基于無線傳感器的分簇溫室大棚監(jiān)控

引 言

伴隨著時代的發(fā)展，人們對于生活質(zhì)量要求更高，反季節(jié)水果和蔬菜受到人們的歡迎。在上世紀(jì) 80 年代，很多農(nóng)村開始興起溫室大棚，一直到現(xiàn)在，很多的溫室大棚依然是人工管理的耕作模式，人們自己搭建和管理，這種方式耗費了大量的人力和財力，并且受到一些規(guī)模的限制，對此農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化應(yīng)運而生。人們能夠通過在溫室大棚中使用傳感器來實時的監(jiān)測大棚環(huán)境，再用ZigBee 模塊搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，自組網(wǎng)以后，能通過 ZigBee 模塊做為協(xié)調(diào)器來發(fā)送數(shù)據(jù)到PC 機上， 在PC 機上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和反饋。

外部的自然環(huán)境對農(nóng)作物的影響很大，溫室的內(nèi)部溫度、空氣中的濕度、太陽的光照強度和溫室內(nèi)的二氧化碳濃度等都能影響作物的生長時間和產(chǎn)量。在溫室控制領(lǐng)域，室溫控制、二氧化碳濃度的控制、水肥控制、通風(fēng)控制、灌溉控制以及光照補償控制等都有很高的自動化管理。

在最近的幾十年，我國也在強調(diào)自動化管理的研究和應(yīng)用，通過對于發(fā)達(dá)國家技術(shù)的借鑒和自主創(chuàng)新，我們國家的自動化管理和監(jiān)控技術(shù)有了很大的提高。但是在高海拔地區(qū)自動化管理的應(yīng)用受到了限制，為了能更好服務(wù)于西藏地區(qū)，自動化技術(shù)的普及是很有必要的。

1 硬件設(shè)計

1.1 無線傳感器的應(yīng)用

無線傳感器的發(fā)展是迅速的，在很多領(lǐng)域都能搜尋到它們的蹤跡，如環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)生產(chǎn)等[1]。傳感器能夠感應(yīng)到周圍環(huán)境的參數(shù)，并且能夠處理這些參數(shù)，把數(shù)據(jù)傳輸出去。傳感器的體型很小，并且很節(jié)能，能很好的跟無線技術(shù)結(jié)合。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室大棚的環(huán)境調(diào)整中得到實際的應(yīng)用，PC 機能夠?qū)崟r的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且能處理和反饋這些數(shù)據(jù)， 用戶能很好的監(jiān)控溫室環(huán)境，圖 1 所示是一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖。

本課題采用TI 公司生產(chǎn)的 cc2430 做為ZigBee 芯片[2]， 芯片包含了Z-Stack 和其它協(xié)議的所有規(guī)則，擁有協(xié)議棧。所有節(jié)點分為傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點兩種。

1.2 分簇設(shè)計方法

通過分簇法把環(huán)境分為三個區(qū)域 ：熱帶區(qū)，寒帶區(qū)和溫帶區(qū)。熱帶區(qū)主要是南方的一些水果和蔬菜，或者其它作物， 這個區(qū)域的環(huán)境是要求光照強，空氣濕潤 ；寒帶區(qū)主要是北方的一些作物，這個區(qū)域的環(huán)境要求溫度要保持在一定的范圍，而且空氣比較干燥，CO2 濃度低 ；溫帶區(qū)主要是中部的一些作物的生長，需要根據(jù)作物不同的季節(jié)，來合理的調(diào)節(jié)一些標(biāo)準(zhǔn)，使得作物能正常的生長。

分簇法是讓不同區(qū)域的作物分配到不同是溫室中，在每個區(qū)域都有一個ZigBee 協(xié)調(diào)器來傳輸數(shù)據(jù)，在主機界面上會有每個區(qū)域的管理平臺和數(shù)據(jù)處理機制，這樣能很好的監(jiān)控作物的生長。圖 2 所示為分簇法的總體設(shè)計圖。

