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1農(nóng)業(yè)控制設(shè)施
設(shè)施農(nóng)業(yè)是近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)環(huán)境工程技術(shù)的突破,迅速發(fā)展起來(lái)的一種集約化程度很高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)是在人為可控環(huán)境保護(hù)設(shè)施下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),擺脫了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下自然氣候、季節(jié)的制約,以超時(shí)令、反季節(jié)生產(chǎn)的設(shè)施園藝作物為主,不僅使單位面積產(chǎn)量及畜禽個(gè)體生產(chǎn)量大幅度增長(zhǎng),而且保證了農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品,尤其是蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供應(yīng)。設(shè)施農(nóng)業(yè)目前已由簡(jiǎn)易塑料大棚、溫室發(fā)展到具有人工環(huán)境控制設(shè)施的自動(dòng)化、機(jī)械化程度極高的現(xiàn)代化大型溫室和植物工廠。設(shè)施農(nóng)業(yè)在具有高附加值、高效益、高科技含量的設(shè)施園藝領(lǐng)域發(fā)展迅速,其栽培對(duì)象主要為蔬菜、花卉和果樹(shù)。近年來(lái),設(shè)施畜牧業(yè)、設(shè)施水產(chǎn)養(yǎng)殖也在逐漸興起。國(guó)外對(duì)溫室環(huán)境控制技術(shù)研究較早,始于上世紀(jì)70年代。先是采用模擬式的組合儀表,采集現(xiàn)場(chǎng)信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng),現(xiàn)階段開(kāi)發(fā)和研究集中于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)、多數(shù)據(jù)融合技術(shù)等[1,2]。目前,世界各國(guó)的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快,一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展。鑒于此,本文提出了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)是在片上系統(tǒng)(SOC,SystemonChip)、微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、無(wú)線通信和低功耗嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展形成新型應(yīng)用技術(shù),融合了傳感器技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化,具有隨機(jī)部署、自組織、分布式結(jié)構(gòu)、等特點(diǎn)、智能型、健壯性、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3,4]。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點(diǎn)(sink)、傳感器節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)組成。其中,網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)各節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)的收集、處理及與外網(wǎng)的通信,作為數(shù)據(jù)采集的傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)網(wǎng)關(guān)的請(qǐng)求,搜集周圍的信息,如溫度、濕度等;同時(shí)還要兼具有路由功能,通過(guò)路由協(xié)議直接或者通過(guò)作為多跳中轉(zhuǎn)者的節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)到sink節(jié)點(diǎn),再借助臨時(shí)建立的sink鏈路把整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程中心;管理節(jié)點(diǎn)接收各點(diǎn)數(shù)據(jù),進(jìn)行分析和處理。各節(jié)點(diǎn)采用撒播、人工埋置等方式隨意散落在監(jiān)控區(qū)域,并自組織成網(wǎng)絡(luò)。
3硬件設(shè)計(jì)
該監(jiān)控系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、管理節(jié)點(diǎn)及各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成,各傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的獲取及傳送,管理節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示獲得的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理,結(jié)合農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)對(duì)相關(guān)量進(jìn)行控制。
3.1傳感器節(jié)點(diǎn)
傳感器節(jié)點(diǎn)之間通信采用基于Zigbee技術(shù)的CC2530芯片實(shí)現(xiàn)(圖3所示)。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種短距離的無(wú)線通信技術(shù),具有低功耗、低速率、低成本、低復(fù)雜度等特點(diǎn)。Zigbee遵循開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型,協(xié)議棧包括物理層、媒質(zhì)訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,支持自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù);通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到2km,并且支持無(wú)限擴(kuò)展;工作頻率為2.4GHz和868/928MHz,主要面向消費(fèi)電子、家居和樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)外設(shè)、醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。CC2530是TI公司生產(chǎn)的一款基于具有SOC(片上系統(tǒng)),支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn),芯片集成了2.4GHz直接序列擴(kuò)頻RF收發(fā)器、工業(yè)級(jí)增強(qiáng)型805l微處理核、高達(dá)256KB閃存、8KBRAM、8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器,2個(gè)USART接口,21個(gè)通用接口GPIO等,四種供電模式,具有較高的無(wú)線接收靈敏度和抗干擾性能,傳輸距離大于75m,最高傳輸速率250Kbps。CC2530工作溫度為-40℃~+125℃,工作電壓2.0~3.6V,休眠時(shí)功耗電流可降低到0.6μA[6]。電源模塊由可充電電池、太陽(yáng)能電池和電源管理單元構(gòu)成,確保各節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。
