刘先明 宋余君 刘桂红 米贤武

摘 要：为提高大棚生产效率，针对温室大棚设施坏境可监测程度低和监控系统复杂等问题，设计一种基于C#的温室大棚植物养分监测系统。各个无线传感网络将采集到的养分情况发送至网络主节点，网络主节点再将养分信息发送至上位机，用户可在上位机查看到各类植物当前的养分情况。该系统为大棚种植提供了有利的数据支持，根据设定的阈值可有效降低植物死亡率。

关键词：C#；养分监测；温室大棚；无线传感网络

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

湖南省西部地区种植有较多农作物，是湖南省主要的粮食储备基地。在农业发展的现代化进程中，温室大棚的建设必不可少，通过建立温室大棚，给植物提供适当的生存环境，能够使更多植物反季节生长。然而，温室大棚里的温湿度控制和植物养分控制是艱难而重要的工程，传统农业通过在温室中悬挂温湿度计以及人们手动调节大棚内的温湿度来保证植物的正常生长[1]。但这样很难保证数据的准确性，而且实施困难，耗时耗力。随着现代化农业的发展，大棚智能监测系统已有集环境参数与控制于一体的方案[2]，但是这些数据只是环境的温度和湿度数据，并没有土壤中植物生长所需养分的组成数据。

本文设计了一种植物养分监测系统，可将盐分、水分传感器放入土壤中读取数据。配合自动浇灌技术，可分别测得各类植物养分数据，根据各自的生长规律，保证各个时段的作物处于最佳生长状态，从而提高作物产量。本文系统采集数据准确，用户界面友好，自带学习模式，应用前景广阔。

1 系统整体设计方案

系统整体方案包括主机和传感器节点设计。其中，主机与电脑端采用串口通信，传感器节点与主机采用无线ZigBee方式进行数据交互[3]。无线传感器部分采用自带ZigBee协议的SoC芯片CC2530[4-5]，传感器节点包括无线传输控制器、土壤温湿度传感器、土壤盐分传感器、电源转换单元。节点将采集到的植物养分数据通过ZigBee协议[6-7]传输至主机，主节点将信息通过TTL-USB串口电平转换器传输至上位机，上位机根据主机上传的数据进行相应的数据显示，提示管理人员当前大棚的环境状态，显示出各种植物当前的生存环境数据[8]。该系统工作原理如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点

传感器节点包括无线传输控制器、土壤温湿度传感器、土壤盐分传感器、电源转换单元。其中，多个传感器节点组成树形结构，覆盖整个大棚区间，实现数据的统一管理和控制。传感器节点的原理框图如图2所示。

本系统采用华控制造的土壤温湿度传感器，该传感器具有体积小、测量精度高、互换性好等优点，可直接埋入土壤中使用，实时测量不同深度的温湿度。其中，通信方式采用RS 485A/B线实现，其内部参照如图3所示。

2.2 主机

主机是网络数据交互的中心，本系统主机的CC2530节点为协调器节点，负责组建ZigBee网络，启动网络后负责从终端节点接收数据，并通过串口发送到电脑客户端进行实时显示。本系统采用TTL-USB模块将电平转换为USB可用，从而读取数据，实现数据监测。主机结构如图4所示。

3 系统软件设计

本系统采用下位机软件，即CC2530片上系统，以MCU实现客户端软件编程。

3.1 CC2530软件编程

本系统软件采用C语言实现，以官方提供的ZigBee协议栈进行开发[9]。ZigBee软件设计采用TI的Z-Stack协议栈，其中，ZigBee通信部分采用硬件TI的CC2530完成网络的组建与应用。CC2530自带C8051增强型内核，可利用IAR开发软件导入Z-Stack协议栈实现对ZigBee的开发[10]。主机流程如图5所示，传感器流程如图6所示。

在ZigBee网络组建过程中，针对节点入网和协调器允许入网要求，选择一个合适的入网机制，保证ZigBee网络的安全性。整个流程主要包括由协调器组建合适的ZigBee网络[11]以及路由器加入网络。ZigBee网络组建主要由协调器完成。首先，协调器启动后扫描当前信道的ZigBee网络并开启网络发现；其次，路由器和终端节点通过使用协调器的网络层加入网络或通过已加入过ZigBee网络的路由器节点加入该ZigBee网络。协调器建立网络过程如图7所示。

3.2 客户端软件编程

本系统选择PC平台、C#语言进行移动客户端的开发[12]。开发坏境基于微软的Microsoft Visual Studio 2015，客户端功能框架如图8所示。主界面主要负责显示数据，在串口设置界面需要将串口进行初始化。

3.2.1 串口通信

客户端和硬件主板采用串口通信进行数据交互。在C#语言中，需要先将串口函数实例化，获取串口号，绑定端口号，再进行通信[13-14]。

3.2.2 施肥量计算

客户端主界面上的温度、湿度显示直接由底层上报到客户端实现。根据测得的土壤温度、湿度、氮含量以及植物标准氮含量计算表达式计算出施肥量。

施肥量计算公式如下所示[15]：

[（植物标准氮含量-叶绿素仪测得的氮含量）/1 000]×目标产量=应施肥量×化肥中的氮含量×化肥中氮的利用率

根据节点测得的叶绿素SPAD含量，将SPAD含量发送到客户端进行氮含量计算。

其中，加水时间控制需要使用窗口发送命令，其主要代码如下：

4 实验结果与分析

根据本文提出的方案，设计出植物养分监测系统，测试出植物所需氮含量，根据施肥量转换公式计算出施肥量，以提示用户给相应土地的植物施肥。本文系统主界面如图9所示。

经过实验调试，本系统可准确地将温湿度显示在界面上，且实时显示效果较好。当湿度超过预警值时，用户可点击加水启动按钮，开启加水泵给植物浇水，并实时显示植物氮含量，通过修改按钮计算出所需施肥量，且可手动修改。

5 结 语

本文提出一种基于C#的温室大棚植物养分监测系统，实现对农业温室大棚内植物养分的实时监控。硬件系统采用ZigBee低功耗芯片实现节点与控制中心的相互通信，两节普通7号电池即可使用两年。软件系统采用C#语言开发，采用面向对象的程序设计方式，提供给用户一个简单的界面，可将采集到的数据进行处理后显示在客户端，根据各种肥料的含氮量计算出所需施肥量，并根据植物生长习惯提高种植效率。该系统在植物种植领域具有广阔的应用前景。

参考文献

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