杨娟 嵇建波 李海兵

(桂林航天工业学院 电子信息与自动化学院，广西 桂林 541004)

我国的农业历史悠久，农业在整个经济发展中有着比较重要的地位。如今世界的高科技电子技术正在突飞猛进，合理的应用在农业生产上有利于提高生产效率。利用高科技技术改变农作物的生长环境，使农作物在最优越的环境中生长，从而提高产生效率。改变农作物的生长环境是在温室中进行，温室能够提供农作物一年四季生长环境，如最主要的温湿度、光照强度[1]。但是，目前国内的温室大棚控制大部分是采用人工实时监测，使用人工监测，不仅劳动力投入过大，还不能时刻监测到温室内的环境变化。温室大棚的空间大，若使用有线式的设备控制，由于布线的复杂，容易出现故障，可用性不高，成本也高，总的来说，经济效益不高。

我国一直都在努力向现代化农业发展，温室大棚监控技术是我国温室农业发展重要技术之一。这些年，无线传感网络技术在农业上广泛使用，已经成为农业中信息获取的重要方式之一。无线传感网络是一种无线通信技术，广泛应用于各个领域。无线传感器网络和其他的无线通信技术不同之处在于它可以拥有大量无线传感器节点，这些节点分布在各个角落，可用于大面积的温室，每个节点附带的传感器能监控到温室每个角落的情况，还能执行控制中心发出来的命令。

1 无线传感网络和ZigBee技术

传统的温室大棚环境参数监控要在土壤中铺设大量的电缆，布线复杂且土壤中大量的布线不利于农作物的耕作、灌溉和施肥。无线传感网络是由大量的无线传感节点在不同的位置以无线的方式来进行相互的通信，能够监测到每个节点区域内的数据，利用传感器采集到不同区域的信息并对数据进行简单的处理分析，再通过无线传输的方式发送到上一级节点。无线传感网络组网中Zigbee技术是一种近距离无线通信技术，具有低功耗、低成本、易应用、2.4 GHz全世界通用频段等特点[2]，一般应用于具有传输距离短和对传输速度要求不高的无线通信设备之间。

2 硬件设计

2.1 系统整体设计

温室大棚监控系统主要由终端传感器节点、网络协调器、上位机监控软件组成。终端传感器节点按照多级星型结构级联分布在大棚中，并将采集到的农作物生长环境的相关参数无线传输到网络协调器，协调器再将数据传送到监控系统中实时显示。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

2.2 终端传感器节点

终端传感节点设备主要由采集和处理信息、控制相关参数执行的开关、无线信息的发送和电源供电模块等4个模块组成，结构框图如图2所示。传感器模块主要是进行本地信息的采集，处理器选用CC2530芯片，该芯片集成了ZigBee无线通信协议，将射频收发电路与MCU集成在一起，可以降低多个器件组合带来的能量消耗。其主要用于完成处理传感器采集的信息，搭建网络以及配置电源管理模式、无线发送和接收信息、控制开关。

图2 传感器终端节点结构框图

由于温室大棚中终端传感器节点需要均匀地分布在各个角落自由移动且须满足ZigBee模块低功耗的特点[3]，本系统采用3.7 V锂电池，经过TPS73030DBVR稳压3.3 V输出供电，电池容量890 mAh，该锂电池具有价格低廉、电池容量大、可充电等特点。系统中处理器芯片每半个小时向总节点发送一次数据，在主动模式RX和TX功耗是63 mA，在唤醒状态下是0.2 mA，睡眠定时器运行时是1 μA，电池提供的电量能够维持节点工作30天。

温湿度采集采用SHT11传感器,该传感器可以输出校准后的数字信号[4]。该器件集成了一个电容式集合测湿和一个能隙式测温元件，采用CMOS工艺制造，并有着高精确的14位A/D转换和串行接口电路。其具有精确度、性价比高、数字量输出等特点，采用SMD封装方式，只有四个引脚，分别是串行接口引脚单线双向、电源脚和接地脚，可从串行接口中读出温湿度的值。

温室大棚中光照强度的采集利用光敏电阻的特性将光照强度转换成电信号，本系统使用5516型光敏电阻。该电阻随光照的强弱而改变阻值大小，采用半导体的光导效应制作而成，光照强度和电阻值呈反比例关系，而光照强度和阻值的大小呈对数关系，根据亮阻10 lx光照下阻值为10 kΩ，光照强度1 000 lx下电阻为1 kΩ。

二氧化碳传感器采用S-100型号的传感器模块，它是世界上最小而且质量最轻的，该模块预留有多个插口，方便使用者与其他的电路器件连接，输出接口多样性，传输和读取数据比较容易。在其他方面它也符合无线传感器网络的低功耗模式，内部移植了自动校准模式。

