朱建博+胡胜慧++汪斌

【摘 要】智能大棚已经在我国的部分地区有着应用，所谓智能大棚，是指在现有的农作物温室大棚的基础之上，针对目标作物所需的生长环境要求，通过现代化的人为干预措施进行管理，使农作物长期处于最适宜的生长环境，以达到产量高，品质好的目的。实现是藉由计算机和现代化的新型传感器设备及信息传输的系统，监测大棚内的环境参数（光照强度、温度、湿度、空气中CO2浓度等），从而构建一个可调可控的大棚系统。所提出的智能大棚低功耗系统，在其原有的性能基础上，能够通过自身设备的改进，进行进一步的低功耗设计。

【关键词】Zigbee；低功耗设计；研究

【Abstract】This system is based on the ZigBee technology which can build up a wireless sensor network. In addition， during the working in agricultural greenhouses ， this system can not only do a real-time detection but also do well in energy saving .And this article is mainly talked about several ways to reduce the energy loss in the work.

【Key words】Zigbee； Low functional design； Research

0 引言

物联网是将物体用射频识别设备、传感器设备通过移动网络或其他方式接入到互联网，并实现基于电脑和智能手机的实时检测和控制的技术，物联网设备是基于传感器网络和嵌入式系统的测控系统。智能大棚是物联网技术在农业上的应用，它是指在现有的农作物温室大棚的基础之上，针对目标作物所需的生长环境要求，通过现代化的人为干预措施进行管理，使农作物长期处于最适宜的生长环境，以达到产量高，品质好的目的。智能大棚已经在我国的部分地区有着应用。

现阶段应用的农业智能大棚，大多采用基于无线传感网络的解决方案。无线传感网络采用基于单片机，传感器和射频模块的传感器节点组网而成。由于智能大棚供电环境的限制，传感器节点大多采用电池供电，从而使移动方便以及携带便利，但是现有农业大棚的传感器节点一般采用不间断的供电模式，以达到能够连续采集环境数据和实时数据分析处理的目的。该工作机制使得系统能够收集大量的数据进行分析处理，但是长时间的不间断工作会使传感器节点系统的功耗过高、器件使用寿命变短，不能够使电池保持很好的续航能力。所以为了在保证原有的功能基础之上尽可能降低系统的功耗，以达到延长设备使用时间的目的。本论文提出一种基于ZigBee节点的低功耗智能大棚系统方案。

1 智能大棚系统结构

该智能大棚采用基于无线传感网络的解决方案。传感器节点以TI公司的CC2530芯片作为主控制器，CC2530芯片集成了8051单片机和RF收发器。[1]传感器节点工作时，通过温度、湿度、光照传感器采集空气和土壤中的温湿度以及光照度信息，并经过A/D转换后送入8051单片机进行处理得到温湿度及光照度信息，通过与设定好的阈值进行对比，在温度或湿度超过阈值时启动继电器接通加温或加湿模块，对智能大棚中的环境进行调整。此外，温湿度及光照度信息通过射频收发模块传送到其他的传感器节点，并通过其他的传感器中继节点传送到远端电脑服务器[2]。

智能大棚的无线传感网络结构如图2所示。无线传感网络由树状网络构成，每个子节点通过传感器采集温度、湿度和光照度信息传送到路由器节点，经路由器节点中继传送到根节点，根节点将信息送到GPRS模块，然后再由GPRS模块经过互联网将信息传送到远端电脑服务器端，连接到服务器的智能手机可下载电脑服务器端的环境参数信息。同时，智能手机可以通过装载的应用程序发送控制指令到电脑服务器端，并经服务器、GPRS模块、根节点和路由节点送到指定的子节点上，启动加温或加湿模块，从而控制大棚内的环境。

2 智能大棚低功耗设计

2.1 低功耗优化措施

在智能化的大棚设备中，其终端设备主要为各种传感器设备的敏感元件与其转化电路。为了得到大棚的实际环境情况，可能需要测量空气中温湿度，土壤温湿度，空气中的CO2浓度以及大棚内的水流进出量等环节的参数，然而部分传感器在湿度较重的环境中可能出现元器件的生锈磨损，从而导致获得数据的不正确甚至影响最后的判断准确与否。所以在智能大棚内的参数检测的过程中，可采取两套线路测量同一物理量的办法来保持元器件的灵敏度，即对于目标物理量的测量上，使用两套传感器设备来记录数据，再通过输入电脑的数据比对，在针对同一种类数据，同一位置上有两种传感器时，可以对于每个节点的数据采集进行判断加以修正。另外，在一些环境较为潮湿的一些特殊环境，使用两个传感器探头，通过设定好时间，进行阶段性的轮转工作，来达到此工作点的工作时间得到延长的目的。

