智能溫室系統測試與誤差補償設計

袁淑萍，楊 建

（江蘇聯合職業技術學院 鹽城生物工程分院，江蘇 鹽城 224051）

本課題是基于物聯網技術的智能精確農業管理系統，在設計中結合當地天氣氣候環境與地域土壤特點，對傳感設備以及無線通信設備的選擇與安裝都進行了周密考慮。在設計開發過程中，結合當地溫室大棚的實際情況，對基站網絡部分以Zigbee無線自組網的形式實現站點的網絡布線，并且用G200型無線信號發送接收裝置與GPRS實現空中對接，從而將溫室數據鏈接到Internet網絡中供更多的用戶使用。在設計與開發過程中，遵循系統需求，進行總體分析，詳細設計，同時也對系統的抗干擾能力進行分析與探究。

1 底層無線網絡Zigbee組建與測試（基站實現）

1.1 底層無線網絡Zigbee組建

本課題在硬件設計中采用模塊化方式，內部網絡（底層zigbee無線網絡）中的終端節點包括，數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊、電源模塊組成。

在底層無線網絡中數據傳輸采集部分包括：終端傳感器、路由器設計、協調器（網關設備）設計、溫室環境控制裝置。基站服務平臺通過Zigbee網絡以點對點的形式與溫室中的多個傳感器（溫度、濕度、光照強度、二氧化碳等）建立通信。在與基站服務平臺連接之前，先將Zigbee網絡（傳感器、路由器、協調器）進行自組網以實現多跳網絡結構。網關節點采用串口通信技術以便將監測的溫室數據通過串行通信接口直接傳輸級基站的監控中心，在網關節點中包括，CC2420無線通信模塊、ATmega128L數據處理模塊、RS232串口通信模塊、電源模塊（干電池），將網關節點（主節點）通過串口線與PC機相連接，通過串口調試顯示主節點數據傳輸的情況。這樣可以對網關節點（主節點）與其他節點（包括路由節點、終端傳感器節點）的通信是否正常，當通信正常后說明自組網絡成功。

1.2 G200型設備與上位機的連接

底層無線網絡與高層GPRS連接采用G200設備，G200設備與上位機的連接要看上位機的機型情況，有TTL電平、RS232電平、RS485電平，但是G200型設備為TTL電平，在本實驗中采用的是RS232機器，首先對G200設備進行設置其工作參數，使用專用的接口板（G200JK）和九針串口連線將G200與計算機相連，經過TTL-232連接電平轉換后實現G200設備與上位機的連接。在計算機上運行GPRS模塊測試軟件即可對G200模塊進行設置和測試。

2 安裝測試過程中的問題與解決方法

由于鹽城市處在臨海近區，學校的溫室土壤的鹽堿成分很高，因此，在具體設備安裝過程中，要考慮到鹽堿腐蝕設備的可能性，除了將設備懸掛外，還需要防止空氣濕度中的鹽堿造成設備腐蝕影響，我們采用透明防潮不完全封閉罩實施保護，盡量減少影響。正由于此類因素的存在，對傳感設備與通訊設備都有了一定的數據不穩定，導致信號的削弱。另外，學校的溫室附近還有一座移動通訊公司的發射塔，這也對溫室通訊設備一定的信號干擾。針對這些影響信號傳輸的不良因素，我們采取一定的措施。

首先，將發射模塊加大發射的功率，對發射天線進行了改裝，重新組合電感線圈，延長天線，使得能夠增強信號的強度。同時，采用硬件抗干擾措施，合理布局硬件設備，將強弱電路進行錯位布局，同時在電路中增加濾波、去耦技術。在溫室中我們采用不同的距離、不同的設備高度，盡可能地設置一些干擾障礙，確保數據能夠比較準確地發送與接收。

其次，傳輸的數據有各種因素帶來的誤差，這些誤差除了上述硬件自身原因與外界電磁場的干擾外，還有傳感設備自身原因，如在溫室中傳感器測量得到的溫度與標定的溫度計測得的值就可以看出誤差的存在，標定溫度計的精確度要比傳感器測量的值高。在完成硬件與軟件安裝調試后，進行一定的硬件抗干擾措施后，對溫室環境數據進行標定測試。在實驗標定中一般是通過比本身溫室采集傳感器更為精度高的儀器來進行實驗標定，本課題實驗過程中采用的是高精度便攜式數字溫濕度計MT6600（配濕度傳感器），其測量范圍：溫度（-40～85℃）；濕度（0%～100%RH），測量準確度：±0.3℃；±1.5%RH；精確值：0.1℃，0.1%RH。

溫室環境溫濕度用高精度便攜式數字溫濕度計MT6600進行測試，結果與溫室中布控的溫濕傳感器模塊SHT71所采集的溫室實際測量的數據進行比對，從圖1中可以觀察出，實測溫度與溫度計測得的曲線并不能完全重合，有些分段處存在較大的誤差。濕度也同理。我們用數學中的最小二乘法對所測得的數據進行補償。在這里我們取測量曲線的某一時段的上升沿或下降沿來擬合測量的數據與標準化的數據（這個標準化數據是通過標準溫度、濕度計來實際測得的，并且這段數據近似一條直線）。選擇某段區間的數據（大概每10分鐘采集一次數據），經過反復地試驗，得到擬合方程：φ1（x）=9.50+1.98x，但是標準濕度計測定的溫度方程是：Y（x）=9+2x，所以我們在系統程序中對此做溫度補償，在每一次采集到的數據減去0.45，這樣經過數據校正，從數據采集實時監控曲線圖中，采集曲線更接近標準曲線。同理濕度也可以通過這樣的擬合方法得到擬合方程：φ2（x）=53.50+2.12x。經過溫濕度補償后，數據采集精確度有了一定的提高，溫度誤差控制在±0.5℃，濕度誤差控制在±1.5RH。經過多方面的調控，溫室信息基本趨于比較精確的測量數據，有利于把握到實時農情，智能化農業管理得到更為廣泛的推廣運用。

圖1 溫度計與實測溫度對比

再次，當溫室環境遇到警戒需要開啟相應設備進行調控時，不能實時進行開關閥門的把握，比如，溫度升高到報警時，而噴水閥門啟停與程序設置的參數變化不能協調一致等問題，要不斷地修改程序參數，調試控制系統，解決及時補給問題。

3 結論

綜上，本文對智能溫室的硬件環境與軟件環境作出簡要說明，并且對底層無線網絡的組建進行了布局構建，實現基站網絡通信功能。在底層與高層GPRS通信部分用G200型設備進行兩個網絡的連接，在這個部分說明了G200設備與上位機的連接方式（TTL-232電平的轉換）。同時對在傳輸過程中導致數據的誤差進行有效地控制，將發射模塊加大發射的功率，對發射天線進行了改裝；用最小二乘法對所測得的數據進行補償等措施。