基于ZigBee技術(shù)的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

程 平

(咸寧市咸安區(qū)馬橋鎮(zhèn)農(nóng)機服務(wù)中心，湖北 咸寧 437020)

0 前言

《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中[1]，明確將“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理”作為“重點領(lǐng)域及優(yōu)先主題”，智能農(nóng)業(yè)必將在未來具有廣闊的應(yīng)用。而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)戶只能憑借經(jīng)驗來判斷作物生長環(huán)境，無法精確地獲得農(nóng)業(yè)環(huán)境的數(shù)據(jù)，無法有效預防災害。例如，干旱、水污染、蟲災等。針對上述問題，本文設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通信、計算機技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，它將信息的采集、傳輸、處理和控制融為一體，使人們更容易獲得農(nóng)作物生產(chǎn)生長各個階段的信息。

1 系統(tǒng)的工作原理與組成

農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由大棚數(shù)據(jù)采集端、大棚數(shù)據(jù)發(fā)送端和大棚數(shù)據(jù)監(jiān)控端3部分組成。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

傳感器模塊采集大棚內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)由ZigBee無線傳感器模塊傳輸至STM32主控制器進行處理，然后將數(shù)據(jù)通過GPRS無線模塊傳輸至PC端監(jiān)控中心。

2 大棚數(shù)據(jù)采集端

2.1 影響作物生長的主要環(huán)境因子

大棚數(shù)據(jù)采集端采集的數(shù)據(jù)主要是影響農(nóng)作物生長的主要環(huán)境因子，有以下5個：

(1)溫度。農(nóng)作物必須要在適宜的溫度下才能生長，一切的生物化學反應(yīng)都是在一定的溫度下進行的。

(2)濕度。濕度是指溫室空氣的相對濕度，濕度影響作物的光合作用，從而影響作物的生產(chǎn)質(zhì)量。

(3)CO2濃度。大氣中的CO2濃度一般控制在0.03%，在密封的溫室內(nèi)CO2濃度變化較大，植物進行光合作用的原料之一就是空氣中的CO2。

(4)光照強度。長期的缺光會導致作物生長不健康甚至死亡，光照充足能使作物很好地生長。

(5)土壤濕度。土壤濕度過大，會導致作物的根系腐爛。土壤濕度過小，會導致作物缺水而死。

因此，該系統(tǒng)采用溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照強度傳感器和土壤濕度傳感器采集上述5個環(huán)境因子。

2.2 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢及原理

由于農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸范圍較小，傳輸速率要求不高，環(huán)境復雜不易布線，非常適合采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種低功耗、近距離、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee節(jié)點可采用干電池供電，易于移動，靈活方便。采集節(jié)點模塊如圖2所示：

圖2 采集節(jié)點模塊

該節(jié)點主要是由CC2530模塊、電源模塊、傳感器模塊和射頻天線構(gòu)成，電源模塊為節(jié)點提供穩(wěn)定的電壓，終端節(jié)點上傳傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過射頻天線提供的通信接口接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器進行整合，協(xié)調(diào)器將各節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)整合后通過串口傳輸至主控制器采集節(jié)點模塊[2]。

3 大棚數(shù)據(jù)的發(fā)送與監(jiān)控端

無線數(shù)據(jù)傳輸能克服傳統(tǒng)控制系統(tǒng)傳輸距離短、移動性差的問題，也應(yīng)具備穩(wěn)定可靠、高速、低成本等特點?；谝陨弦蛩乜紤]，可以通過在主控制器拓展外設(shè)GPRS模塊，與PC端監(jiān)控中心建立TCP/IP通信連接，再由監(jiān)控中心設(shè)置環(huán)境數(shù)據(jù)報警閾值，達到遠程監(jiān)控大棚環(huán)境的目的。遠程數(shù)據(jù)交互框架如圖3所示：

圖3 遠程數(shù)據(jù)交互框架

GPRS模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，主控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)可以把數(shù)據(jù)實時傳送到用戶監(jiān)控端。由于成熟的蜂窩數(shù)據(jù)通信方式被GPRS模塊采用[3]，提高了通信的可靠性，降低了數(shù)據(jù)傳輸中的干擾，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶?。用戶監(jiān)控端收到環(huán)境數(shù)據(jù)后，即可查看環(huán)境數(shù)據(jù)，也可通過設(shè)置的環(huán)境數(shù)據(jù)報警閾值，收到報警信息。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對大棚內(nèi)部環(huán)境的實時監(jiān)測，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細化管理水平，達到合理使用農(nóng)業(yè)資源、降低生產(chǎn)成本、改善生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的目的。