2 采集終端的設(shè)計

采集終端可使整個監(jiān)測系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)的正常傳輸，體現(xiàn)了監(jiān)測功能的正常工作。采集方式是通過無線傳感器節(jié)點來完成。傳感器芯片的選擇很重要，既要做到功耗低，價格便宜，也要在意采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度和一些其他因素。寒帶區(qū)的傳感器選擇溫度主要是－ 30℃～ 45℃之間變化，而熱帶區(qū)是－ 10℃～ 80℃之間變化，溫帶區(qū)是－ 20℃～ 60℃之間變化。

采集模型的終端是溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照強度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號通過無線發(fā)送模塊傳遞給PC 機。

傳感器的選擇，溫度是影響作物生長的重要因素，根據(jù)不同的環(huán)境可以選擇不同的傳感器，我們選擇 AD590 作為溫度傳感器，AD590 能夠容忍加載正向最大 44 V 的電壓，反向 20 V 的最大電壓，傳感器不容易因電壓的過大而損壞 [3]。AD590 不需要精密電壓放大器、線性化電路、電阻測量電路和冷結(jié)補償，還不容易受到外界的干擾、傳輸較遠(yuǎn)的距離進(jìn)行測量溫度。

濕度與作物的生長也息息相關(guān)，電阻式濕度傳感器，它的上面有一層感濕材料薄膜，它會吸附空氣中的水分，從而影響電阻值發(fā)生變化，空氣的濕度可以通過電阻的變化而體現(xiàn)出來。電容式傳感器是采用一種高分子薄膜。隨著空氣中水分的變化，吸附在濕敏電容表面的高分子材料上的水蒸汽含量會發(fā)生變化，從而使得電容值改變，進(jìn)而體現(xiàn)空氣濕度的變化 [4]。

CO2 存在于空氣中，對于一個密封的溫室環(huán)境，作物不斷進(jìn)行光合作用，使得二氧化碳的濃度和室外有很大的差別。理想的二氧化碳濃度能夠促進(jìn)幼苗根系的生長，增強作物的生命力和增加產(chǎn)量。透過CO2濃度檢測值的吸收光譜的處理產(chǎn)生的值來轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號，數(shù)字濾波，經(jīng)過放大電路后， 最后發(fā)送到單片機，經(jīng)溫度補償以后，由單片機系統(tǒng)傳遞出去。

光照是光合作用的條件，因此，對作物的生長也很重要。光照傳感器采用高端光電轉(zhuǎn)換模塊，把光照強度值轉(zhuǎn)換為電壓值（0 ～2 V）或者電流值（4 ～20 mA）。

采集完以上四種數(shù)據(jù)以后，進(jìn)行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變，發(fā)送到單片機。

3 測試結(jié)果分析

在終端數(shù)據(jù)采集的測試中，精準(zhǔn)性是最重要的，就是說遠(yuǎn)程接收的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的誤差，本設(shè)計中監(jiān)測四個參數(shù)： 溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度。每個參數(shù)用 3 個區(qū)域為選定對象，每個區(qū)域放置兩個傳感器，每個傳感器發(fā)送兩次數(shù)據(jù)，間隔時間為一個小時。其測試結(jié)果如表 1 所列。

精度靈敏的數(shù)字溫度計按照相同的分布和同樣的時間給出的實測值如表 2 所列。

通過比較得知其誤差范圍在5% 以內(nèi)，是允許的誤差范圍， 這里只舉出溫度的數(shù)據(jù)表格，其他參數(shù)也是誤差在 5% 以內(nèi)， 符合要求。

4 結(jié) 語

本文通過在高海拔地區(qū)溫室大棚的實際應(yīng)用，解決了西藏地區(qū)一直以來不能吃到新鮮蔬菜和水果的問題，使得西藏地區(qū)的物價水平有了一定的降低，方便了本地人們的生活。希望下一步能夠很好的普及在西藏地區(qū)，讓更多的人得到實惠。