李玮瑶，王建玺，王巍
（平顶山学院，河南平顶山467000）
摘要：根据现代农业种植智能化的需要，设计一种基于ZigBee技术的蔬菜大棚环境监控系统。通过对传感器节点、协调器节点、路由器节点和终端控制器的硬件和软件设计，结合ZigBee传感技术实现了对棚内空气土壤温湿度、CO2浓度和光照强度等参数的无线监测和控制。该系统很好地解决了传统蔬菜大棚管理中布线难、节点移动性差和系统可扩展性差等问题，满足了蔬菜大棚中环境参数自动监测的需要，具有很强的应用推广价值。
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关键词 ：蔬菜大棚；环境监控；ZigBee；无线监测
中图分类号：TN911-34；TP393 文献标识码：A 文章编号：1004-373X（2015）12-0051-04
收稿日期：2014-12-24
基金项目：河南省重点科技攻关项目（132102210443）
0 引言
线控制技术对棚内的温度、湿度、光照、CO2浓度等条件进行实时监控，是现代农业向智能化和信息化发展的必然趋势[1]。传统监控方式一般采用离线的现场环境参数检测设备来实现大棚环境的监测，很难做到实时和在线监测，普遍存在缺乏灵活性、准确性较低，速度慢等问题[2-5]。因此，本文依照物联网3层结构，采用ZigBee无线传输技术实现数据的无线传输，使用传感器技术设计信息采集设备，利用嵌入式微处理器LPC2103 设计显示终端，设计了一种蔬菜大棚智能无线监控系统。本系统通过将信息采集设备结合嵌入式设计，保证数据实时性，降低了系统功耗。通过可移动监测终端的设计，方便了管理人员随时查看监测数据。具有可靠性高、可扩展性强、方便操作等特点，大大提高了蔬菜种植的经济和社会效益。
1 系统总体结构设计
系统主要包括3 个模块：信息采控模块、数据传输模块和控制终端模块。采用主从式无线监控原理，在棚内布置多个监测节点，实时采集环境参数，并将采集到的数据传递给分节点，由分节点进行记录显示并通过ZigBee无线网络传到大棚主节点[6]，经过数据对比分析后发送给控制终端模块。
其中，信息采控模块由传感器和微处理器组成，通过无线传感网进行采集信息的上传和控制指令的下达，传感器节点负责对棚内土壤和空气的温湿度、光照强度、CO2 浓度等数据进行采集，微处理器负责执行控制指令对卷帘电机、浇灌设备、通风设备和照明设备等调控设施控制阀门进行相应启动。数据传输模块包括无线传感网络、路由器节点和协调器节点[7]。控制终端模块包括PC控制终端和嵌入式手持监测终端。监控系统硬件结构如图1所示。
基于高性价比原则，无线传输采用Chipcon公司的CC2430的32 kB版本的ZigBee模块，该模块低功耗、低成本、处理速度快，内部具有工作电压监测和温度感知功能，适用于多种开发平台[8-9]。
传感器也是耗能单元[10]，为降低系统功耗，根据不同传感器特征进行了相应选择。光照强度传感器，选用特性参数以真实太阳光做为参考，可降低光源对传感器采集产生影响的HA2003 高精度的传感器模块[11]。湿度传感器采用体积小，可浸没、抗干扰能力强、可进行露点测试的DWS-S8模块[12-14]。CO2浓度传感器采用BMG-CO2-NDIR 传感器；温度传感器采用DS18B20 数字温度传感器。
2 系统硬件设计
2.1 无线传感网络节点硬件设计
无线传感网络节点包括负责信息采集、测量环境参数和无线发送的终端节点；负责转发网络信息、完成信息传输的路由器节点；负责收集信息、传送信息、控制网络的协调器节点。
终端节点设计如图2所示，其中传感器模块由包括温度、湿度、光照、CO2传感器构成的一组传感器和驱动电路组成。只需在CC2430 微处理器的32（RF_P）管脚和34（RF_N）管脚接震荡电路即可实现信息的无线收发[15]。
路由器节点设计如图3所示，其硬件结构与终端节点相似，不同之处在于，为了实现路由转发功能，其加入了路由表功能程序。
协调器节点设计如图4 所示。其中按键模块中有4个功能键，用以完成新建网络、允许绑定、关闭网络和复位功能，同时为确保功能键软件和硬件的独立性，除复位键连接微处理器的复位引脚外，其他3个功能键分别占用处理器的一个I/O端口。报警器电路由一个三极管和一个蜂鸣器组成。显示模块使用LCD12864 液晶显示屏，该屏具有带字库、便于操作、可交互性强等特点。电源模块为保证向CC2430处理器和LCD12864 液晶显示屏提供稳定电压，设计加入了稳压器芯片78M05，起到过热过流关断保护功能。
2.2 监测终端硬件设计
为方便工作人员随时查看监测数据，在监测终端开发时，除完成PC终端的硬件设计外，还重点进行了嵌入式手持监测终端的设计。嵌入式手持监测终端主要由32 位ARM7 系列的LPC2103 微处理器、负责人机交互的按键电路、负责数据显示和界面操作的液晶显示屏、负责与传感器节点进行无线通信，获得采集参数数据的CC2430通信单元和负责为微处理器提供实时时钟信号的晶振电路5 个部分组成。手持终端的硬件结构如图5所示。
