導語：大棚農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)設計與實踐一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

目前，傳統(tǒng)的基于有線通信系統(tǒng)的大棚農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在以下不足：一是有線通信技術雖具有設備操作性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，但是實際的應用環(huán)境潮濕、高溫、土壤及空氣具有較強的酸堿性，極易導致通信電纜的老化，從而降低系統(tǒng)的可靠性，故障發(fā)生率和誤報警率較高；二是大棚農業(yè)領域的數(shù)據采集大多在廣闊的空間內進行，在農業(yè)大棚生產的實際應用中，需要密布傳感器節(jié)點，才能實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的有效覆蓋，導致農業(yè)設施內部的線纜縱橫交錯，靈活性和擴展性能差，系統(tǒng)安裝及維護成本高［1－3］。ZigBee［4］是一種新興的短距離、低功耗、低成本、低速率的無線網絡技術，主要應用在近距離無線連接。筆者等針對目前大棚農業(yè)環(huán)境在線監(jiān)測的需要，設計出基于ZigBee無線傳感器網絡的大棚農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的方案，可快速、可靠地實現(xiàn)對目標監(jiān)測區(qū)域的溫度、濕度和光照強度等影響農作物生長的因素進行遠程采集、傳輸，提高農業(yè)管理的網絡化和智能化水平，降低大棚管理工作量，在生產應用上具有重要意義。

1農業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)

基于ZigBee大棚農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構主要包括網關節(jié)點、匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點、遠程客戶端和服務器5個部分組成（圖1）。無數(shù)網絡節(jié)點機布施在大棚監(jiān)測區(qū)域內，節(jié)點之間通過自組織的方式快速形成一個無線傳感器網絡。在傳感器網絡內部，每個傳感器節(jié)點既是信息的采集者和發(fā)送者，又是信息的路由者［5－6］。比如監(jiān)測大棚內的溫度、濕度和光照強度。節(jié)點每2min進行一次環(huán)境信息的采集和監(jiān)測。匯聚節(jié)點將無線網絡發(fā)送的數(shù)據進行處理后經過網關將數(shù)據輸送給主服務器，主服務器完成對數(shù)據的分析、存儲。

2系統(tǒng)的硬件設計

2．1無線傳感器網絡節(jié)點設計

傳感器節(jié)點是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，負責采集環(huán)境參數(shù)，并將采集到的可靠數(shù)據轉發(fā)到監(jiān)測網絡中。無線傳感器網絡節(jié)點主要由微處理器模塊、數(shù)據采集模塊、電源及擴展接口模塊和無線通信模塊組成［7］。其系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

2．1．1微處理器模塊傳感器網絡節(jié)點是用電池供電，而且不能頻繁地更換電池。因此，從低功耗、高性能的角度考慮，設計時選用市面上最先進的由英國JENNIC公司生產的JN5139。JN5139系列使用硬件MAC和安全性極高的AES編碼加速器，大大降低了功耗和處理器的費用，同時提供了內置休眠計時器和節(jié)能設備以降低系統(tǒng)功耗［8－10］。

2．1．2數(shù)據采集模塊大棚農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)主要是對大棚的溫度、濕度以及光照強度進行采集。通過對目前市場上現(xiàn)有各種傳感器的精度、量程、功耗以及供電電壓等性能的分析與比較，系統(tǒng)選用瑞士Sensirion公司生產的新一代基于CMOSensTM技術，可實現(xiàn)數(shù)字量輸出、免調試、免標定及全呼喚功能的溫濕度傳感器SHT10來采集大棚環(huán)境的溫濕度。SHT10的供電電壓標準是2．4～5V，若用5V供電，測得消耗電流為550μA。在休眠時期電流消耗為0．3～1μA，具有功耗低、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點。太陽光照強度采集部分采用TAOS公司生產的TSL2561［11］光強度數(shù)字轉換芯片。具有低功耗、高速度和寬量程等優(yōu)點。

2．1．3供電模塊由于該系統(tǒng)中各個模塊要求供電電壓都比較低，2．4～3．6V就能夠達到系統(tǒng)正工作的要求，只需選用兩節(jié)5號干電池作為電源給系統(tǒng)中的各個模塊進行供電。按15000mA／h的電池容量且每2min進行一次環(huán)境參數(shù)采集，即每隔2min對溫度、濕度以及光照強度進行一次采集測量，大概工作時間為12個月，即一年內無需考慮傳感器節(jié)點因供電不足而帶來的其他問題。

2．2匯聚節(jié)點設計

匯聚節(jié)點的主要功能［12－13］：1）采集該點的土壤環(huán)境信息（如溫度、濕度）；2）接受來自其他節(jié)點的信號；3）對信息進行整合，并根據用戶需求實時顯示和大容量的存儲。無線傳感器節(jié)點采集到大鵬室內的溫度、濕度經信號調理電路預處理后，再經A／D轉換器轉換后送入JN5139微處理器，利用USB進行儲存，且根據需要進行顯示。

3軟件設計

3．1Zigbee協(xié)議棧

Zigbee協(xié)議棧由一組子層構成，每層為其上層提供一組特定的服務，即一個數(shù)據實體提供數(shù)據傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務，每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為其上層提供服務接口，并且每個SAP提供一系列的基本服務指令來完成相應的功能。IEEE802．15．4－2003標準定義了最下面兩層：物理層（PHY）和介質接入控制子層（MAC），Zigbee聯(lián)盟提供了網絡層和應用層（APL）框架的設計。其中，應用層的框架包括應用支持子層（APS）、Zigbee設備對象（ZDO）以及由制造商設定的應用對象。

3．2溫濕度采集程序

SHT10監(jiān)測大棚農業(yè)環(huán)境溫、濕度信息的流程如圖3所示。測量農業(yè)環(huán)境溫濕度分幾個步驟：1）發(fā)送“啟動傳輸時序”，對SHT10進行初始化。2）發(fā)送控制命令字。3）等待測量轉換結束，SHT10對下拉DATA數(shù)據線至低電平表示測量結束。4）傳輸數(shù)據的高字節(jié)。5）傳輸數(shù)據的低字節(jié)。6）傳輸校驗字節(jié)。

3．3TSL2561軟件設計流程及PC機程序

無線傳感器網絡節(jié)點將采集到的環(huán)境信息（溫度、濕度、光照強度等）通過無線傳感器網絡傳輸?shù)絽f(xié)調節(jié)點，再通過協(xié)調節(jié)點上的RS232串口傳輸給PC機（圖4）。PC機在收到信息后進行運算，將運算后的結果與擬合曲線上的計算值做比較，當超出了設定的范圍，PC機發(fā)出報警信號，驅動執(zhí)行機構動作后自動調節(jié)大棚室內的環(huán)境（圖5）。

4結論

該系統(tǒng)設計方案經阜新市四合區(qū)阜新農業(yè)大棚的生產應用表明，系統(tǒng)運行正常，未出現(xiàn)任何問題。驗證了該設計的合理性，解決了對目標監(jiān)測區(qū)域的溫度、濕度和光照強度等影響農作物生長的因素進行遠程采集和傳輸，大大減少人力的投入、降低了成本和提高了農作物產量，具有較好的生產應用價值。