3.2網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點(diǎn)
網(wǎng)關(guān)/匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖4所示,RS232接口與DM9161芯片[7]連接,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入;顯示模塊用于通信流量、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè),便于網(wǎng)絡(luò)安裝調(diào)試和故障診斷。
3.3檢測(cè)參數(shù)及傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置
設(shè)施農(nóng)業(yè)中檢測(cè)的參數(shù)有溫度、濕度、光照度、CO2、土壤水分、土壤溫度、土壤養(yǎng)分、各種被控對(duì)象的開(kāi)關(guān)量等。由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用電池供電,傳感器選擇時(shí)要考慮功耗等因素;另外,不同參數(shù)在測(cè)點(diǎn)分布及數(shù)量配置不盡相同,在設(shè)置節(jié)點(diǎn)時(shí)可適當(dāng)整合,在滿足要求的情況下提高復(fù)用率,具體如下:①溫、濕度節(jié)點(diǎn):用于溫室溫、濕度監(jiān)測(cè),溫度傳感器選用單總線數(shù)字式DS18B20,測(cè)溫范圍為-55℃~+125℃,精度±0.5℃,分辨力最高達(dá)±0.0625℃,響應(yīng)時(shí)間<1s。濕度傳感器選擇頻率輸出濕度模塊HF3226,HF3226采用濕敏電容HS1101設(shè)計(jì)制造,具有寬量程:10~95%RH,性能穩(wěn)定,體積小,比例線性的頻率輸出,精度±5%RH,工作溫度范圍–40~80℃。②光照度、CO2節(jié)點(diǎn):傳感器采用PD-LL,測(cè)量范圍0-20000lux,精度:±2%。CO2傳感器選擇TGS4160固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件,測(cè)量范圍:0~5000ppm;加熱器電壓:5.0±0.2VDC;加熱器電流:250mA;加熱器功耗:1.25W;使用溫度:-10~+50℃。③土壤溫度、水分、養(yǎng)分節(jié)點(diǎn):土壤水分傳感器選擇AQUA-TEL,適用于測(cè)量任何類型土壤的體積含水量,測(cè)量范圍:0-100%,誤差<3%,重復(fù)性誤差<1%;土壤養(yǎng)分的測(cè)定包括土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、氮、磷、鉀以及交換性鈣和鎂的檢測(cè),可采用離子、生物傳感器。④開(kāi)關(guān)量節(jié)點(diǎn):包括天窗、濕簾、噴灌等狀態(tài)檢測(cè),提供控制系統(tǒng)輔助信息,可用接近開(kāi)關(guān)或光電開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。
4軟件設(shè)計(jì)
4.1監(jiān)控系統(tǒng)軟件
監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),基于VC++6.0編寫(xiě),采用數(shù)據(jù)庫(kù)操作方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取,并對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行控制。系統(tǒng)分為通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理及歷史記錄查詢模塊、農(nóng)業(yè)專家決策系統(tǒng)和控制模塊。
4.2傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)的主要工作是數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)連接并承擔(dān)部分路由功能,保持與臨近節(jié)點(diǎn)的通信,檢測(cè)鏈路狀態(tài)等。為降低網(wǎng)絡(luò)的平均功耗、實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)組網(wǎng),可采用LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)自適應(yīng)的分簇拓?fù)渌惴╗8],選舉產(chǎn)生簇頭,由簇頭簇區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)收集和融合并傳送至匯聚節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)路由選擇等工作。簇頭可動(dòng)態(tài)產(chǎn)生。
5結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了傳感器技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),各傳感器分工協(xié)作,自主組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化,具有隨機(jī)部署、自組織、分布式結(jié)構(gòu)、智能型、健壯性、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。ZigBee是一種新興的短距離、低成本和低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),相比于WiFi、Bluetooth等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),ZigBee協(xié)議的復(fù)雜度大大降低?;赯igBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、易擴(kuò)展、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。文章提出了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案,順應(yīng)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì),具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。如果對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)稍加修改,重新配置,可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。