馮 琪，陳 光，陳澤虎

(東華大學信息科學與技術學院，上海 201620)

0 引言

近年來，溫室大棚種植技術得到了迅速的推廣和應用，它提高了作物的產(chǎn)量，解決了作物生長的季節(jié)問題。然而，溫室作物對其種植環(huán)境要求較高，怎樣對室內(nèi)的溫度、濕度及光照度等環(huán)境因子進行智能控制已成為人們正在研究和解決的重要課題。從國外引進的智能溫室大棚價格昂貴，維護費用極高，因而研制高性能的大棚監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

本文針對目前溫室價格昂貴、布線困難、功耗高的特點，設計了一個智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)。通過各個模塊的軟硬件設計以及自適應加權數(shù)據(jù)融合算法的設計，實現(xiàn)溫室內(nèi)的各個因子的檢測、無線傳輸和實時監(jiān)控。

1 智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)結構設計

1.1 系統(tǒng)總體結構

圖1 溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖

溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。MCU采用EFM32TG110，主要電路模塊［2］包括傳感器電路、電源電路、無線傳感電路。傳感器電路將實時參數(shù)發(fā)送給MCU，MCU對數(shù)據(jù)進行采集與預處理，并通過無線模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合，最終將參數(shù)通過串口在電腦上實時顯示出來，并能根據(jù)需要進行一定的調(diào)控。

1.2 單片機系統(tǒng)

單片機選用的是EFM32TG110［3］。該芯片是32位的ARM處理器，專業(yè)的低功耗芯片。最高頻率可達32 MHz。一共有5種功耗模式，其深度睡眠模式的最低功耗電流只有20 nA，具有超快的喚醒能力，電壓3.3 V。

1.3 傳感器電路

傳感器電路由光照傳感器和溫濕度復合傳感器組成。溫濕度復合傳感器采用AM2301。采用單總線。若要準確讀數(shù)，間隔時間最小是2 s。單片機采用I2C通信方式讀寫B(tài)H1750FVI，它作為本設計的光照傳感器。

1.4 無線電路

本設計中的各節(jié)點選用CC2530芯片，作為Zig-Bee模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理及ZigBee無線通信功能。拓撲結構上，本設計采用星型網(wǎng)絡，如圖2所示，1，2，3，...，n是無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點。0是星形網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器節(jié)點，能將收集到的數(shù)據(jù)最終通過串口發(fā)送給PC接收。也能將PC的指令發(fā)送給各傳感器節(jié)點，最終通過串口發(fā)送給MCU來做出決策。

1.5 電源與燈控電路

電源電路:電源芯片選TPS5430DDAR提供12 V的電壓，轉換成5 V和3.3 V。

燈控電路:此處使用繼電器JGX-3F來驅動日光燈的開斷。

1.6 上位機顯示與控制

最終輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口轉USB接口在電腦上顯示。顯示的內(nèi)容包括溫度信息(范圍0～50℃)、光照信息和串口端口選擇。如果溫度過高，將會產(chǎn)生報警。另外還可以通過選擇燈控開關來實現(xiàn)燈光的控制。

2 通訊協(xié)議

通訊協(xié)議用于實現(xiàn)上位機與下位機的通信，如表1所示。通信數(shù)據(jù)格式分為上行協(xié)議與下行協(xié)議。上行協(xié)議即MCU上傳數(shù)據(jù)的協(xié)議，上行協(xié)議的格式為首位為0xef，其次為辨識位、ID、數(shù)據(jù)高字節(jié)、數(shù)據(jù)低字節(jié)、校驗和0xfe;辨識位如表2所示，當Mcu收到下行協(xié)議之后，將溫度、光照、濕度數(shù)據(jù)封裝成上行協(xié)議，上位機對協(xié)議進行解析，當收到握手協(xié)議時說明連接成功，即可以進行轉換，根據(jù)辨識位、分離溫度、光照、濕度、燈狀態(tài)數(shù)據(jù)，當收到上報結束指令時，將數(shù)據(jù)進行顯示。下行協(xié)議是使單片機發(fā)送數(shù)據(jù)的協(xié)議，其格式為:“0xef，0xc0，0x00，0x00，0x00，0xc0，0xfe”。另外，本系統(tǒng)也可以控制光照，開關燈的協(xié)議為首位為0xef，其次為 C5、ID、00或 01(關或開)、校驗和0xfe。

表1 通信協(xié)議

表2 辨識位

3 軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件設計

系統(tǒng)單片機的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

系統(tǒng)上電之后，先進行時鐘、各I/O端口及通信端口初始化。傳感器初始化之后，MCU就開始對數(shù)據(jù)進行采集，并將數(shù)據(jù)放置在設置的緩沖區(qū)數(shù)組中。當單片機收到指令，產(chǎn)生中斷后，便對數(shù)據(jù)進行處理，并通過算術平均法，利用傳感器節(jié)點的緩存機制將多次采樣的同種類型的數(shù)據(jù)合并成一條數(shù)據(jù)信息。設節(jié)點的采樣頻率為f，可以設定，從上次接收的指令到這次接收的指令的時間間隔T，在T間隔內(nèi)，MCU共采集了 k次數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為 xq(q=1，2，...，k)。MCU計算出緩存數(shù)據(jù)的算術平均值(k)，通過MCU的串口發(fā)送給ZigBee。然后將緩存中的數(shù)據(jù)全部清除，為下一次采集N個數(shù)據(jù)做準備。

