智能化大棚的低功耗設備優化設計研究

朱建博+胡勝慧++汪斌

【摘 要】智能大棚已經在我國的部分地區有著應用，所謂智能大棚，是指在現有的農作物溫室大棚的基礎之上，針對目標作物所需的生長環境要求，通過現代化的人為干預措施進行管理，使農作物長期處于最適宜的生長環境，以達到產量高，品質好的目的。實現是藉由計算機和現代化的新型傳感器設備及信息傳輸的系統，監測大棚內的環境參數（光照強度、溫度、濕度、空氣中CO2濃度等），從而構建一個可調可控的大棚系統。所提出的智能大棚低功耗系統，在其原有的性能基礎上，能夠通過自身設備的改進，進行進一步的低功耗設計。

【關鍵詞】Zigbee；低功耗設計；研究

【Abstract】This system is based on the ZigBee technology which can build up a wireless sensor network. In addition， during the working in agricultural greenhouses ， this system can not only do a real-time detection but also do well in energy saving .And this article is mainly talked about several ways to reduce the energy loss in the work.

【Key words】Zigbee； Low functional design； Research

0 引言

物聯網是將物體用射頻識別設備、傳感器設備通過移動網絡或其他方式接入到互聯網，并實現基于電腦和智能手機的實時檢測和控制的技術，物聯網設備是基于傳感器網絡和嵌入式系統的測控系統。智能大棚是物聯網技術在農業上的應用，它是指在現有的農作物溫室大棚的基礎之上，針對目標作物所需的生長環境要求，通過現代化的人為干預措施進行管理，使農作物長期處于最適宜的生長環境，以達到產量高，品質好的目的。智能大棚已經在我國的部分地區有著應用。

現階段應用的農業智能大棚，大多采用基于無線傳感網絡的解決方案。無線傳感網絡采用基于單片機，傳感器和射頻模塊的傳感器節點組網而成。由于智能大棚供電環境的限制，傳感器節點大多采用電池供電，從而使移動方便以及攜帶便利，但是現有農業大棚的傳感器節點一般采用不間斷的供電模式，以達到能夠連續采集環境數據和實時數據分析處理的目的。該工作機制使得系統能夠收集大量的數據進行分析處理，但是長時間的不間斷工作會使傳感器節點系統的功耗過高、器件使用壽命變短，不能夠使電池保持很好的續航能力。所以為了在保證原有的功能基礎之上盡可能降低系統的功耗，以達到延長設備使用時間的目的。本論文提出一種基于ZigBee節點的低功耗智能大棚系統方案。

1 智能大棚系統結構

該智能大棚采用基于無線傳感網絡的解決方案。傳感器節點以TI公司的CC2530芯片作為主控制器，CC2530芯片集成了8051單片機和RF收發器。[1]傳感器節點工作時，通過溫度、濕度、光照傳感器采集空氣和土壤中的溫濕度以及光照度信息，并經過A/D轉換后送入8051單片機進行處理得到溫濕度及光照度信息，通過與設定好的閾值進行對比，在溫度或濕度超過閾值時啟動繼電器接通加溫或加濕模塊，對智能大棚中的環境進行調整。此外，溫濕度及光照度信息通過射頻收發模塊傳送到其他的傳感器節點，并通過其他的傳感器中繼節點傳送到遠端電腦服務器[2]。

智能大棚的無線傳感網絡結構如圖2所示。無線傳感網絡由樹狀網絡構成，每個子節點通過傳感器采集溫度、濕度和光照度信息傳送到路由器節點，經路由器節點中繼傳送到根節點，根節點將信息送到GPRS模塊，然后再由GPRS模塊經過互聯網將信息傳送到遠端電腦服務器端，連接到服務器的智能手機可下載電腦服務器端的環境參數信息。同時，智能手機可以通過裝載的應用程序發送控制指令到電腦服務器端，并經服務器、GPRS模塊、根節點和路由節點送到指定的子節點上，啟動加溫或加濕模塊，從而控制大棚內的環境。

2 智能大棚低功耗設計

2.1 低功耗優化措施

在智能化的大棚設備中，其終端設備主要為各種傳感器設備的敏感元件與其轉化電路。為了得到大棚的實際環境情況，可能需要測量空氣中溫濕度，土壤溫濕度，空氣中的CO2濃度以及大棚內的水流進出量等環節的參數，然而部分傳感器在濕度較重的環境中可能出現元器件的生銹磨損，從而導致獲得數據的不正確甚至影響最后的判斷準確與否。所以在智能大棚內的參數檢測的過程中，可采取兩套線路測量同一物理量的辦法來保持元器件的靈敏度，即對于目標物理量的測量上，使用兩套傳感器設備來記錄數據，再通過輸入電腦的數據比對，在針對同一種類數據，同一位置上有兩種傳感器時，可以對于每個節點的數據采集進行判斷加以修正。另外，在一些環境較為潮濕的一些特殊環境，使用兩個傳感器探頭，通過設定好時間，進行階段性的輪轉工作，來達到此工作點的工作時間得到延長的目的。

