基于無線傳感網(wǎng)的多功能簡易智能溫室控制系統(tǒng)的設計

1、    基于無線傳感網(wǎng)的多功能簡易智能溫室控制系統(tǒng)的設計    胡斌+王玉超+傅振濤+黃萌摘要 本文以zigbee技術為核心，采用通用性思想和模塊化設計的思路，用無線傳感網(wǎng)絡技術解決溫室大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長的智能自動監(jiān)控系統(tǒng)。設計了基于zigbee組網(wǎng)技術的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，采集溫室內(nèi)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)，搭建了基于zigbee的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)的無線傳輸。 利用單片機作為控制機構，根據(jù)已經(jīng)設置的環(huán)境閾值控制相應的執(zhí)行機構，啟動相應調(diào)控設備，若溫室環(huán)境發(fā)生了變化，控制系統(tǒng)通過zigbee連接自動控制溫室內(nèi)的執(zhí)行機構，可使溫室環(huán)境一直處于最適合農(nóng)作物

2、生長的條件。同時，由于zigbee的可擴展性，可添加新的功能執(zhí)行機構，例如殺蟲系統(tǒng)，從而實現(xiàn)多功能的智能溫室控制系統(tǒng)。關鍵詞 智能溫室；控制系統(tǒng)；無線傳感網(wǎng)；環(huán)境因子監(jiān)控；zigbee；單片機tu261 a 1007-5739（2017）09-0184-02abstract the paper adopted the universal idea and modularized design idea，used wireless sensor network technology to solve greenhouse in crop growth of intelligent automat

3、ic monitoring system based on zigbee technology as the core.designed a data acquisition node based on zigbee network technology，collected environmental factors in greenhouse，set the mesh network based on zigbee，realized the wireless transmission of data.using microcontrollers as a control mechanism，

4、according to the environment threshold value to control the corresponding actuator，started the corresponding control equipment，if the greenhouse environment had changed，the control system automatically controlled the actuator in the greenhouse zigbee connection，made the greenhouse environment been t

5、he most suitable for crop growth.because of zigbee scalability at the same time，you could add new functionality actuators，such as insecticidal system，so as to realize multi-function intelligent greenhouse control system.key words intelligent greenhouse；control system；wireless sensor network；environm

6、ental factor monitoring；zigbee；microcontrollers隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，人們對蔬菜、花卉等的需求量越來越大。溫室可以改變植物的生長環(huán)境，創(chuàng)造最適宜植物生長的條件。溫室是一個復雜的、非線性、多變量、大滯后、多耦合的動態(tài)系統(tǒng)。為合理控制蔬菜、花卉等的生長1，應建立一個有預見性、及時的控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境以及溫室環(huán)境下的環(huán)境因子，合理防治封閉環(huán)境下溫室的病蟲害。在控制應用zigbee組網(wǎng)技術的基礎上，lai等2和ouni等3都做了相關研究。江朝暉等4和zhang q等5都分別設計了基于zigbee技術的無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)。目前，國內(nèi)一般的農(nóng)業(yè)承包者都是搭

7、建較簡單的大棚4，幾乎沒有實現(xiàn)智能化。而市場上提供的控制器功能單一，也有提供溫室智能控制系統(tǒng)的6，但都是面對大型企業(yè)，產(chǎn)品價格昂貴。針對以上問題，設計一款多功能簡易智能溫室控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過4種常見傳感器（溫度、光照、濕度、co2）實時監(jiān)測溫室環(huán)境變化。當溫室環(huán)境發(fā)生了變化，控制系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)自動控制執(zhí)行機構，使溫室一直處于最適合農(nóng)作物生長的環(huán)境。其中，該控制系統(tǒng)還能根據(jù)不同農(nóng)作物修改溫室環(huán)境各參數(shù)值的上下限值。若溫室環(huán)境參數(shù)超出人工設置的上下限值，會啟動或關閉相應的執(zhí)行機構，實現(xiàn)及時調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。由于無線傳感網(wǎng)的易于擴展以及考慮到成本問題，本系統(tǒng)還可以將殺蟲功能和太陽能供電功能等添

