设计与实现[5页]

1、第门卷第门期(2015年4月)Computer Knowledge and Tech门o/ogy 电脑知识智能农业大棚系统的设计与实现糯豪，侯黠，单承刚,桑得水（枣庄学院信息科学与T程学院，山东枣庄277000）摘要：物联网智能农业大棚系统采用当前热门的物联网技术、嵌入式技术和无线传感器网络技术相结合的方法，并搭载了 冬种传感器（温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、土壤湿度传感器、热释红外感应传感器）和无线通信模块，最终实现 了对大棚生产过程中各项环境参数的精准测量，并智能控制大棚内各项环境状况，进而实现大棚环境的自动保温、保湿、 土壤湿度、历史数据的记录和安防监测等功能。物联网智能大棚系统

2、还具有远程访问与控制功能。用户使用PC机不仅 可以远程访问大棚内的相关数据，实时观察植物的长势，还可以远程控制大棚内部的执行器件（风扇、加湿器、加热器）来 改变大棚内部环境。关键词：ZigBee；温室大棚；物联网；智能农业中图分类号:TP311文献标识码:A 文章编号：1009-3044（2015）11-0244-03计算机工程应用技术246收稿日期：2015-03-20基金项目：此文章得到“山东省普通本科应用型人才培养专业发展支持计划”项目支持1方案背景随着我国城市化建设的进一步推进，我国可耕种地面积在 逐年减少，如何充分利用现有的土地资源显得十分重要。U 前,我国北方大部分地区都有温室大棚

3、，市于温湿度,光照,C（）2 浓度直接影响作物的产量,因此如何给作物提供一个适宜生长 的大棚环境，是一个值得研究的课题本文设计了基于物联网 技术的温室大棚系统。该系统满足了用戸在远距离条件下对 大棚内环境参数的监控,采用木系统町以实现大棚内温湿度、 C（）2浓度等环境变量的自动调节适宜作物生长的区间，真正实 现温室大棚的无人化管理。2系统整体设计智能农业大棚系统分为龙线传感网络、网关和主控中心三 个部分,把嵌入式技术,传感器检测技术,无线通信等技术相结 合。无线传感网络市协调器、路由器、五个数据采集节点（温度 传感器节点、湿度传感器节点、光照度传感器节点、安防传感器 节点、土壤湿度节点）及一个

4、控制节点组成。五个数据采集节 点负责采集大棚内温度、湿度、光照度、土壤湿度、安防等信息 的采集，并将采集到的数据传输到协调器。协调器负责对采集 的数据进行汇总处理，一方面，协调器与网关通过串口传送大 棚内各种设置参数、命令及数据，另一方面协调器将控制命令 发送给控制节点，控制风扇、加湿器、加热器的丿I：关来调节大棚 内的环境。系统整体功能框图如图1所示。智能农业大棚系统可实时采集大棚内的温湿度、光照信 息、土壤湿度、安防信息,通过高精度测量温室大棚生产过程中 的参数，智能控制大棚内温度、湿度、通风状况等，自动实现保 温、保湿和j史数据的记录的功能。该系统还具有远程访问和 控制功能,用户of以通

5、过PC机远程访问大棚内的相关数据,实 时关注植物的反势,并町远程控制农业大棚内部设备的开关, 调整大棚内部环境。图1系统整体功能框图3系统硬件设计智能农业大棚系统的无线传感网络硬件采用模块化的思 路完成设计,主要包括传感器模块、控制器模块和协调器模块 三部分。传感器模块、控制器模块和协调器模块足搭载在Zig B祕无线通信核心板和外接主板之上的，分别构成了数据采集 节点、控制节点和数据转发节点。这样的结构化设计方便用户 更换器件,最大限度的满足实际设计的需求。3.1无线通信核心板和外接主板ZigB汝无线通信模块是市核心板和外接主板组成。ZigBee 无线通信核心板的主控芯片采用TI公司生产的Zi

6、gBee无线通 信芯片CC2530,负责驷动传感器以及数据的接收和发送。 CC2530 是一个真正用于 IEEE 802.15.4 的 ZigBee 和 RF4CE 应 用的片上系统（SOC）解决方案，其能以较低的成本建立强大的 网络节点。CC2530集成了业界领先的RF收发器、增强T.业标 准的8051MCU，在系统町编程Flash存储器，8kB的RAM和其 他功能，且适合需要超低功耗的系统。主板主要市电源电路、usb转串口通信电路、接口电路等 三部分组成。接口电路连接核心板与传感器模组或控制模组, 并为它们提供电源接口。电源屯路为核心板、传感器模组或控 制模组供电。USB转串口通信电路将C

7、C2530单片机的串口转 换为USB 口，方便节点与PC机进行串口通信。3.2协调器模块ZigBee网络中唯一的协调器，主要负责组建个域网及接收 处理各节点传递过来的信号。处理器部分采用了 CC2530作为 主控芯片。一般情况下，协调器节点接口主要包括串行接口、 电源接口及JTA(；接口，也可增加USB接口。当管理机无串口 时，采用USB接口町使该节点应用更为方便灵活。协调器节点 负责网络的组建，完成各个终端节点的数据汇总打包,并将打 包后的数据信息通过串口传送给嵌入式网关。3.3传感器模块传感器模块市不同的传感器实现,包括温湿度传感器、光 照度传感器、土壤湿度传感器和热释红外传感器:，3.3

