Vlassis，etc.A 0.5 V tunable complex filter for Bluetooth and Zigbee using OTAs[J].Analog Integrated Circuits and Signal Processing，2014，（79）.

[2] Wissam Razouk，Garth V，Crosby，etc.New Security Approach for ZigBee Weaknesses[J].Procedia Computer Science，2014，（37）.

[3] 陳保站.基于ZigBee的溫室環(huán)境參數(shù)多路監(jiān)控系統(tǒng)[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學，2014.