8、加進去，實現(xiàn)多功能的控制系統(tǒng)。1 多功能簡易智能溫室控制系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)、執(zhí)行功能機構、控制系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)組成，其結構如圖1所示。監(jiān)控系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對溫室環(huán)境的監(jiān)測，主要包括常見的4種溫室環(huán)境傳感器（溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、co2傳感器）及相應的轉換電路，比如要實現(xiàn)對溫室內(nèi)溫度的檢測，可采用ds18b20溫度傳感器，將ds18b20的信號線與單片機的i/o線相連，由單片機采集數(shù)據(jù)即可，且一根單片機i/o線可掛接多個ds18b20，能夠?qū)崿F(xiàn)多點溫度檢測。執(zhí)行功能機構（滴灌系統(tǒng)、升溫系統(tǒng)、噴滴灌系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)、濕窗簾/風扇降溫系統(tǒng)）指的是溫室內(nèi)現(xiàn)有的單一功能

9、設備，能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同功能。為了實現(xiàn)多功能，本系統(tǒng)還可以通過無線節(jié)點增添需要的功能機構。如要添加殺蟲的功能，只要在無線傳輸系統(tǒng)里增加一個節(jié)點，然后修改相應的上位機和下位機程序控制單片機，單片機再來控制殺蟲燈即可。 控制系統(tǒng)采用cc2530單片機為主控制核心，與監(jiān)控系統(tǒng)中的轉換電路和溫室內(nèi)的執(zhí)行機構相連，如若溫室環(huán)境參數(shù)超出人工設置的上下限值，會啟動或關閉相應的執(zhí)行機構，實現(xiàn)及時調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。無線傳輸系統(tǒng)采用zigbee無線傳輸系統(tǒng)，采集信息、傳輸信息以及智能處理于一體，具有短距離、低速率、投入低廉、通信可靠的特點，通過溫室環(huán)境因子傳感器監(jiān)測多點環(huán)境因子參數(shù)，通過zigbee無線傳感器網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)

10、實時傳輸?shù)缴衔粰C，再依據(jù)預設閥值來控制以及指導生產(chǎn)。2 無線傳輸網(wǎng)絡的設計用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將不受局限，具有更廣泛的適應性。采用無線數(shù)傳電臺建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式的，在用戶組建好一個通訊網(wǎng)絡之后，只需將新增設備與無線數(shù)傳電臺相連接就可以實現(xiàn)系統(tǒng)擴充6。因此，本系統(tǒng)采用zigbee無線傳輸網(wǎng)絡。此次設計的系統(tǒng)預設了2個大模塊（上位機和下位機），如圖2所示。其中，對于上位機選擇就是選用微機，下位機控制器則用單片機控制。下位機控制器在接受監(jiān)控pc機發(fā)出的控制信號后，可通過已預設好的各項數(shù)據(jù)的閥值來控制執(zhí)行機構6-7。下機控制器的核心是cc2530單片機，zigbee無線主模塊和

11、單片機自動控制模塊6組成了整個下位機系統(tǒng)。其中無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)、模數(shù)轉換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)構成了zigbee無線主模塊。系統(tǒng)通過各種傳感器實時監(jiān)測溫室環(huán)境因子，將其采集的數(shù)據(jù)上傳到zigbee子節(jié)點，再通過無線網(wǎng)絡傳到zigbee網(wǎng)絡總節(jié)點，最后通過rs-232串行口總線將數(shù)據(jù)傳到上位機上并顯示反饋給用戶。數(shù)據(jù)模塊和執(zhí)行機構控制模塊組成了單片機自動控制模塊。數(shù)據(jù)采集模塊可以完成對zigbee總節(jié)點通過網(wǎng)絡通信層所傳遞給單片機數(shù)據(jù)的收集和預處理6，同時將結果通過rs-232串行口總線送至數(shù)據(jù)存儲器或監(jiān)控服務器存儲和管理。執(zhí)行機構控制模塊則是通過比較實時監(jiān)控的環(huán)境因子參數(shù)和預設閥值來實現(xiàn)

