大棚农业监测系统设计与实践

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目前，传统的基于有线通信系统的大棚农业环境监测系统存在以下不足：一是有线通信技术虽具有设备操作性好、抗干扰能力强等优点，但是实际的应用环境潮湿、高温、土壤及空气具有较强的酸碱性，极易导致通信电缆的老化，从而降低系统的可靠性，故障发生率和误报警率较高；二是大棚农业领域的数据采集大多在广阔的空间内进行，在农业大棚生产的实际应用中，需要密布传感器节点，才能实现对监测区域的有效覆盖，导致农业设施内部的线缆纵横交错，灵活性和扩展性能差，系统安装及维护成本高［1－3］。ZigBee［4］是一种新兴的短距离、低功耗、低成本、低速率的无线网络技术，主要应用在近距离无线连接。笔者等针对目前大棚农业环境在线监测的需要，设计出基于ZigBee无线传感器网络的大棚农业监测系统的方案，可快速、可靠地实现对目标监测区域的温度、湿度和光照强度等影响农作物生长的因素进行远程采集、传输，提高农业管理的网络化和智能化水平，降低大棚管理工作量，在生产应用上具有重要意义。

1农业大棚监测系统

基于ZigBee大棚农业监测系统的总体结构主要包括网关节点、汇聚节点、传感器节点、远程客户端和服务器5个部分组成（图1）。无数网络节点机布施在大棚监测区域内，节点之间通过自组织的方式快速形成一个无线传感器网络。在传感器网络内部，每个传感器节点既是信息的采集者和发送者，又是信息的路由者［5－6］。比如监测大棚内的温度、湿度和光照强度。节点每2min进行一次环境信息的采集和监测。汇聚节点将无线网络发送的数据进行处理后经过网关将数据输送给主服务器，主服务器完成对数据的分析、存储。

2系统的硬件设计

2．1无线传感器网络节点设计

传感器节点是整个监测系统的核心部分，负责采集环境参数，并将采集到的可靠数据转发到监测网络中。无线传感器网络节点主要由微处理器模块、数据采集模块、电源及扩展接口模块和无线通信模块组成［7］。其系统结构图如图2所示。

2．1．1微处理器模块传感器网络节点是用电池供电，而且不能频繁地更换电池。因此，从低功耗、高性能的角度考虑，设计时选用市面上最先进的由英国JENNIC公司生产的JN5139。JN5139系列使用硬件MAC和安全性极高的AES编码加速器，大大降低了功耗和处理器的费用，同时提供了内置休眠计时器和节能设备以降低系统功耗［8－10］。

2．1．2数据采集模块大棚农业监测系统主要是对大棚的温度、湿度以及光照强度进行采集。通过对目前市场上现有各种传感器的精度、量程、功耗以及供电电压等性能的分析与比较，系统选用瑞士Sensirion公司生产的新一代基于CMOSensTM技术，可实现数字量输出、免调试、免标定及全呼唤功能的温湿度传感器SHT10来采集大棚环境的温湿度。SHT10的供电电压标准是2．4～5V，若用5V供电，测得消耗电流为550μA。在休眠时期电流消耗为0．3～1μA，具有功耗低、体积小、抗干扰能力强等优点。太阳光照强度采集部分采用TAOS公司生产的TSL2561［11］光强度数字转换芯片。具有低功耗、高速度和宽量程等优点。

2．1．3供电模块由于该系统中各个模块要求供电电压都比较低，2．4～3．6V就能够达到系统正工作的要求，只需选用两节5号干电池作为电源给系统中的各个模块进行供电。按15000mA／h的电池容量且每2min进行一次环境参数采集，即每隔2min对温度、湿度以及光照强度进行一次采集测量，大概工作时间为12个月，即一年内无需考虑传感器节点因供电不足而带来的其他问题。

2．2汇聚节点设计

汇聚节点的主要功能［12－13］：1）采集该点的土壤环境信息（如温度、湿度）；2）接受来自其他节点的信号；3）对信息进行整合，并根据用户需求实时显示和大容量的存储。无线传感器节点采集到大鹏室内的温度、湿度经信号调理电路预处理后，再经A／D转换器转换后送入JN5139微处理器，利用USB进行储存，且根据需要进行显示。

3软件设计

3．1Zigbee协议栈

Zigbee协议栈由一组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务，即一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务，每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供一系列的基本服务指令来完成相应的功能。IEEE802．15．4－2003标准定义了最下面两层：物理层（PHY）和介质接入控制子层（MAC），Zigbee联盟提供了网络层和应用层（APL）框架的设计。其中，应用层的框架包括应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）以及由制造商设定的应用对象。

3．2温湿度采集程序

SHT10监测大棚农业环境温、湿度信息的流程如图3所示。测量农业环境温湿度分几个步骤：1）发送“启动传输时序”，对SHT10进行初始化。2）发送控制命令字。3）等待测量转换结束，SHT10对下拉DATA数据线至低电平表示测量结束。4）传输数据的高字节。5）传输数据的低字节。6）传输校验字节。

3．3TSL2561软件设计流程及PC机程序

无线传感器网络节点将采集到的环境信息（温度、湿度、光照强度等）通过无线传感器网络传输到协调节点，再通过协调节点上的RS232串口传输给PC机（图4）。PC机在收到信息后进行运算，将运算后的结果与拟合曲线上的计算值做比较，当超出了设定的范围，PC机发出报警信号，驱动执行机构动作后自动调节大棚室内的环境（图5）。

4结论

该系统设计方案经阜新市四合区阜新农业大棚的生产应用表明，系统运行正常，未出现任何问题。验证了该设计的合理性，解决了对目标监测区域的温度、湿度和光照强度等影响农作物生长的因素进行远程采集和传输，大大减少人力的投入、降低了成本和提高了农作物产量，具有较好的生产应用价值。