基于WSN的互聯型農業大棚智能測控系統

何諧++井新宇

摘要：針對當前農業大棚的智能化、信息化、網絡化需求，構建了一種互聯型的農業大棚智能測控系統。系統前端由WSN負責大棚環境參數的采集和控制，利用Zigbee技術進行組網。網關產生本地控制策略以及與管理平臺服務器進行信息交互，重點闡述了傳感器節點和網關的設計。通過實地應用測得，該系統的WSN網絡通信穩定，傳感各節點參數采集精確，滿足工程設計需求。

關鍵詞：WSN；Zigbee；網關；互聯型；CC2530

中圖分類號： TP393；S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0364-04

收稿日期：2015-11-12

基金項目：國家自然科學基金（編號：61503161）；江蘇省信息融合軟件工程技術研究開發中心開放基金（編號：SR201302）；江蘇省高等職業學校提升專業服務產業發展能力項目（編號：JYZY2012010413）。

作者簡介：何諧（1982—），女，江蘇江陰人，碩士，講師，研究方向為物聯網技術、智能控制。E-mail：hexie1126@163.com。

隨著農業設施規模的逐漸擴大、自動化程度不斷提高，國內外興起了對農業大棚環境自動控制和智能化方面的研究。目前，我國大部分智能大棚仍采用有線方式進行測控，這種方式不利于擴展，且大棚空間有限，難以布局。因此，可利用無線傳感網絡（wireless sensor network，WSN）對農業大棚采用無線方式進行環境參數的檢測與控制[1]。目前，已建的一些智能大棚僅關注本地大棚的系統構建。2015年政府工作報告提出“互聯網+”行動計劃，要求更多的農田信息進行融合，為擺脫這種單體模式，必須設計一種互聯型農業大棚智能測控系統。

農業大棚植物生長環境的主要影響參數為空氣溫度、空氣濕度、土壤水分、土壤溫度、光照等自然因素，可利用WSN中的傳感節點，對大棚環境中的上述環境變量進行多區域采集，利用WSN中的執行節點，對當前環境參數進行調節，執行機構主要有排風扇、灌溉泵、補光燈、卷簾電機等。由于大棚環境復雜，這些自然因素和執行機構之間相互存在著非線性的影響關系，很難進行單獨調節。因此，互聯型農業大棚智能測控系統還需將各種環境參數進行采集與對比、歷史數據分析、在線建立模型；另外，對執行機構的控制效果也必須進行分析，建立專家決策庫，根據效果對參數進行優化。

1系統工作原理與整體架構

互聯型農業大棚智能測控系統前端是WSN，其組建采用近幾年逐步新興的Zigbee傳輸協議技術，它基于“IEEE 802.15.4”無線標準研究開發，是一種低功耗、低傳輸速率、高可靠性的無線網絡技術[2]。該技術組網靈活、成本低，非常適合農業種植環境下的參數采集，可進行長時間采集，無需人工干預且采集點可任意分散部署。WSN主要由終端節點、路由節點和協調器組成，連接嵌入式網關和管理平臺服務器，接入互聯網，其系統架構設計如圖1所示。

[FK（W24][TPHX11.tif；S+3mm]

終端節點分為采集和執行2種功能，采集節點配置傳感器電路部署在各個監測區域，采集環境參數信息，執行節點與執行機構相連。協調器是整個傳感網絡的核心，它負責傳感網絡的建立、連接、退出以及節點地址的分配，路由節點作為中間節點具有網絡接力、擴大信號傳輸范圍的作用。協調器將節點信息傳輸至嵌入式網關。嵌入式網關是WSN與 Internet 相連的一個信息交換中心，而管理平臺服務器完成歷史數據分析，優化專家決策庫，同時以Web服務的方式為 Internet 上的其他用戶提供農業大棚信息的瀏覽和監控并連接遠程信息網絡。

