模糊控制在ZigBee物聯網智慧農業大棚中的應用

龔瑞昆 田野

摘? 要： 該文重點利用ZigBee技術設計一整套智慧農業大棚智能系統，通過各類傳感器節點采集的信息加以傳輸，以及多設備之間的數據交互傳遞，實現了農作物與互聯網的對接。把農作物的生長信息以及環境信息等數據通過網絡傳遞給智能農業大棚應用服務平臺，能夠使用戶端實時獲取大棚內生長作物的準確信息，并通過科學的分析來預測、預防病蟲害的發生。大棚農作物生長過程中存在的多種模糊性環境參數之間的耦合，會對農作物的生長造成無法預測的影響。因此該文還著重研究了基于Mamdani模糊控制理論的控制系統，通過分析大棚內各種參數后得出控制策略，以保證農作物優良生長，實現農業大棚精準化、數字化的管理。

關鍵詞： 智慧農業大棚; 模糊控制; ZigBee技術; 遠程通信; 系統設計; 數據分析

中圖分類號： TN790?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）08?0093?04

Application of fuzzy control in ZigBee IoT intelligent agricultural greenhouse

GONG Ruikun， TIAN Ye

（North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China）

Abstract： A whole set of intelligent system of intelligent agricultural greenhouse is designed by using ZigBee technology， with which the information collected by various sensor nodes is transmitted， and the data is transmitted among multiple devices interactively， so as to realize the docking between crops and the Internet. The crop growth information， environmental information and other data are transmitted to the application service platform of the intelligent agricultural greenhouse through network， which can enable the user side to obtain the accurate information of the growing crops in the greenhouse in real time， and predict and prevent the occurrence of diseases and pests by means of the scientific analysis. The coupling of a variety of fuzzy environmental parameters in the growing process of greenhouse crops could cause unpredictable effects on the growth of crops. Therefore， the control system based on the Mamdani fuzzy control theory is also studied emphatically， and the control strategy is obtained by analyzing various parameters in the greenhouses， so as to ensure the excellent growth of crops and realize the precision and digitization management of the agricultural greenhouses.

Keywords： intelligent agricultural greenhouse; fuzzy control; ZigBee technology; remote communication; system design; data analysis

0? 引? 言

智慧農業打破傳統農業的壁壘，成為新型的農業一體化發展模式，棚內的季節調節作用使得農作物不再受時間和空間的制約，使農業向著更加智慧、更加精準的方向發展，具有更重要的現實意義，為農產品全年無間隔收獲提供了可能[1]。本文以傳感器、ZigBee數據傳輸通信網絡、監控系統、數據處理終端等作為基礎搭建物聯網技術平臺來實現農作物與互聯網的對接，同時運用Mamdani模糊控制方法設計一套完整、智能、信息精準化的現代農業大棚。利用大棚中的傳感器節點把農作物的生長信息以及環境信息等數據通過網絡傳遞給大棚應用服務端，能夠保證用戶實時獲取大棚內生長作物的生長信息，對突發的環境異常、病蟲害等狀況進行報警，通知用戶終端做好預防病蟲災害等相關工作，實現大棚的智能化管理[2]。

1? ZigBee技術

1.1? ZigBee協議結構

ZigBee無線網絡體系的協議結構是在IEEE 802.15.4規定的MAC層與PHY層的基礎上，將其擴展到整個通信協議至網絡層與應用層。該體系最初基于IEEE 802.15.4定義的NWK層和MAC層，后來ZigBee 聯盟又定義了NWK層、APL層以及安全服務部分。PHY層負責發送和接收數據，提供無線物理傳輸介質的接口，同時向上層MAC提供接口;MAC層實現節點之間的通信，避免通信沖突，實現通信的高效機制;NWK層負責設備之間的連接和斷開，創建新的網絡，給節點分配地址;APL層負責設備之間數據的傳輸并維護綁定數據，在網絡設備中建立安全機制[3]。

1.2? ZigBee特點

ZigBee是一種低功耗、低成本、高可靠的無線數據通信網絡，與GSM和CDMA協議通信系統類似，傳輸模塊等同于移動網絡基站，并且網絡通信距離從最開始規定的幾十米可以擴展到幾百米甚至幾千米，能夠實現農業大棚短距離區間的無線通信。

2? 系統設計

2.1? 智慧大棚整體架構

完整的ZigBee智慧大棚通信系統可以分成三個層面：感知層、網絡層、應用層。

1） 感知層。大棚內空氣溫濕度、光照強度、[CO2]濃度、土壤溫濕度等植物生長環境參數主要由分布在大棚內的傳感器來獲取，實時獲取感知信息并組成數據采集網，將農作物生長環境中的數據輸送至ZigBee協調器上。