大棚的工作對象是作物，在普通的大棚（注：此處以拱形大棚為例）中，一般采用塑料薄膜作為覆蓋材料，而采用塑料薄膜對大棚內環境的影響主要體現在光照強度與室內的空氣混濁度等的變化。舉例可知：（1）當大棚全部上卷時，室內外相聯通，室內空氣中的CO2含量在經過一段時間后會與室外保持一致，即空氣中一般含有約0.03%的二氧化碳。所以在這段時間內針對CO2的檢測探頭可以暫時停止工作。（2）針對光照強度的檢測設備在一天之中，只有在白天且光照強度超過一定的閥值之后，才能夠對農作物產生影響，因此在傍晚與晚上的時候，即使打開傳感器，也不能得到有效數據，所以在傍晚的時候，可以將此接口終端關閉，起到一定的功耗優化作用。具體實現過程：針對測量二氧化碳的傳感器，預先在控制大棚薄膜卷起或鋪開的電機上引出一個激勵信號（設定激勵信號是高電平），設定測量二氧化碳的傳感器是由單片機終端的信號與電力開關的激勵信號進行與非邏輯運算控制。當同時有信號輸入時，通過與非門，則傳感器關閉。針對光照強度傳感器，則可以預先設置其工作時間，一般情況下可以設置5.30AM-5.00PM這段時間內傳感器開啟，進行數據采集，其余時間選擇關閉[3]。

2.2 低功耗優化實現

實現過程如下：通過在大棚內外放置一系列的傳感器，在檢測初期全部打開，進行初期的數據采集，作為接下來數據分析的依據，并將所獲得數據，在電腦上使用軟件進行對比（此處可以采用MATLAB軟件進行誤差分析與處理），分析一定時間段內傳回的數據。若位于大棚內部不同方位的傳感器，存在近距離內的傳感器獲得的數據相同或者相似，可以判定，該物理量的實時性不強，同時認定該區域內的物理環境相似，相關物理量對于大棚內部的影響相近，可以采取關閉其中一個傳感器的措施。一段時間后再次打開關閉的傳感器，收集兩處的環境數據進行對比，如果外界環境改變導致數據發生了變化，則判斷此時兩個終端處于不同的工作環境中，即需要將兩個終端同時打開以保證數據的實時有效，設定時間周期后，重復以上過程。對于傳感器上的數據的比對工作和記錄可以在ZigBee的節點上傳輸到GPRS的傳輸站，上傳到Internet上，再由控制電腦環節進行下載，所下載的數據通過預設好的軟件進行分析運算，得出結果后，藉由相同的方式，反饋開關指令給終端，控制相關的檢測設備的開啟或者關閉。傳輸通過AT指令來實現設備終端和PC機的連接[4-5]，如圖3。

在軟件實現上，針對數據的傳輸環節，為保證信號的強度，在大棚內部架設結點時，應考慮結點間的距離和結構，在結構上，可以有星型結構、網狀結構和簇狀結構，在三種結構中，具有較好的穩定性的是網狀結構，可以作為架構時的首先選擇。

3 結語

智能大棚的優化設計，其主要功能在原有的智能化儀器儀表的基礎上，繼承了原有設計的優點，進行材料的節能和結構上的部分創新，在增強整套系統的可持續工作能力的同時增添了報警及防護的環節，進一步提高了整套裝置的工作能力，在農業上能夠有較好的運用。

【參考文獻】

[1]曹新，董瑋，譚一酉.基于無線傳感網絡的智能溫室大棚監控系統[J].電子技術應用，2012，38（2）：84-87.

[2]隋會靜，呂東華，林賢賢，楊永杰.一種智能大棚監控系統的設計[J].光明日報，2011（9）：100-102.

[3]呂宏，黃釘勁.基于 ZigBee技術低功耗無線溫度數據采集及傳輸[J].中國科技核心期刊，2012，2，31（2）：58-60.

[4]戴由旺，李增有，韋俞鋒.基于ZigBee的低功耗無線傳感節點設計與實現[J]. 現代電子技術，2011，34（18）：121-123.

[5]任偉，顧小莉，王麗華.基于ZigBee 的低功耗無線溫室環境監測系統設計[J].農機化研究，2014，9（9）：103-107.

[責任編輯：鄧麗麗]