基于溫室環(huán)境的監(jiān)察系統(tǒng)

王海峰 王一帆 蘇聰

摘?要：針對(duì)國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)設(shè)施中存在的不足之處，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線路由器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和監(jiān)控主機(jī)四部分組成，還可通過(guò)移動(dòng)終端對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)能夠?qū)χ参锏沫h(huán)境參數(shù)變化做出反饋控制。從而對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持著有利于植物生長(zhǎng)的最優(yōu)環(huán)境參數(shù)。

關(guān)鍵詞：智能溫室;ZigBee;終端控制;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

目前多數(shù)溫室依舊采用根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)管理，自動(dòng)化程度較低，效益良莠不齊。在溫室環(huán)境生產(chǎn)農(nóng)作物時(shí)，綜合利用多種先進(jìn)的設(shè)施和技術(shù)，模擬農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境條件并消除不良的環(huán)境因素對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，從而縮短農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期已成為重要的研究方向。本文通過(guò)Zigbee通訊技術(shù)組合傳感器和智能終端設(shè)備，設(shè)計(jì)了一套基于Zigbee技術(shù)的智能溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取并控制溫室大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 溫室環(huán)境監(jiān)察系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示：

由系統(tǒng)框圖1可知，設(shè)計(jì)的該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、土壤濕度、雨量、風(fēng)速、氣體、光照的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)值的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)排風(fēng)扇、水泵、卷簾機(jī)等的控制。終端是基于CC2530的嵌入式信息采集及控制模塊;協(xié)調(diào)器是將各個(gè)終端的信息進(jìn)行整理，并將整理后的數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI模塊發(fā)送給移動(dòng)終端。手機(jī)的控制指令通過(guò)WIFI模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器會(huì)根據(jù)接收到的命令及終端地址，將指令發(fā)送給相應(yīng)的終端，終端接收到指令后進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。同時(shí)每一個(gè)終端也可以通過(guò)自身的顯示屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。

1.2 軟件的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的是在函數(shù)接口的基礎(chǔ)之上建立的，主要有三個(gè)層次：系統(tǒng)平臺(tái)層，協(xié)議層和應(yīng)用層。系統(tǒng)平臺(tái)層調(diào)用一些基本的接口函數(shù)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的一系列初始化，同時(shí)為協(xié)議層提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)服務(wù)。協(xié)議層既要實(shí)現(xiàn)802.15.4的PHY和MAC層協(xié)議，又要實(shí)現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，同時(shí)還要為應(yīng)用層提供服務(wù)。應(yīng)用層則主要是通過(guò)函數(shù)接口調(diào)用協(xié)議層所提供的功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理。

1.3 手機(jī)客戶(hù)端設(shè)計(jì)

客戶(hù)端應(yīng)用軟件是運(yùn)行于Android手機(jī)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件。該軟件是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和人機(jī)交互的關(guān)鍵。開(kāi)發(fā)需要在計(jì)算機(jī)上搭建Android平臺(tái);利用Eclipse開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)應(yīng)用軟件。手機(jī)能夠登錄手機(jī)APP界面，遠(yuǎn)程觀察溫室環(huán)境里各項(xiàng)參數(shù)的值，并能夠改變檢測(cè)數(shù)據(jù)的各項(xiàng)閾值，在系統(tǒng)低于或高于響應(yīng)閾值時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)報(bào)警;同時(shí)也能夠進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)使其恢復(fù)正常參數(shù)。

2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

2.1系統(tǒng)內(nèi)部硬件

為了檢測(cè)基于溫室環(huán)境的監(jiān)察系統(tǒng)各方面功能的穩(wěn)定性，我們?cè)谀M的溫室環(huán)境中放置了植物——水草和小苗;通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)對(duì)模擬溫室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè);

模擬系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示，在系統(tǒng)內(nèi)部采用了如煙霧傳感器、二氧化碳傳感器、土壤水分傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器等多種傳感器;從而多方位的檢測(cè)溫室內(nèi)植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)并能夠及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使植物始終處于最適宜生長(zhǎng)環(huán)境。

圖3為部分終端屏幕及其顯示內(nèi)容，該模擬平臺(tái)采用直流開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行供電，當(dāng)電源供電時(shí)，系統(tǒng)指示燈亮起，屏幕顯示提示文字，并開(kāi)始進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。

顯示器面板上的各項(xiàng)數(shù)值會(huì)實(shí)時(shí)反饋到手機(jī)客戶(hù)端上，根據(jù)相對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)可手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)，如系統(tǒng)檢測(cè)到實(shí)時(shí)土壤濕度低于預(yù)設(shè)值，則系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)水泵進(jìn)行灌溉。也可在鍵盤(pán)上人工按下灌溉，水泵即時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 溫室植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實(shí)用價(jià)值，在模擬溫室環(huán)境系統(tǒng)中栽培芽苗菜，設(shè)置對(duì)照組實(shí)驗(yàn);一組為自動(dòng)調(diào)節(jié)的溫室環(huán)境組（A組），一組為人工調(diào)節(jié)的溫室環(huán)境組（B組）。通過(guò)觀察記錄芽苗菜生長(zhǎng)情況來(lái)判斷哪種方式的環(huán)境調(diào)節(jié)更具有優(yōu)越性。

圖4芽苗菜生長(zhǎng)參數(shù)折線圖，根據(jù)圖4參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)為溫度17℃左右、濕度60%。

通過(guò)十天的時(shí)間對(duì)芽苗菜的生長(zhǎng)情況進(jìn)行持續(xù)觀察記錄得表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示A組植株生長(zhǎng)速度更快，即就是在自動(dòng)調(diào)節(jié)的溫室環(huán)境里培植的芽苗菜在相同時(shí)間段里植株更高，說(shuō)明自動(dòng)調(diào)節(jié)的溫室環(huán)境更適宜作物生長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本次基于Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是針對(duì)現(xiàn)溫室環(huán)境種植或反季節(jié)種植的控制系統(tǒng)。本產(chǎn)品綜合運(yùn)用傳感器采集、設(shè)備控制、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，依托部署在溫室中的各種傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、智能網(wǎng)關(guān)與客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)溫室大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能控制以及智能預(yù)警等，為農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)提供保障。對(duì)未來(lái)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展具有一定的參考意義。

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