2） 網絡層。ZigBee協調器會創建新的網絡，協調器（也充當路由器）再將各種傳感器感知得到的信息和監視視頻等數據信息通過內置的協議棧以及ZigBee網絡的無線技術上傳到網關，并保存到數據庫中等待預處理。

3） 應用層。主要負責對上傳并儲存的各種數據進行分析處理、展示與應用，將信息提供給用戶研究，通過Android手機、PC平板電腦等設備實現與用戶的交互[4]。

大棚系統從整體上分為5個模塊，系統整體結構如圖2所示。

1） 數據采集模塊。獲取空氣環境參數和土壤參數等信息，由終端節點負責獲取，主要通過傳感器節點的采集功能實現。

2） 數據傳輸自動預警提示模塊。該模塊是由協調器將數據發送到網絡服務器并保存到MySQL數據庫中，告警以短信、聲光媒體、Web網頁端顯示異常等形式通知客戶端與專家控制平臺。

3） 視頻監控處理模塊。主要由ZigBee嵌入式網關與視頻攝像頭實現對蔬菜溫室環境的遠程監控。

4） 現場控制模塊。利用Visual Studio集成開發軟件用Java語言編寫了一個監控界面，由工作人員在Android手機或PC電腦上完成對遮陽板、卷簾門、噴霧機等繼電終端的控制。

5） 智能灌溉、水肥一體化模塊。其主要由施肥、灌溉等繼電控制類設備完成控制。

2.2? 系統功能結構設計

2.2.1? 下位機軟硬件設計

1） 硬件部分

終端節點：負責采集棚內農作物數據信息，主要由CC2530中央處理器、通信、傳感器和電源控制等四個模塊構成。對傳感器模塊的設計以[CO2]傳感器節點為例詳細闡述選擇過程：選取MG811型傳感器采集[CO2]濃度，MG811型傳感器使[CO2]濃度受溫濕度的變化影響較小，具有良好的穩定性和靈敏度。[CO2]濃度采集節點電路圖如圖3所示，節點核心管控模塊采用TI公司研發的CC2530芯片，該芯片包括了射頻端同時聯合了電源與復位端電路，將傳感器與核心模塊CC2530芯片在DOUT與AOUT數字引腳與模擬信號引腳上相連，當傳感器模塊讀取信號后經過一系列數據分析和轉化后，便獲得[CO2]濃度參數[5]。

圖4為棚內在溫度為27 ℃，相對濕度為70%RH，氧氣濃度為20%時EMP與[CO2]濃度關系的仿真，EMP為輸出電勢差，代表了傳感器敏感電極和實際參考電極之間的差距，EMP符合能斯特方程：

式中：[EC]為常量;[P（CO2）]為[CO2]分壓;R為氣體常量;T為絕對溫度;F為法拉第常量。

由圖4可以得出[CO2]濃度與EMP之間的關系，即[CO2]濃度越低，EMP越高。一般空氣中[CO2]濃度為350～380 ppm。為了得到更加精確的值，圖3電路原理圖中的tCOM引腳還對MG811進行溫度補償輸出[6]。

協調器節點：創建網絡，向下與多個同區域終端通信，實現和滿足同路由節點的通信功能。本系統設計的協調器硬件核心部分主要為CC2530芯片，同時將電源接口、有線通信模塊和無線通信模塊進行聯合。

路由節點：可以由協調器節點實現路由功能，其功能構成類似都屬于FFD型節點。圖5為終端節點程序流程圖。

2） 軟件部分

下位機的軟件設計主要為系統的ZigBee軟件開發，運用支持Java語言編程的IAR Embedded Workbench 開發平臺，實現對ZigBee軟件的開發。其包括對終端節點、協調器與路由器節點的開發過程，采用Java編程語言，同時對TI公司發布的Z?Stack協議棧進行相應的移植操作[7?8]。

2.2.2? 上位機軟硬件設計

1） 硬件部分

上位機的硬件設計是用戶端在Android智能手機、PC上可以直接安裝的應用APP。本系統設計開發的APP應用軟件主要功能分為大棚實時數據在線檢測、遠程控制以及數據管理三大模塊。系統實時測控部分主要是對傳感器數據的檢測;遠程控制部分主要是對卷簾門、遮陽板、噴霧機、人工光源等繼電設備的控制;數據管理主要是對農作物生長的數據進行實時顯示、查詢。遇到觸發報警情況可以通過操作APP及時控制相關設備狀態，實現對大棚環境參數的遠程在線控制。