基于無線傳感器網絡的蔬菜大棚智能控制系統研究

雷鑫

摘要：一直以來蔬菜的生長都是隨著季節而生長，人們沒有有效的方法大批量的改變蔬菜生長環境以及產量，隨著科技的發展，通過科技來改變蔬菜生長季節及產量就成了一個有待解決的問題。在智慧蔬菜大棚中構建了以ZigBee為核心無線傳感網絡，本文主要講述了無線傳感器網絡的蔬菜大棚智能控制系統的結構和采用的傳感器。

關鍵詞：ZigBee；智慧蔬菜大棚；傳感器

1引言

傳統的蔬菜大棚只能憑經驗施肥，不僅浪費大量的人力物力還可能因控制不好而造成蔬菜的損失。該項目在了解蔬菜的生長特點及所需的營養情況下結合專門測試蔬菜生長環境所需的傳感器來實時、動態的農作物種植環境信息采集，實現快速、多維、多尺度的實時監測，并在種植專家知識系統基礎上實現作物種植的智能灌溉、智能施肥等自動控制。該項目的實施可實現科學合理的提高蔬菜的產量。

2系統設計

2.1 ZigBee網絡中的設備類型：

ZigBee網絡中有兩種類型的設備分別

為全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）。FFD一般來說是承擔網絡協調者的作用。RFD只具有簡單的功能如控制開關。ZigBee協議根據ZigBee設備在網絡中的作用與功能要求，將ZigBee網絡中的設備分成了三種類型： 協調器、路由器和終端設備。協調器是ZigBee網絡的核心，能夠保證整個網絡中設備之間的正常通信。路由器主要起路由的作用，負責維護網絡路徑、搜索設備加入網絡和數據傳輸。FFD和RFD都可作為終端設備，因為他們的結構簡單，功能單一。ZigBee網絡中主要有三種拓撲結構： 星型網絡、樹狀網絡和網狀網絡。每種網絡結構中必須要有一個協調器建立和協調網絡，每個ZigBee設備都具有一個64位的IEEE地址（一般稱為長地址），這個64位長地址是在芯片生產時就被確定了的，而且各不相同，并且是全球唯一的。

2.2 傳感模塊

傳感器模塊由不同的傳感器實現，包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、土壤濕度傳感器和熱釋紅外傳感器。

溫濕度傳感器：溫濕度數據采集節點采用SHT10采集農業大棚中的溫度和濕度，工作電壓24-25V，測濕精度為+-45%RH，足以滿足大棚要求。SHT10采用SMD貼片封裝，用兩條串行線與處理器進行數據通信。數據采集完后ZigBee無線通信芯片將數據傳輸到協調器，完成了一次數據采集。

光照度傳感器：光照度傳感器實現光照數據采集功能，它采用光敏電阻采集環境的光照度信息，當光照度發生變化時，光敏電阻的阻值會減小。數據采集后轉化為電壓值送給CC2530單片機，并通過CC2530單片機的射頻通信模塊將數據經路由器傳輸到協調器，完成一次數據采集。

控制器模塊：控制模塊主要實現設備的開關控制，主要由繼電器及控制電路組成。采用USB接口與外圍設備連接。控制節點負責執行上協調器發送的開關設備的命令。

2.3 控制器芯片選擇

控制器芯，選擇TI 公司生產的CC2530，主要是利用CC2530的RF無線射頻功能實現系統的自組網，即可進行數據的傳輸。

3系統的設計方案

方案設計上，主要設計三個子系統，分別是ZigBee網絡傳輸子系統、視頻監控子系統和數據處理子系統。

3.1 ZigBee網絡傳輸子系統

本研究提出的智慧大棚系統中，環境感知模塊的監測對象包括棚內的大氣環境及土壤環境，主要通過CC2530的RF無線射頻功能實現系統的自組網來實現，它具有傳輸功耗低、傳輸速率低、成本低的優勢，主要包括感知節點、協調器節點，感知節點上所感知到的數據經過多條傳輸途徑匯至協調器節點，再向上層系統傳輸，最終實現大棚環境的實時監測。在大棚內隨機設置多個各種類型的傳感器，可以實現濕度、溫度、光照度、氣體濃度、土壤PH值的監測：此外，該系統中還增加了若干個與感知節點功能類似的智能水泵控制節點。不過其傳感器模塊由兩路工業級繼電器開關控制模塊取代，在可感知棚內環境數據及土壤數據的變化后，通過水泵的啟停實時調整土壤的溫濕度。

3.2 視頻監控子系統

智慧大棚的視頻監控模塊包括無線智能攝像頭、視頻數據分析處理及終端信息系統等三個部分，其中無線智能攝像頭可360度水平連續旋轉、90度垂直旋轉，具有防雷、防浪涌等室外防護能力，在不同的室外工作溫度環境中支持分級管理，可更好的適應大棚內外的工作環境。在傳統的視頻監控系統中，一個管理人員需要監視多路視頻，由于其工作負擔大、需要管理的范圍廣，很容易出現疏漏，甚至會錯過最佳的事故處理時機： 并且傳統的視頻監控系統存在大量未經處理的視頻原始數據，很多都是無用的片段，不僅占用了大量的存儲空間，而且事后查詢歷史視頻也較困難。面智能視頻監控不僅大大提高了視頻監控的時效性及可靠性，而且減少了人工監控管理的工作量，改善了工作效率及效果。

3.3 數據處理子系統

數據處理模塊是整個智慧大棚系統的信息處理中心，其包括數據庫服務器、視頻應用服務器、信息交換設備等硬件部分，以及各種應用系統組成的軟件部分。具體組成包括系統配置管理模塊、感知數據存貯及處理模塊、監控視頻存儲及處理模塊、報表處理模塊、信息遠程服務模塊等。系統可針對不同的用戶設置對應的管理權限，通過系統配置及管理模塊設置大棚感知信息處理指令，調整視頻監控及無線寬帶網絡參數，保證系統正常的存儲感知數據、接收數據，還可進行數據的實時存貯及隨機檢索調用。此外，數據處理系統還要根據數據分析結果向各子系統發送控制信息，包括水系的啟停、溫濕度的調控。病蟲害防治的告警信息等，針對各種感知信息生成處理圖表、打印報表。數據處理系統具備移動終端訪問功能，用戶可以通過智能手機、平板電腦、筆記本電腦等移動智能設備隨時隨地的獲取大棚監測數據信息，大大提高了管理控制的靈活性。

4總結

本文主要通過ZigBee自主網絡來連接各種傳感器來實時監測溫室蔬菜大棚內的土壤溫濕度、光照強度、ph值、CO2濃度等，實時監控溫室蔬菜大棚內的情況方便用戶隨時查看蔬菜的成長，本項目完成后大大提高了工作效率也能隨時滿足人們吃新鮮蔬菜的需求。

參考文獻

[1]王奎.基于Zigbee和Arm9的溫室大棚智能控制關鍵技術研究. MS thesis.江蘇科技大學， 2017.

[2]毛潭.基于無線傳感技術的農業大棚智能控制系統設計.科技視界7（2017）：51-52.

[3]付克蘭.基于物聯網的溫室大棚智能監測控制系統.科技資訊15.11（2017）：143-144.

*項目基金：2017年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目名稱：基于無線傳感器網絡的蔬菜大棚智能控制系統的研究，項目編號：201713324174）

指導老師：王紅，副教授，研究方向物聯網工程。