按键电路有3个功能键，分别是选择、确认和复位，通过占用LPC2103微处理器的相应I/O端口实现。电源电路负责为CC2430通信单元和LPC2103主控制器提供稳定的工作电压，可通过USB电源或安装4节干电池2种形式进行供电CC2430 通信单元通过内部串口UART完成与LPC2103微处理器间的信息交互，采用异步串行通信协议完成传输过程，其内部通信结构见图6。
3 系统软件设计
系统软件采用IAR 软件开发环境对无线传感网中各个节点程序进行开发，采用ADS1.2开发环境完成嵌入式手持监测终端LPC2103主控制器中的程序开发。
3.1 网络节点设备软件设计
网络节点的设计主要包括终端节点、路由器节点和协调器节点。终端节点的工作流程主要为打开电源初始化硬件设备、搜索网络、请求加入网络、加入网络和上传信息至网络；协调器节点的工作流程主要为初始化硬件、新建网络、允许设备绑定和数据上传，路由器节点的工作流程主要为接收协调器指令、连接终端节点、上传数据、发送采集数据至协调器节点。
3.2 传感器节点软件设计
温度传感器与微处理器间是串行通行方式，为了确保正确读取数据，其代码编写通常采用C语言和汇编相结合的方式进行，主要的控制命令为温度转换、读暂存器、写暂存器和复制暂存器[16]。
传感器节点的代码设计为：启动温度传感器，写入命令数据44H，开始温度数据的输出；读暂存器9 位二进制数据，通过写入数据BEH 到读暂存器来实现；寄存器TH、TL 写入一个寄存器中的数据4EH；CPU 获得供电信号，设置电源的工作方式。
3.3 监测终端程序设计
这里重点对嵌入式无线手持终端的按键程序、显示程序和通信程序设计进行介绍。
按键程序主要实现主控制器LPC2103 对复位、选择、确认3个功能按键的识别和对应函数的设计。
通信程序主要通过串口方式实现芯片间的数据交互[17]，代码设计为：设置嵌入式主控制器LPC2103 中串口UART1 的波特率、奇偶校验、停止位等规则，完成串口初始化；程序进入读取状态；将读到的数据转化为ASCII 码；调用显示函数进行数据显示。
显示程序的代码设计为：读取DB7 数据端的高低电平状态，测试数据线是否处于忙状态；设置输入数据类型；设置液晶屏的引脚EN 选择端口的使能状态；关闭使能端。核心代码如下：
while（Busy（））； //测忙
IOSET=RS； //1为指令，0为数据
IOCLR=RW； //1为读，0为写
Delayyashi_ms（20）；
IOSET = EN； //0为关闭使能端，1为打开使能端
IOSET=k； //输入数据k到DATA
Delayyashi_ms（20）；
IOCLR = EN； //0为关闭，1为打开
液晶显示程序：
void Disp（uint8 y，uint8 x，uint8 i，uint8 *z）
{uint8 Address；
i（f y==1）{ Address=Ox80+x；}
i（f y==2）{ Address=0x90+x；}
i（f y==3）{ Address=0x88+x；}
i（f y==4）{ Address=0x98+x；}
Write_ Cmd（Address）；
while（i）
{Write_ Data（*（z++））；i--；}
4 温度控制算法设计
现代农业种植中，为增产高效，蔬菜大棚的面积日渐增大。对棚内温度的控制主要通过分布在不同位置的各个卷帘设备实现，所以卷帘的控制策略将直接影响到棚内温度的调控。为确保棚内温度均匀分布，设计一套温度控制算法很有必要。设将大棚分为16个区域，每个区域对应一个温度值，温度分布区域如图7所示。
设：某区域i 的局部温度值为xi；棚内实时温度状态向量为Aˉ ；温度设定值为xs；卷帘收起时间为ti；卷帘开启状态为di；开为1，关为0。
计算区域i 的实际温度与棚内温度设定值之间的差ei，区域温差值应为ei=xi-xs，计算其平方：
则每个卷帘开启时间为：
其中b 为常量系数，设定e2i 判断范围为[0，2]，当在此范围时16个区域的卷帘保持原有状。
对该温度控制算法进行仿真试验，若xs为21°，棚内16个区域的温度数据如表1所示。
经过温度控制算法处理，对卷帘设备进行调控后，16个区域温度数据如表2所示。
结果显示，使用该算法对棚内卷帘设备进行调控后，各区域温度数值叫调控前数据更接近大棚温度设定值。
5 结语
本文设计的蔬菜大棚环境监控系统实现了对棚内环境参数的实时采集和无线调控，系统通过采用Zig-Bee 技术构建无线传感网和不同型号传感器节点完成采集，从而达到保证系统的低功耗、低成本和高性能的目的。为卷帘设备控制温度设计了相应算法以确保棚内各区域温度分布的均匀性。采用嵌入式微处理器LPC2103 结合无线通信芯片CC2430 设计出了嵌入式手持终端，与传统的PC 监测终端相结合共同完成数据的实时显示。具有组网简单，使用方便，易于维护扩展等特点，很好地解决了传统有线监控系统存在的问题，具有很强的推广价值。
作者简介：李玮瑶（1982—），女，汉族，河南平顶山人，讲师，硕士研究生。研究方向为数据挖掘与算法。
王建玺（1981—），女，河南南阳人，讲师，硕士研究生。研究方向为智能决策。
王巍（1965—），男，河南南阳人，教授，硕士研究生。研究方向为嵌入式技术与物联网。
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