大棚的工作对象是作物，在普通的大棚（注：此处以拱形大棚为例）中，一般采用塑料薄膜作为覆盖材料，而采用塑料薄膜对大棚内环境的影响主要体现在光照强度与室内的空气混浊度等的变化。举例可知：（1）当大棚全部上卷时，室内外相联通，室内空气中的CO2含量在经过一段时间后会与室外保持一致，即空气中一般含有约0.03%的二氧化碳。所以在这段时间内针对CO2的检测探头可以暂时停止工作。（2）针对光照强度的检测设备在一天之中，只有在白天且光照强度超过一定的阀值之后，才能够对农作物产生影响，因此在傍晚与晚上的时候，即使打开传感器，也不能得到有效数据，所以在傍晚的时候，可以将此接口终端关闭，起到一定的功耗优化作用。具体实现过程：针对测量二氧化碳的传感器，预先在控制大棚薄膜卷起或铺开的电机上引出一个激励信号（设定激励信号是高电平），设定测量二氧化碳的传感器是由单片机终端的信号与电力开关的激励信号进行与非逻辑运算控制。当同时有信号输入时，通过与非门，则传感器关闭。针对光照强度传感器，则可以预先设置其工作时间，一般情况下可以设置5.30AM-5.00PM这段时间内传感器开启，进行数据采集，其余时间选择关闭[3]。

2.2 低功耗优化实现

实现过程如下：通过在大棚内外放置一系列的传感器，在检测初期全部打开，进行初期的数据采集，作为接下来数据分析的依据，并将所获得数据，在电脑上使用软件进行对比（此处可以采用MATLAB软件进行误差分析与处理），分析一定时间段内传回的数据。若位于大棚内部不同方位的传感器，存在近距离内的传感器获得的数据相同或者相似，可以判定，该物理量的实时性不强，同时认定该区域内的物理环境相似，相关物理量对于大棚内部的影响相近，可以采取关闭其中一个传感器的措施。一段时间后再次打开关闭的传感器，收集两处的环境数据进行对比，如果外界环境改变导致数据发生了变化，则判断此时两个终端处于不同的工作环境中，即需要将两个终端同时打开以保证数据的实时有效，设定时间周期后，重复以上过程。对于传感器上的数据的比对工作和记录可以在ZigBee的节点上传输到GPRS的传输站，上传到Internet上，再由控制电脑环节进行下载，所下载的数据通过预设好的软件进行分析运算，得出结果后，藉由相同的方式，反馈开关指令给终端，控制相关的检测设备的开启或者关闭。传输通过AT指令来实现设备终端和PC机的连接[4-5]，如图3。

在软件实现上，针对数据的传输环节，为保证信号的强度，在大棚内部架设结点时，应考虑结点间的距离和结构，在结构上，可以有星型结构、网状结构和簇状结构，在三种结构中，具有较好的稳定性的是网状结构，可以作为架构时的首先选择。

3 结语

智能大棚的优化设计，其主要功能在原有的智能化仪器仪表的基础上，继承了原有设计的优点，进行材料的节能和结构上的部分创新，在增强整套系统的可持续工作能力的同时增添了报警及防护的环节，进一步提高了整套装置的工作能力，在农业上能够有较好的运用。

【参考文献】

[1]曹新，董玮，谭一酉.基于无线传感网络的智能温室大棚监控系统[J].电子技术应用，2012，38（2）：84-87.

[2]隋会静，吕东华，林贤贤，杨永杰.一种智能大棚监控系统的设计[J].光明日报，2011（9）：100-102.

[3]吕宏，黄钉劲.基于 ZigBee技术低功耗无线温度数据采集及传输[J].中国科技核心期刊，2012，2，31（2）：58-60.

[4]戴由旺，李增有，韦俞锋.基于ZigBee的低功耗无线传感节点设计与实现[J]. 现代电子技术，2011，34（18）：121-123.

[5]任伟，顾小莉，王丽华.基于ZigBee 的低功耗无线温室环境监测系统设计[J].农机化研究，2014，9（9）：103-107.

[责任编辑：邓丽丽]