12、對溫室大棚內(nèi)的各個執(zhí)行機構的啟動與關閉8。由于系統(tǒng)采用的是基于zigbee的無線傳輸網(wǎng)絡，其具有優(yōu)越的可擴展性，可實現(xiàn)控制系統(tǒng)的多功能性。只要執(zhí)行機構中添加所需功能的執(zhí)行機構，改變上位機的程序設計，用戶即可實現(xiàn)對新功能的控制。例如將殺蟲燈添加進執(zhí)行機構，改變上位機的程序，將殺蟲燈對應的光照數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)閾值添加進去，從而實現(xiàn)單片機對殺蟲燈的自動控制。同時，還可以添加關于殺蟲燈的頻閃頻率的設置，從而進一步提高殺蟲效率。多功能的溫室智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)在于建立有效的zigbee無線傳輸網(wǎng)絡。zigbee無線網(wǎng)絡的工作流程是由zigbee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡，然后zigbee終端入網(wǎng)，分配網(wǎng)絡地址，終端定期

13、采集傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過點播發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)信息通過rs232串口轉發(fā)至上位機，上位機根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)出相應的控制指令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將控制指令廣播出去，各終端根據(jù)廣播所帶的簇信息，判斷其是否為發(fā)給自己的信息，如果是則根據(jù)指令執(zhí)行相應動作，不是就丟棄數(shù)據(jù)。設計流程如圖3所示。依據(jù)設計的要求，在設計的這個溫室大棚內(nèi)會存在4種不同的傳感器，分別測量溫室大棚內(nèi)的溫度的傳感器、濕度的濕度傳感器、檢測溫室內(nèi)光照強度的光敏傳感器以及檢測二氧化碳濃度的co2濃度傳感器。傳感器采集出來的數(shù)據(jù)由zigbee網(wǎng)絡按照穩(wěn)定的周期收集，如圖4所示。由于系統(tǒng)選用的二氧化碳濃度傳感器、光敏傳感

14、器是模擬傳感器，所以需先通過模數(shù)轉換器轉將其換為數(shù)字信號，然后再將數(shù)據(jù)送至單片機中，最后送達cc2530芯片完成數(shù)據(jù)收集7；而ad轉換模塊存在于系統(tǒng)選用的溫濕度傳感器內(nèi)部，在單片機內(nèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理后，將4種數(shù)據(jù)按照先后順序送到zigbee無線網(wǎng)絡中的子節(jié)點6-7。3 結語本文結合當前先進的信息科學技術zigbee技術，提出一個基于zigbee組網(wǎng)技術的多功能簡易智能溫室控制系統(tǒng)的解決方案。本系統(tǒng)是一種溫室自動控制系統(tǒng)，具有布線簡單、結構合理、使用性較強的特點，其在基于zigbee組網(wǎng)技術的基礎上加入了上位監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)6、單片機自動控制系統(tǒng)，可移植性強。與普通的溫室大棚相比，

15、多功能簡易智能溫室控制系統(tǒng)不僅能夠種植優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的反季節(jié)作物，而且將電子、計算機、通信和自動化控制等技術引入到本系統(tǒng)中。本系統(tǒng)可以定量獲取和分析農(nóng)業(yè)環(huán)境的多種參數(shù)，對環(huán)境實現(xiàn)多點檢測，其主要檢測目標是溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度，如果需要可通過zigbee網(wǎng)絡增添其他功能，如振動、壓力、水/土壤空氣成分等。通過zigbee無線通信把智能溫室的各種參數(shù)匯總到上位機，上位機再通過執(zhí)行結構去調(diào)節(jié)參數(shù)，例如大棚的溫度、濕度等。確保智能溫室內(nèi)各個環(huán)境參數(shù)達到良好的檢測，協(xié)調(diào)控制溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并能通過web遠程檢測和控制溫室大棚的環(huán)境參數(shù)。4 參考文獻1 丁為民，汪小旵，李毅念.溫室環(huán)境控制與溫室模

16、擬模型研究現(xiàn)狀分析j.農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40（5）：162-168.2 lai c f，huang y m，chao h c.a context-a ware multi-model rem-ote controlleror electronic home devices j.kluwer academic publishers，2010，54（1）：43-60.3 ouni s，ayoub z t.cooperative association/re-association appro-achesto optimize energy consumption for real-time ieee802.15.4/zigbeewireless sensor networksj.wireless pers commun，2013，71（4）：3157-3183.4 江朝暉，焦俊，潘偉，等.基于zigbee的農(nóng)業(yè)通用無線監(jiān)測系統(tǒng)設計j.安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（6）：3149-3151.5 zhang q，yang x l，zhou y m.a wireless solution for greenhouse monitoring and control system ba