導(dǎo)語(yǔ)：大棚農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

目前，傳統(tǒng)的基于有線通信系統(tǒng)的大棚農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在以下不足：一是有線通信技術(shù)雖具有設(shè)備操作性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境潮濕、高溫、土壤及空氣具有較強(qiáng)的酸堿性，極易導(dǎo)致通信電纜的老化，從而降低系統(tǒng)的可靠性，故障發(fā)生率和誤報(bào)警率較高；二是大棚農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集大多在廣闊的空間內(nèi)進(jìn)行，在農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用中，需要密布傳感器節(jié)點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的有效覆蓋，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)部的線纜縱橫交錯(cuò)，靈活性和擴(kuò)展性能差，系統(tǒng)安裝及維護(hù)成本高［1－3］。ZigBee［4］是一種新興的短距離、低功耗、低成本、低速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要應(yīng)用在近距離無(wú)線連接。筆者等針對(duì)目前大棚農(nóng)業(yè)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)的需要，設(shè)計(jì)出基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大棚農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案，可快速、可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度、濕度和光照強(qiáng)度等影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的因素進(jìn)行遠(yuǎn)程采集、傳輸，提高農(nóng)業(yè)管理的網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平，降低大棚管理工作量，在生產(chǎn)應(yīng)用上具有重要意義。

1農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于ZigBee大棚農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程客戶端和服務(wù)器5個(gè)部分組成（圖1）。無(wú)數(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)布施在大棚監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)自組織的方式快速形成一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)既是信息的采集者和發(fā)送者，又是信息的路由者［5－6］。比如監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度。節(jié)點(diǎn)每2min進(jìn)行一次環(huán)境信息的采集和監(jiān)測(cè)。匯聚節(jié)點(diǎn)將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)輸送給主服務(wù)器，主服務(wù)器完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)。

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2．1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)，并將采集到的可靠數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源及擴(kuò)展接口模塊和無(wú)線通信模塊組成［7］。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2．1．1微處理器模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是用電池供電，而且不能頻繁地更換電池。因此，從低功耗、高性能的角度考慮，設(shè)計(jì)時(shí)選用市面上最先進(jìn)的由英國(guó)JENNIC公司生產(chǎn)的JN5139。JN5139系列使用硬件MAC和安全性極高的AES編碼加速器，大大降低了功耗和處理器的費(fèi)用，同時(shí)提供了內(nèi)置休眠計(jì)時(shí)器和節(jié)能設(shè)備以降低系統(tǒng)功耗［8－10］。

2．1．2數(shù)據(jù)采集模塊大棚農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)大棚的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度進(jìn)行采集。通過(guò)對(duì)目前市場(chǎng)上現(xiàn)有各種傳感器的精度、量程、功耗以及供電電壓等性能的分析與比較，系統(tǒng)選用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的新一代基于CMOSensTM技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定及全呼喚功能的溫濕度傳感器SHT10來(lái)采集大棚環(huán)境的溫濕度。SHT10的供電電壓標(biāo)準(zhǔn)是2．4～5V，若用5V供電，測(cè)得消耗電流為550μA。在休眠時(shí)期電流消耗為0．3～1μA，具有功耗低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)光照強(qiáng)度采集部分采用TAOS公司生產(chǎn)的TSL2561［11］光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。具有低功耗、高速度和寬量程等優(yōu)點(diǎn)。

2．1．3供電模塊由于該系統(tǒng)中各個(gè)模塊要求供電電壓都比較低，2．4～3．6V就能夠達(dá)到系統(tǒng)正工作的要求，只需選用兩節(jié)5號(hào)干電池作為電源給系統(tǒng)中的各個(gè)模塊進(jìn)行供電。按15000mA／h的電池容量且每2min進(jìn)行一次環(huán)境參數(shù)采集，即每隔2min對(duì)溫度、濕度以及光照強(qiáng)度進(jìn)行一次采集測(cè)量，大概工作時(shí)間為12個(gè)月，即一年內(nèi)無(wú)需考慮傳感器節(jié)點(diǎn)因供電不足而帶來(lái)的其他問(wèn)題。

2．2匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)的主要功能［12－13］：1）采集該點(diǎn)的土壤環(huán)境信息（如溫度、濕度）；2）接受來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)；3）對(duì)信息進(jìn)行整合，并根據(jù)用戶需求實(shí)時(shí)顯示和大容量的存儲(chǔ)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集到大鵬室內(nèi)的溫度、濕度經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路預(yù)處理后，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入JN5139微處理器，利用USB進(jìn)行儲(chǔ)存，且根據(jù)需要進(jìn)行顯示。

3軟件設(shè)計(jì)

3．1Zigbee協(xié)議棧

Zigbee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每層為其上層提供一組特定的服務(wù)，即一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)，每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)SAP提供一系列的基本服務(wù)指令來(lái)完成相應(yīng)的功能。IEEE802．15．4－2003標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制子層（MAC），Zigbee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）框架的設(shè)計(jì)。其中，應(yīng)用層的框架包括應(yīng)用支持子層（APS）、Zigbee設(shè)備對(duì)象（ZDO）以及由制造商設(shè)定的應(yīng)用對(duì)象。

3．2溫濕度采集程序

SHT10監(jiān)測(cè)大棚農(nóng)業(yè)環(huán)境溫、濕度信息的流程如圖3所示。測(cè)量農(nóng)業(yè)環(huán)境溫濕度分幾個(gè)步驟：1）發(fā)送“啟動(dòng)傳輸時(shí)序”，對(duì)SHT10進(jìn)行初始化。2）發(fā)送控制命令字。3）等待測(cè)量轉(zhuǎn)換結(jié)束，SHT10對(duì)下拉DATA數(shù)據(jù)線至低電平表示測(cè)量結(jié)束。4）傳輸數(shù)據(jù)的高字節(jié)。5）傳輸數(shù)據(jù)的低字節(jié)。6）傳輸校驗(yàn)字節(jié)。

3．3TSL2561軟件設(shè)計(jì)流程及PC機(jī)程序

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將采集到的環(huán)境信息（溫度、濕度、光照強(qiáng)度等）通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)上的RS232串口傳輸給PC機(jī)（圖4）。PC機(jī)在收到信息后進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算后的結(jié)果與擬合曲線上的計(jì)算值做比較，當(dāng)超出了設(shè)定的范圍，PC機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作后自動(dòng)調(diào)節(jié)大棚室內(nèi)的環(huán)境（圖5）。

4結(jié)論

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案經(jīng)阜新市四合區(qū)阜新農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)應(yīng)用表明，系統(tǒng)運(yùn)行正常，未出現(xiàn)任何問(wèn)題。驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性，解決了對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度、濕度和光照強(qiáng)度等影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的因素進(jìn)行遠(yuǎn)程采集和傳輸，大大減少人力的投入、降低了成本和提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，具有較好的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。