8、.1温湿度传感器温湿度数据采集节点采用SHT10采集农业大棚中的温度 和湿度，丁作屯压2.4-2.5V,测湿精度为+-4.5%RH，足以满足 大棚要求。SHT10采用SMD贴片封装，用两条串行线与处理器 进行数据通信。数据采集完后ZigBee无线通信芯片将数据传 输到协调器，完成了一次数据采集。J12.3：5678910图2 SHT10电路连接图3.3.2光照度传感器光照度传感器实现光照数据采集功能，它采用光敏屯阻采 集环境的光照度信息，当光照度发生变化时，光敏屯阻的阻值 会减小。数据采集后转化为屯压值送给CC2530单片机，并通 过CC2530单片机的射频通信模块将数据经路市器传输到协调 器

9、，完成一次数据采集,相关屯路,光照传感器屯路输出的为电 压模拟信号,需要用CC2530内部的A/D转换器将模拟信号转 换成数字信号,光照度传感器与CC2530的P0_()相连,P0_()端 口设置为ADC输入T.作模式。3.4控制器模块控制模块主要实现设备的开关控制，主要由继电器及控制 电路组成。它采用USB接口与外围设备连接。控制节点负责 执行协调器发送的开关设备的命令。控制节点配备继电器模组，通过继电器来驳动风扇，调节 室内的通风。光照度采集节点将光照信息采集送给协调器节 点，协调器向网关发送实时光照度数据,网关将实时数据和阀 值进行比较,如果实时数据大于上限阀值就发送信息给控制节 点通过

10、继电器开启风扇，反之关闭风扇。这与其它外围设备的 控制原理类似。4系统软件设计ZigBee底层协议栈及其应用层软件构成了无线传感网络 软件平台。ZigBee协议栈rtlTI公司提供,()SAL操作系统的使 命就是对儿项不同的任务进行调度，使其协调有序的在CPU上 运行，应用层程序通过OSAL操作系统的调用完成信息采集功 能。应用层软件开发主要足各种传感器騎动程序的编写和自 动控制程序的编写。41协调器软件设计ZigBee网络中唯一的协调器，主要负责组建个域网及接收 处理各节点传递过来的信号。传递的信号分为节点入网请求 信号，以及数据上传信号。当接收到入网请求信号后，将给节 点分配16位的短地址

11、标识符，市于木系统采用的树状网络拓 扑结构，其将采用根寻址的方法分配地址。若接收到的为数据 上传信号,则需要将各节点上传的检测到的环境参数传给网 关，交rh网关进行处理。4.2传感器软件设计4.2.1温湿度传感器驱动程序CC2530微控制器与SHT10进行通信时，首先要初始化 SHT10,然后写入命令，最后等待数据转换完成将测量数据 读出O图3温湿度节点程序流程图4.2.2光照度传感器程序编写系统采用光敏电阻来采集室内的光照度，当光照度发生变 化时,光敏电阻的阻值会变小,详细流程。图4光照度节点程序流程图Computer Knowledge and Technology 电脑知识第门卷第门期(

12、2015年4月)4.23热释红外传感器程序编写热释红外传感器能够检测人体发出的红外波，当没有人 时,输出低电平;当检测到人时，输出间隔一秒的高低电平。所 以只有读出输出端口的高低电平状态便可以判断是否有人存 在。热释红外传感器的输出端口与CC2530的Pl_0端口相 连。这样只要读取Pl_0端口的状态便町以判断是否有人存 在4.3控制器程序设计当网关检测到协调器传递的参数不在设定的阈值之内时, 网关向协调器发送开启相应继屯器丿I：关指令，进而协调器将数 据转发到控制器，控制节点负责执行协调器发送的丿I：关设备的 命令,实现相应设备的开关控制O5实验测试为验证木系统的稳定性、町靠性，利用该系统在

13、实验室内 做了简单的测试:，实验结果显示，无线传感器节点每隔一定的 时间就将采集一次温湿度、光照、人体红外和土壤湿度数据,并 将采集到的信息发送到协调器,进而有协调器节点传送到网 关。图5为检测到的数据和网页界面。图5温室大棚监控系统网页界面内的各种需求。6结束语木系统的创意在于将口渐成熟的物联网技术与农业大棚 系统结合起来。通过无线采集技术及无线控制技术组建了一 个可以远程管理的农业大棚。采集的数据町以通过网络传输 到主控中心进行数据关联、数据分析，实现智慧农业大棚从数 据采集、远程监控、数据分析汇总的一体化解决方案。参考文献：1 王汝传，孙力娟，郭剑，等无线传感器网络技术及其应JTJM 北

14、京:人民邮电出版社,2011.2 蔡日梅.物联网概述J.电子产品可靠性与环境试验,2011(1).3 中国电子信息产业发展研究院.2011中国物联网产业发展 指南M.北京:机械工业出版社,2011.4 何鹏，袁琪，丁春欣传感器在温室大棚坏境控制中的应用J. 计算机与农业,2002(7).5 谭静芳，刘成勋.浅谈温室自动控制技术的发展概况J.农业 装备技术,2005.6 原羿,苏鸿根基于ZigBee技术的无线网络应用研究J.让算 机应用与软件,2004(6).7 黎香兰，赵文祥，焦喜东.我国梢准农业的研究应用现状和发 展对策J农业图书悄报学刊,2002(5).8 汪懋华.关于精细农业试验示范与发展研究的思考J.中国 农业科技导报,2003(1).9 刘爱民，封志明，徐丽明.现代梢准农业及我国梢准农业的发 展方向J中国农业大学学报,2000(2).10 潘瑜春，赵春江.地理信息技术在梢准农业中的应用J.农 业T.程学报,2003(4)11 孙雨耕，张静，孙永进,房朝晖无线自组传感器网络J.传感 技术学报,2004#计算机工程应用技术测试结果表明: