基于傳感器網絡的智能溫室數據采集系統設計

李丹 李俊娟

摘要：隨著數字農業技術的發展，農業物聯網在現代農業中的應用受到廣泛的關注。在此背景下，文章設計了一種基于傳感器網絡的智能溫室數據采集系統。文章首先闡述了數據采集系統的整體組成，然后闡述了環境數據采集子系統、數據傳輸網絡子系統和主控單元子系統的結構與功能，最后總結了設計方案的創新與不足。文章設計的系統在智慧農業工程研究中心的智能溫室中調試與運行，實驗效果良好。

關鍵詞：智能溫室；ZigBee協議；傳感器網絡

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

0 引言

隨著數字經濟和大數據技術迅猛發展，農業物聯網的應用越來越廣泛。農業物聯網的數據采集系統在智能溫室大棚中得到了很好的應用。作物在生長過程中對外界溫濕度、二氧化碳濃度、土壤酸堿度等方面具有非常嚴格的要求，所以這些指標的數據采集就顯得至關重要。及時對溫室的環境進行數據分析可以有效規避風險的發生，較好地保證作物生長和產品質量的提高。

傳統大棚存在很大的局限性，工作效率低、干擾因素多、溫控能力差，對作物單產造成一定影響。因此，本文設計了一種基于傳感器網絡的智能溫室數據采集系統。此項采集系統可以生成溫室內的區域環境參數數據庫，對采集的環境數據進行分析并生成報告。實時監測作物生長數據，間接地提高了單位時間的生產效率，為實現精確控制溫室環境，遠程智能控制，營造植物生產的舒適環境奠定了基礎。本文為滿足食品安全的需求，提供更好、更豐富、更安全的農產品提供了參考依據^［1］。

1 系統整體設計

基于傳感器網絡的智能溫室數據采集系統總體設計，如圖1所示。從組成結構的角度進行設計，系統主要包括環境數據采集子系統、數據傳輸網絡子系統和主控單元子系統三大部分。數據采集子系統主要包括空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、土壤pH值傳感器、光照度傳感器等傳感器。數據傳輸網絡子系統主要包括ZigBee終端節點、ZigBee協調節點、ZigBee路由節點等，實現無線網絡通信的功能。主控單元子系統是由PLC模塊、觸摸屏等模塊組成^［2］。

從數據處理流程的角度進行設計，信源是環境數據采集子系統產生的數據，是包括各種傳感器生成的光照度值、土壤pH值、空氣溫濕度值、土壤溫濕度值等數據。數據傳輸信道包括采集子系統與傳輸網絡之間的信道，傳輸網絡的無線通信信道，傳輸網絡與主控單元之間的RS485信道。其中傳感器與傳輸網絡的信道因傳感器類型不同而有差異，可以包括RS485、UART、I2C信道等。信宿是主控單元子系統，主要完成數據特征提取、數據轉發與顯示和環境參數控制驅動等功能。

2 環境數據采集子系統設計

通過傳感器與ZigBee無線模塊之間的信息傳輸獲取溫室大棚中的環境參數，每個大棚內都會安裝多個ZigBee無線模塊傳感器節點，準確監測溫室環境參數空間分布帶來的影響，獲取更準確、更客觀的環境參數數據^［3］。

溫室內的溫度和濕度等環境因素對作物生長非常重要，及時監測和分析溫室環境信息變化是指導農業生產、保證作物健康生長、提高農產品質量等的重要手段。選擇傳感器是建立數據采集系統的依據。溫室大棚需要采集的數據種類繁雜、數量龐大，在傳感器與ZigBee模塊進行信息傳輸時存在一定難度。選用帶有RS485串口的傳感器，RS485通信采用的是差分信號。最大的好處是能抑制共模干擾。在溫室大棚這個環境復雜的環境里抗干擾能力強，數據傳輸的可靠性得到有效提升^［4］。

3 數據傳輸網絡子系統

通信技術的不斷發展，ZigBee技術的出現對于如何實現低成本、短距離、高質量的通信具有重要的意義。RS485總線通信傳遞不受障礙物阻隔、成本低。由于RS485總線采用有線通信形式，所以在布線困難的場所采用ZigBee無線技術，可以解決設備的有線連接問題，降低通信成本。ZigBee和RS485之間的信號轉換可以方便地實現兩種網絡之間的通信，其信號穩定、數據傳輸方便，使RS485總線的適用范圍得以擴大。RS485信號轉換模塊通過TTL電平與PLC子模塊通信，實現TTL電平與RS485總線信號的轉換。

3.1 ZigBee無線網絡通信設計

通過農業物聯網把農作物生長過程中的光照度值、土壤pH值、空氣溫濕度值、土壤溫濕度值等數據收集起來，傳輸數據來和實時攝像頭進行信息交互，充分發揮無線通信靈活便捷、無需布線的特點，有效規避傳統有線方式存在的缺陷和不足。本文設計的智能溫室監控系統通過上位機Modbus連接的ZigBee協調網關采集節點信息數據，傳輸給下位機PLC主控制器，實現對環境參數的靈活控制。基于ZigBee技術與RS485總線之間的信號轉換，對數據幀格式進行分析，重建，數據處理和發送，實現溫室數據信息傳遞。ZigBee無線網絡通信是通過CC2530單片機建立的。一方面下位機通過RS485總線連接CC2530模塊，將RS485信號轉換成ZigBee協議信號輸出。另一方面接收到ZigBee網絡中的數據通過RS485信號在PLC設備上顯示實現雙向通信^［5］。

將CC2530輸出的TTL電平轉換成RS-485信號后通過RS-485總線發送到PLC裝置，或將從RS-485總線接收到的裝置信號轉換成TTL電平傳送到CC2530數據處理芯片上。即通過Modbus網絡到達ZigBee協調器，協調器再將指令進行轉發。

3.2 Modbus網絡通信設計

ZigBee智能終端將采集到的溫室環境數據通過Modbus網絡發送給PLC設備。當前土壤墑情數據采集通常采用綜合型采集傳感器，此種傳感器廣泛應用在智慧農業田間或溫室中。土壤墑情綜合數據傳感器普遍采用RS485傳輸總線和Modbus通信協議與智能節點交互信息。Modbus通信協議主機詢問數據幀組成包括地址碼、功能碼、寄存器起始編號、長度、校驗碼，一般是8個字節。例如，8個字節包括0x01，0x03，0x00，0x00，0x00，0x04，0x44，0x09，表示讀取編號0寄存器起始的4個字節。Modbus通信協議從機應答主機的數據幀組成包括地址碼、功能碼、長度、數據1、數據N、校驗碼，一般是5+2 N個字節。例如，13個字節包括0x01，0x03，0x08，0x02，0x92，0xFF，0x9B，0x03，0xE8，0x00，0x38，0x57，0xB6，表示讀取水分值、溫度值、電導率值和pH值。

4 主控單元子系統設計

中國北方氣候變化大，晝夜溫差大，日照時間短，對作物生長不利。建設溫室已成為提高作物生長速度的有效途徑。同時，為增加農產品附加值，需要通過各種規制來提高溫室環境規制體系的決策可信度、容錯能力和穩定性。準確控制農業生產經營，準確科學控制化肥農藥用量，有效控制農藥殘留率，從而保證農產品的質量安全。溫室內植物生長因子較多，溫室內環境因子之間存在很強的耦合關系。選擇設計PLC主控制器環境參數控制系統，采用服務器-客戶端終端控制方式。由傳統的單一因素調控方式向多因素調控方式轉變。可有效提高溫室環境控制效果。在實驗過程中受實際情況影響，選用USB轉RS485接口和PC端模擬PLC在數據收集系統中對系統的控制^［6］。

主控單元子系統采用西門子PLC200系列模塊作為運算控制核心。一方面，主要完成任務功能是接收溫室環境參數采集數據，進行初步的數據清洗與數據特征提取。然后，將數據轉發到智慧農業工程研究中心的數據運算服務器上。同時，也將實時數據顯示在本地觸摸屏上。另一方面，接收智慧農業工程研究中心的環境參數調控驅動指令，輸出信號進行控制植物生長燈、水肥滴灌設備、濕簾幕布設備等。本文主要闡述第一方面功能，即數據接收處理與數據傳輸。

西門子PLC主控單元軟件編程采用梯形圖語言，使用循環掃描的程序執行結構。每次掃描程序段依次完成任務功能包括RS485通信端口設備數據接收、數字量IO口設備數據接收、模擬量IO口設備數據接收、上位機控制指令接收、數據運算和輸出驅動控制信號。其中RS485通信端口設備接收的數據包括光照度值、土壤pH值、空氣溫濕度值、土壤溫濕度值等數據。根據作物類型不同和種植位置空間分布差異，RS485通信端口設備包括有線傳感器節點和無線ZigBee通信節點。數字量IO口設備接收數據包括水泵變頻運行反饋數據、濕簾水泵運行反饋數據、卷簾機展開反饋數據、卷簾機下限反饋數據、卷簾機收起反饋數據、卷簾機上限反饋數據、排氣窗展開反饋數據、排氣窗下限反饋數據、排氣窗收起反饋數據、排氣窗上限反饋數據、負壓風機運行反饋、軸流風機運行反饋、生長燈運行反饋等。模擬量IO口設備數據包括水肥一體化水箱液位數據、水泵出口壓力數據、水泵變頻反饋數據等。輸出驅動控制信號包括水泵變頻啟停、水箱出口電磁閥開關、藥箱出水口電磁閥開關、滴灌電磁閥開關、噴霧電磁閥開關、噴灌機正轉、噴灌機反轉、噴灌機停止、卷簾機展開開關、卷簾機收起開關、排氣窗展開開關、排氣窗收起開關、負壓風機啟停、濕簾水泵啟停、軸流風機啟停、燃油熱風機啟停、生長燈開關等。

5 結語

基于Modbus和ZigBee的無線信息傳輸網絡系統解決了網絡覆蓋小的問題，使蜂窩網絡更加靈活，并大大降低了成本。為了降低環境因素的耦合率，選用了PLC，編程簡單，抗干擾性強，安裝開發負載小。在此基礎上，對環境因素采用順序控制方法。然而，環境因子初值的測量和計算仍然是一個很大的問題。受季節更替的影響，環境因子初值不穩定、不準確，冬、夏兩季環境因子初值在適宜溫度范圍邊緣波動。硬件設計采用PLC設備，根據溫度環境特點對室內溫度進行控制，對溫室內的光照度值、土壤pH值、空氣溫濕度值、土壤溫濕度值進行檢測和采集。當然，由于時間和知識的限制，也有挑戰，無論是硬件還是軟件都不能適應復雜的環境，主要是自動溫度控制，其他影響溫度的環境因素還不完善，系統檢測裝置也不成熟。本文的下一步工作是實現適當環境參數區間的自動測量。

參考文獻

［1］吳小峰，王艷紅，李慧勇.基于LoRaWAN技術和ThingsBoard平臺的智能溫室大棚環境監測系統設計［J］.襄陽職業技術學院學報，2022（5）：74-78.

［2］李雅迪，韓佳芳，卞孝麗，等.基于物聯網的智能溫室大棚綜合系統設計［J］.企業科技與發展，2022（6）：26-28.

［3］賈華，馬坤.基于NB-IoT技術的智能溫室監控系統［J］.電工技術，2021（15）：124-126.

［4］黃瑋.基于LoRa的智能溫室系統的設計與實現［J］.電腦與電信，2020（9）：63-66.

［5］王毅敏.基于物聯網的智能溫室農業大棚管理系統構建［J］.新農業，2019（22）：38.

［6］焦鵬邈，李波，白翠艷，等.節能型智能溫室大棚控制系統［J］.物聯網技術，2019（11）：74-76，79.

（編輯 李春燕）

Design of intelligent greenhouse data acquisition system based on sensor network

Li Dan， Li Junjuan

（Electrical and Information Engineering College， Jilin Agricultural Science and Technology University， Jilin 132101， China）

Abstract： With the development of digital agricultural technology， the application of agricultural Internet of things in modern agriculture has been widely concerned. In this background， this paper designed a kind of intelligent greenhouse data acquisition system based on sensor networks. Firstly， this paper expounds the whole composition of the data acquisition system. Secondly， the structure and function of environmental data acquisition subsystem， data transmission network subsystem and main control unit subsystem are described. Finally， the innovation and deficiency of the design scheme are summarized.The system designed in this paper has been debugged and operated in the intelligent greenhouse of the Intelligent Agricultural Engineering Research Center， and the experimental results are good.

Key words： intelligent greenhouse; ZigBee protocol; network of sensors