2系統硬件設計

2.1核心芯片CC2530

WSN各節點的核心處理器采用TI公司的新一代SoC芯片CC2530，CC2530內部集成RF收發器和8051微處理器，具有2個串口和8路12位的ADC[3]，支持Zigbee網絡協議棧 Z-StackTM。

2.2終端節點

終端節點采用統一的底板，設計有電源、按鍵和顯示電路，傳感器電路或繼電器電路、無線通信電路這2個部分采用接插的方式安裝在底板上。采集節點接插傳感器電路，執行節點則接插繼電器電路。無線通信電路僅包含CC2530芯片，CC2530的RF_N和RF_P引腳和發射天線相連發射和接收Zigbee無線信號。

2.2.1空氣溫濕度傳感器

空氣溫濕度測量采用瑞士 Sensirio 公司的SHT11高精度傳感芯片，如圖2所示，該傳感器可同時測量溫度和濕度，采用二線制與CC2530通訊，直接輸出數字量。SHT11的SCK口和DATA口與CC2530的GPIO口相連，由CC2530控制定時獲取空氣溫濕度數據。

[FK（W12][TPHX22.tif]

2.2.2光照度傳感器

光照度的國際單位是勒克斯（lx），一般晴天正午的自然光照度在50 000 lx，而陰天的自然光照度只有500～1 000 lx，為適應特定作物的生長，可通過控制補光燈和卷簾保持農業大棚光照度在合適的范圍內變化以達到最佳的作物生長效果。光照度的測量采用數字化的光照傳感器BH1750芯片構成如圖3所示的光照傳感電路[4]。可測量光照度范圍為0～65 535 lx，圖中數據接口為SCL和SDA，測得的光照度由CC2530控制器按I2C總線協議從BH1750芯片存儲器中取得。

2.2.3土壤水分傳感器

土壤水分的測量是指土壤的相對含[CM（25]水率，也就是單位土壤總容積中水分所占百分數[5]。FDR[CM）]

[TPHX33.tif]

型土壤水分傳感器的原理是利用電磁波傳播頻率測定土壤的介電常數，從而反映出土壤的水分含量，該傳感器在使用時只需將探針插入土壤，輸出電壓信號0～2 V，對應土壤含水率在0～100%之間變化。

土壤水分傳感器電路的電壓信號與CC2530的AD輸入口相連，得到數字量AD_value_1，可利用公式（1）計算出土壤含水率P，式中3.3為基準電壓值，52.1%為多次測量后的標定參數。

[JZ（]P=[SX（]AD_value_165 535[SX）]×3.3×52.1%。[JZ）][JY]（1）

2.2.4土壤溫度傳感器

土壤溫度的測定所采用的傳感器探頭是傳統的鉑電阻，鉑電阻探頭的阻值變化與溫度有關。系統采用三線制的鉑電阻探頭，利用圖4所示的運放電路來消除線阻值的影響。

[FK（W12][TPHX44.tif]

圖4中URW1、URW2、URW3為鉑電阻探頭的3個線阻電壓，由于探頭等長，電壓值相等，經過計算可得：UO=10×UR，將UO進行模數轉換為AD_value_2，由公式（2）可計算出當前鉑電阻阻值，單位Ω。

[JZ（]R=[SX（]AD_value_265 535[SX）]×3.3×100。[JZ）][JY]（2）

鉑電阻阻值R（Ω）與溫度T（℃）存在對應關系，查詢對照表可精確計算出當前土壤溫度。

2.3協調器和嵌入式網關

協調器電路由無線通信、電源、按鍵以及SP3232芯片組成的串口電平轉換電路組成，通過DB9串口線與網關相連。嵌入式網關的核心是基于Cortex-A8內核的CPU OMAP3530，集成2個串行接口，1個以太網接口，7寸觸摸屏。嵌入式網關的串行口連接協調器，網關的以太網接口則用于TCP/IP的實時通信。

3系統軟件設計

3.1Zigbee組網設計

系統中，WSN所有節點的軟件設計都基于TI提供的協議棧Z-stack2.3.1-1.4.0，編程工具是IAR Embedded Workbench。組網采用樹形拓撲結構，增加了網絡的覆蓋范圍，可容納更多的終端節點，每個CC2530芯片具有全球唯一的8字節MAC地址。