本设计通过控制继电器或电磁阀控制温室大棚开帘、关帘、升降温和灌溉等操作。开关的状态是通过解码控制中心发来的指令执行，节点通过判断是否是发给本节点的控制命令来执行操作。

2.3 网络协调器

网络协调器的硬件设计和传感器节点使用的是同一款核心芯片CC2530[5]，协调器最主要的任务就是和节点组建网络进行无线通信，将串口信号转换成USB信号与PC机进行通信。

RS232接口作为标准的外设接口是电子技术发展需求，USB技术已经成为计算机与外设连接的标准。PL2303是一款RS232转USB接口的转换芯片，其工作模式和休眠模式均具有低功耗的特点，符合本设计低功耗的特点。PL2303是一款集成芯片，外部只需要简单的接一些电容即可实现双向通信。USB转串口的应用电路如图3所示。

图3 USB转串口电路图

3 软件实现

3.1 通信协议

在Zstack协议栈的应用层上通过调用数据发送函数便可实现数据的发送，在调用函数中设置好发送的目的地址、发送端点输出的簇ID(接收端用来匹配的ID)、发送数据的长度和数据缓存地址即可将数据发送到整个网络中。

在Zstack协议栈的应用层中通过调用数据接收函数就可实现数据的接收，数据包被发送到一个登记注册过的端点[6]。调用接收函数，我们在函数中首先判断接收的输入簇是否是所需要的输出簇ID，然后再进行相应的处理。通信的数据格式如图4所示。

图4 数据通信格式

3.2 终端传感器节点程序

温湿度传感实现采集数据采用单总线的形式，与主机之间用一根线连接，主机发送信号响应传感器，传感器再回应主机开始采集，采集的是一个40 bit的数字信号，通过高电平的时间来判断数据是1还是0。

温湿度传感器将采集到的信息发送给主机，为了确保数据是准确的，传感器最后会发一个校验的数据，让主机通过该校验数据确保前面采集的数据是准确的。当然，完成一次工作后，传感器就会进入休眠状态，等待30 min到或者主机发出采集指令才重新开始采集，程序流程图如5所示。

光照强度的采集通过采集光敏电阻两端的电压来转换，通过分压可以求出光敏电阻两端的电压和电阻的关系。设置参考电压3.3 V，分压电阻5 kΩ得到关系式：

3.3/(U+5)=U/R

R=U*5/(3.3-U)

(1)

光敏电阻的阻值大小与光照的大小存在对数的关系。经过计算关系式为：

L=-430ln(R)+1 000

(2)

由于光照最小为0 lx，所以R最大值取为2.32。光照强度读取流程图如图6所示。

图5 温湿度数据读取流程图

图6 光照强度采集流程图

控制执行结构通过控制继电器或者电磁阀控制大棚开帘、关帘、升降温、抽风和灌溉等。控制结构的执行有两种方式可以根据当前设定的环境参数阈值自动地控制，还可以通过PC机控制中线手动控制。节点通过判断是否是发给自己的命令来执行操作，程序流程图7所示。

图7 控制开关流程图

3.3 网络协调器程序

在无线传感器网络中，协调器的主要功能包括网络建立、数据的接收和发送、串口控制，其功能框图如图8所示。

图8 协调器的功能框图

网络建立：协调器负责建立一个网络，为网络分配PANID以及为其他加入网络的节点分配网络地址。

数据的收发：通过射频接收其他节点传送的数据，以及向其他节点发送控制命令。

串口收发数据：节点通过网络将数据传送到协调器，协调器收到大棚中环境参数通过串口传输到PC机。同样PC发送控制指令至网络中，此命令是执行命令，节点通过判断来接收并执行命令。

根据协调器的功能设计相应的程序，其流程图如图9所示。

图9 协调器程序流程图

3.4 PC机控制中心

监控软件是在VC++环境下利用MFC的MSComm控件编写串口通信程序，在Windows系统下运行，控制中心界面如图10所示。软件是选用MFC进行多线程的编译方式。第一个线程是用来接收下位机传来的数据，并将数据缓存起来进行解码后显示，第二个线程是按键操作发送命令给下位机。

图10 PC控制中心界面

4 实验数据分析

节点温湿度曲线测试结果如图11所示，显示了控制系统的界面，通过该系统可以实时观看到每个节点温室大棚的环境参数，同时可以通过该系统对温室大棚进行控制。测试结果表明，网络稳定性好，数据传输可靠性高。

图11 控制中心监测数据

5 总结

本设计完成了对温室大棚环境的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度的数据采集，并且可以通过无线的方式把数据传输到协调器，协调器通过串口把数据传到上位机上显示。本文设计的温室大棚监控系统有组网简单、成本低、可扩展性强、采集范围广、精度高等特点，对温室大棚环境参数实现自动控制有利于农作物的生长，大大提高了农作物的产量。