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大棚农业监测系统设计与实践
大棚农业监测系统设计与实践 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ＺｉｇＢ ｅｅ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２ｍ ｉｎ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１５ ０００ｍＡ／ｈ的电池容量且每２ｍｉ ｎ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。ＩＥＥＥ８０２．１５．４－２０ ０３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。