Z-Stack的數據傳輸經由4層，從上到下依次為應用層（APP）、網絡層（NWK）、介質接入控制層（MAC）和物理層（PHY）。處于最上層的應用層為所有傳感器對象提供服務，也是對開發者透明的一層，本系統應用層規定各節點傳感器和執行命令數據按表1所示的協議格式進行封裝。

協議格式中，類型用以區分終端節點的具體功能，數值部分為具體的采集值，而MAC地址用以定位到具體某個節點，協調器獲取的數據及命令按上述格式由串口輸出輸入。

3.2基于TCP/IP協議的網關應用程序

嵌入式網關的功能不僅能實時管理WSN中的各個節點，還具有本地決策和接收遠程決策信息的雙重能力。嵌入式網關的應用程序是在Linux操作系統的基礎上，用QT工具進行編寫。網關工作流程如圖5所示。

上電初始化后，網關就開始監聽串口或TCP/IP的Socket事件，如果收到的是協調器發來的信息，則采集數據、顯示并作相應的處理，如果收到以太網數據則處理管理平臺服務器發送的指令，同時還判斷觸摸屏有無發送本地控制指令。

網關內帶決策系統，當判斷到采集的傳感器數據超出合理的范圍，立刻查詢本機決策系統，控制灌溉泵、電磁閥、排風扇、卷簾電機、補光燈等相關執行器工作，執行器工作參數可以在網關界面上進行設置，也可由管理平臺服務器遠程設置。

3.3管理平臺服務器設計

管理平臺服務器功能結構與網關基本相同，采用微軟VS集成開發環境和SQL數據庫管理軟件編寫，一方面以C/S體系結構與網關交換數據，集成了數據采集、節點狀態管理、歷史報表、曲線顯示、閾值報警、決策優化管理等功能；另一方面采[CM（25]用B/S結構，以Web服務的方式為Internet上的其他客戶提供網頁瀏覽和管理控制[6]。

4系統性能測試

系統在江蘇江陰陽光生態園玻璃大棚實地測試，測試大棚面積為200 m2，按每5 m2分布1個土壤水分測試點和1個土壤溫度測試點，每10 m2分布1個空氣溫濕度測試點，10個光照度測試點分散掛載在大棚頂端，按區域分布4個路由節點，安裝時各節點滿足天線與地面垂直[2]。Zigbee發射信道統一選擇信道11，PANID為0xa1b2。

隨機抽取不同距離的節點對協調器發送數據，對數據丟包率進行測試，測試時間為1 h，設置節點為定時5 s發送，測試結果如表2所示。

由表2可知，在10 m以內的較近傳輸距離下，傳輸丟包率為0，較遠距離節點的丟包率基本在4%以內。控制丟包率的主要措施是增加各節點的發射功率以及增加節點與協調器之間路由節點的數量。

對傳感節點采集的數據進行采集誤差的測試，每種傳感器隨機測試20次， 間隔1 h。傳感節點采集結果與高精度測試儀器同時同地測得的結果進行比對，如表3所示：采集結果的平均誤差都在允許的范圍之內，系統所使用的傳感器節點的采集精度滿足設計要求。

5結論

設計了一種互聯型農業大棚智能測控系統，能對農業大棚內溫濕度、土壤溫度、土壤含水率、光照度進行采集與控制，實時監測大棚作物生長環境，在線決策與優化控制系統。該系統運行效果表明，數據采集精確度高，WSN工作傳輸性可靠。管理平臺服務器為遠程監控和用戶瀏覽提供了便捷。從長遠來看，系統必須進一步加強與農田信息網絡的深度融合。

[HS2][HT8.5H]參考文獻：[HT8.SS]

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[6]張猛，房俊龍，韓雨. 基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計[J]. 農業工程學報，2013，29（增刊1）：171-176.