智能溫室大棚系統(tǒng)設計

智能溫室大棚系統(tǒng)設計農業(yè)物聯網是結合了當代自動控制、農業(yè)生物學、計算機網絡等多種技術的綜合性應用。文章設計的溫室大棚智能系統(tǒng)，完成了基于Zigbee技術的溫室大棚智能系統(tǒng)的軟硬件設計，實現了對大棚內各項環(huán)境參數的實時采集，無線傳輸和閉環(huán)控制。本系統(tǒng)的無線數據采集節(jié)點對植物生長環(huán)境中比較重要的空氣溫、濕度、光照強度、土壤濕度等數據進行實時采集。由Zigbee協(xié)調器構建一個拓撲結構為星型的Zigbee網絡實現采集數據的無線傳輸，Zigbee網絡的協(xié)調器模塊作為總控制器，根據系統(tǒng)設置的環(huán)境閾值對相應的執(zhí)行機構進行控制。標簽：農業(yè)物聯網；溫室大棚；無線網絡傳輸1概述農業(yè)物聯網技術在溫室大棚系統(tǒng)之中，利用各種傳感器設備，例如：光照傳感器、PH值傳感器、溫濕度傳感器、CO2傳感器對環(huán)境中的光照強度、PH值、溫濕度、CO2濃度這些物理量參數進行檢測，然后利用各種儀表儀器進行實時的顯示或者作為參數變量參與系統(tǒng)的自動控制，以保證溫室大棚系統(tǒng)內有一個適宜的、良好的環(huán)境給農作物生長。在遠程控制模塊中，技術人員可以在控制室內檢測以及控制多個大棚的環(huán)境。農作物生長條件是通過無線網絡進行測量的，這樣就可以給精確的調控溫室環(huán)境提供可靠的科學依據，從而達到調節(jié)生長周期、改善品質、增加產量、提高農作物的經濟效益的目的[1]。2系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)由協(xié)調器節(jié)點創(chuàng)建無線網絡，并接受來自傳感器子節(jié)點的Zigbee模塊的采集數據，通過對數據的處理向控制器子節(jié)點發(fā)送控制信息。其中傳感器節(jié)點與單片機MSP430和STM8通過串口連接實現數據的發(fā)送，單片機對相應的傳感器采集到的模擬量或者讀取的數字量進行處理后發(fā)送給Zigbee模塊?？刂破鞴?jié)點也通過串口與單片機實現數據收發(fā)，單片機通過對I/O口的控制驅動直流電機等執(zhí)行器[2]。2.1終端節(jié)點傳感器模塊硬件設計根據對大棚控制的要求，系統(tǒng)需要采集大棚溫濕度、光照以及地面濕度這些參數，所以我們需要利用到光照傳感器、溫濕度傳感器、地面濕度傳感器與微型控制器[3]。我們采用的光照傳感器模塊是以光敏電阻為主的傳感器。它是基于敏電阻內光電效應的工作原理，當周圍光線變弱時引起光敏電阻的阻值增加，光敏電阻兩端電壓增大，R4兩端電壓減小。周圍的光線變強時引起光敏電阻的阻值減小，光敏電阻兩端電壓減小，R4兩端電壓增大[4]。溫濕度傳感器選擇使用了DHT22，DHT22采樣周期間隔時間不得低于2S。DATA數據接口為單總線接口，用于微控制器與模塊的通訊與同步，采用單總線數據格式，一次通訊時間大約為5ms，輸出數據為40個bit位并且高位先出。土壤濕度傳感器模塊由一個LM393低功率低失調電壓雙比較器為主體。文章選擇了STM8S103F3基礎性微控制器，STM8具有3級流水線的哈佛結構，該MCU內部高度集成了內部時鐘振蕩器，3V-5.5V的寬工作電壓。然而相對于其他的8位MCUSTM8最高fcpu頻率可以達到24MHZ，當cpu小于或等于16MHZ時為0，等待的存儲器訪問。2.2終端節(jié)點執(zhí)行器節(jié)點硬件設計本系統(tǒng)中的執(zhí)行器包括步進電機、直流電機、LED燈、水泵四個。步進電機帶動大棚頂部的卷簾，當棚內溫度低時拉上卷簾避免溫度過低，直流電機帶動葉片，可以保持棚內空氣流通，當土壤濕度不夠時開啟水泵實現自動灌溉，光照強度不足時開啟LED燈補充光照[5]。文章用到了水泵來調節(jié)土壤的濕度，風扇用來增加空氣對流，降溫等目的。對于水泵和風扇的驅動都選擇了L9110驅動芯片，L9110有低靜態(tài)工作電流寬電源電壓（范圍為2.5V至12V），每條通道都具有800mA連續(xù)電流輸出的能力以及較低的飽和壓降，兼容TTL/CMOS輸出電平，可直接連接到CPU的IO引腳，輸出內置鉗位二極管，比較適用于感性負載，控制和驅動集成于單片IC內部，具有管腳高壓保護等功能。2.3Zigbee模塊硬件設計本系統(tǒng)選擇CC2530作為Zigbee模塊的主要芯片，CC2530芯片集成了實時時鐘，兩個可編程USART，用于主/從SPI或者UART操作，上電復位，可編程看門狗等。CC2530在單個芯片上整合了Zigbee射頻前端，內存和微控制器，使用1個8位MCU（8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM。電源電路核心芯片是LM1117，LM1117是一個低壓差電壓調節(jié)芯片，它的壓差在輸出負載電流為800mA時為1.2V。LM1117可以提供電流限制和熱保護，電路包含了1個齊納調節(jié)的帶隙參考電壓，以確保輸出電壓的精度在正負1%之內。LM1117主要應用于開關DC/DC轉換器的主調壓器，電池充電器以及電池供電裝置等方面，文章主要用LM1117作為開關DC/DC轉換器的主調壓器實現直流5V到流3.3V的轉換。3系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)主要涉及到STM8、MSP430G2553和CC2530三個MCU的程序編寫，其中STM8主要用于處理傳感器模塊，而CC2530用于建立Zigbee網絡及無線數據收發(fā)MSP430G2553主要用來控制電機，水泵等執(zhí)行器。STM8與CC2530程序的編寫基于IAR編譯環(huán)境MSP430基于CCS環(huán)境。STM8的程序主要以庫的形式編寫，STM8為16MHZ，8位低功耗單片機，2.95到5.5V的工作電壓范圍，10位AD模數轉換器，最多5路通道，支持掃描模式。帶有同步時鐘輸出的UART等功能。本系統(tǒng)中設計到的三個傳感器分別為溫濕度傳感器、光照強度傳感器和土壤濕度傳感器，然而三個傳感器中光照強度和土壤濕度傳感器都需要用到單片機的AD轉。Zigbee網絡的建立由協(xié)調器發(fā)起，網絡協(xié)調器是整個網絡的中心，主要有建立、管理、維持網絡以及分配終端節(jié)點的十六位短網絡地址等功能，因此協(xié)調器也被認為是Zigbee網絡的大腦。文章選擇星型拓撲結構，這種拓撲結構的特點在于Zigbee網絡中協(xié)調器是唯一的，考慮到溫室大棚的監(jiān)控區(qū)域性，所以選擇星型拓撲結構比較合適。星型拓撲結構中，所有終端設備只可以和協(xié)調器之間進行通信，節(jié)點之間的通訊需要通過協(xié)調器中轉。建立星型網絡的過程中，協(xié)調器是作為發(fā)起設備，協(xié)調器被激活后，它就建立起網絡，并作為PAN協(xié)調器，路由設備和終端設備可以選擇PAN標識符加入網絡，不同PAN標識符的星型網絡中的設備之間不能通訊。協(xié)調器與按鍵模塊通過窗口相連，一旦協(xié)調器收到來自按鍵模塊的信息就調用回調函數將對應的信息發(fā)送至終端執(zhí)行器節(jié)點。4結束語文章設計的采用Zigbee無線傳感器網絡技術開發(fā)的經濟型大棚智能測控系統(tǒng)，是一種集監(jiān)、控、管于一體的大棚溫室智能化監(jiān)控設施，結合了計算機自控技術，為作物創(chuàng)造相對于傳統(tǒng)農業(yè)更好的生長條件，避免了外界四季變化和惡劣氣候的影響，以達到促進生長發(fā)育，并提高農作物質量、產值產量，提高土地的使用率，實現資源的節(jié)約等目的。溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，所以得到了迅速的推廣和應用。參考文獻[1]青島東合信息技術有限公司.Zigbee開發(fā)技術及實踐[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014.[2]陶平.基于Zigbee的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].四川：西華大學，2012