均值為:

3.2 無線通信軟件設計

圖4 傳感器及協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程圖

傳感器及協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程如圖4所示。ZigBee終端節(jié)點主要作用是傳輸MCU采集好的溫濕度，光照數(shù)據(jù)給ZigBee協(xié)調(diào)器［4］，并接收來自協(xié)調(diào)器的相關命令。該節(jié)點上電后，首先硬件初始化和協(xié)議棧初始化，搜索可用信道并加入，成功加入后進入省電模式。普通情況下，ZigBee進入低功耗模式。有數(shù)據(jù)時，采用中斷喚醒的工作機制。當有數(shù)據(jù)傳輸請求時，喚醒工作，串口接收MCU采集的數(shù)據(jù)并通過無線模塊發(fā)送ZigBee協(xié)調(diào)器，發(fā)送完后重新回到低功耗模式。

協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后，初始化芯片與協(xié)議棧，建立ZigBee網(wǎng)絡。當有節(jié)點申請加入網(wǎng)絡時，準許加入并分配一個16位的網(wǎng)絡短地址，協(xié)調(diào)器不能處于休眠狀態(tài)，如果收到來自上位機的發(fā)送數(shù)據(jù)指令，則將通過無線通信發(fā)送給終端節(jié)點，當接收到來自終端節(jié)點的數(shù)據(jù)時，將會將原來的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機，以便上位機能夠對各種數(shù)據(jù)包進行解析。

3.3 數(shù)據(jù)融合算法設計

無線傳感網(wǎng)中有很多的節(jié)點，數(shù)據(jù)融合是指將星型網(wǎng)絡中的各個傳感器的獲取值進行綜合，從而能夠減少無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，有效地減少各個節(jié)點的耗能，并且能夠消除數(shù)據(jù)采集的不確定性，提高準確度。對于數(shù)據(jù)來說，均方誤差越小，則融合值的波動越小，從而得到的數(shù)據(jù)越接近于真實值。

圖5 自適應加權數(shù)據(jù)融合模型圖

圖5是自適應加權數(shù)據(jù)融合模型圖，自適應加權數(shù)據(jù)融合算法［5］的實現(xiàn)方法是:根據(jù)傳感器節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)自適應地確定其對應的權數(shù)，以使數(shù)據(jù)融合后的均方誤差最小為條件，來求融合值。如公式(3)所示。其中W1，W2，Wi為使得方差最小的權值。各傳感器節(jié)點的采集多次的數(shù)據(jù)平均值為(k)，發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)融合后的加權平均數(shù)據(jù)融合值為:

其中，W1，W2，…，Wn的權值和為1 且有:

總均方平方和誤差δ2為:

由于式(5)為多元二次函數(shù)，有最小值，通過對其求導，就可以求得最優(yōu)加權因子為 W'i，如公式(6)。代入式(3)從而可求融合值。

4 實驗結果與分析

為了驗證該系統(tǒng)獲得融合數(shù)據(jù)的可靠性，依次對傳感器各節(jié)點進行采樣。以溫度、濕度數(shù)據(jù)為例，相等的時間為間隔，一次采樣內(nèi)，各個傳感器的數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)公式(3)和公式(5)，用加權算法得到的最終結果溫度=25.6，濕度=57.7。總體方差溫度為0.0057635，濕度為 0.166444。對比之下，用均值算法得到的平均值，溫度為25.57，濕度為56.82，其方差溫度為0.08223，濕度為0.8839?？梢园l(fā)現(xiàn)用自適應加權算法相對于均值算法來說具有更小的方差，其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性更強。

表3 溫濕度數(shù)據(jù)圖

圖6 上位機顯示圖

圖6是上位機上實時顯示的大棚內(nèi)的各項指標，可以實時顯示4個區(qū)域的值，其中包括溫度、濕度及光照，并且可以觸動按鍵從而控制繼電器以控制燈光，從而補光。最終實現(xiàn)對上述環(huán)境因素的實時監(jiān)測或控制。

由以上結果分析可得，本智能監(jiān)控系統(tǒng)不但能夠實現(xiàn)對環(huán)境因子的實時監(jiān)控，同時由于能夠有效地抑制誤差，提高了融合數(shù)據(jù)的精度，從而達到了節(jié)能的目的。

5 結束語

本文研究了智能大棚的溫度、濕度及光照等參數(shù)的采集、傳輸及監(jiān)控的原理和方法，并以EFM32TG110及CC2530芯片為核心硬件，設計了智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構，并通過數(shù)據(jù)采集、處理及通信的軟件設計以及數(shù)據(jù)融合算法的設計，實現(xiàn)了大棚內(nèi)的多點檢測、無線傳輸和實時智能監(jiān)控，具有良好的經(jīng)濟與實用價值。

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