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      基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

      2016-02-15 14:13:00于泓博李靜輝陶佰睿
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年8期

      于泓博 李靜輝 陶佰睿

      摘要:隨著智能農(nóng)業(yè)與精細(xì)農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,特別是物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)的提出,針對(duì)目前在大棚中對(duì)各種環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就要進(jìn)行復(fù)雜繁瑣的布線的情況,為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物能夠在大棚中有適宜的生長(zhǎng)環(huán)境,同時(shí)還要達(dá)到對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的,提出1種基于北斗和ZigBee技術(shù)的溫大棚環(huán)境無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的空氣溫度、土壤濕度和光照度等指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并由LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示出測(cè)量的數(shù)據(jù),并通過北斗通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸大棚內(nèi)的參數(shù)信息,達(dá)到了對(duì)溫室花房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用,為人們管理大棚提供了很大的方便,具有廣闊的推廣價(jià)值。

      關(guān)鍵詞:大棚監(jiān)測(cè);北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);傳感器網(wǎng)絡(luò);ZigBee

      中圖分類號(hào): TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼:

      文章編號(hào):1002-1302(2016)08-0398-05

      目前農(nóng)業(yè)生物環(huán)境監(jiān)測(cè)工程十分普及,它已經(jīng)成為可使農(nóng)作物快速生長(zhǎng)、提高質(zhì)量和產(chǎn)量的重要手段,更是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要目標(biāo)之一。大棚是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施上為各種農(nóng)作物提供最佳生長(zhǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)場(chǎng)所,它能夠促進(jìn)農(nóng)作物快速生長(zhǎng),提高農(nóng)作物質(zhì)量,我國(guó)高檔農(nóng)作物大多采用的是大棚栽培技術(shù)[1],空氣溫濕度,土壤濕度、光照度等都是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要因素[2],大棚的監(jiān)測(cè)技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合,尤其是與ZigBee技術(shù)的結(jié)合,完成采集大棚中的多種環(huán)境參數(shù)的系統(tǒng),成為未來“物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的主流。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚局部的環(huán)境參數(shù)[3],最后將這些參數(shù)通過我國(guó)自行研制的北斗無線通信衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心,大棚管理員就可以根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)對(duì)大棚的各種指標(biāo)進(jìn)行及時(shí)處理,以確保溫室中的農(nóng)作物盡可能處在一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境中,這樣便能夠有效提高農(nóng)作物的成品質(zhì)量[4],從而使農(nóng)作物產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中變得更加有利,提高市場(chǎng)占有率,進(jìn)而增加生產(chǎn)者的經(jīng)濟(jì)收入。

      1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)方案

      北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯和歐盟衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后第4個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2020年左右,建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要包括北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)。由北斗與ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如圖1所示。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)組成。結(jié)合此系統(tǒng)的具體使用環(huán)境場(chǎng)合,可以多種形式組網(wǎng),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要節(jié)點(diǎn),完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的建立與管理、環(huán)境數(shù)據(jù)收集管理及連接北斗終端發(fā)送數(shù)據(jù)。其他路由、支路節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)采集并發(fā)送數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

      [FK(W13][TPYHB1.tif][FK)]

      該系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還有一個(gè)重要任務(wù),就是在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)第1次與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信時(shí),如果出現(xiàn)該通信節(jié)點(diǎn)不在其路由列表中,此時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)依據(jù)不同路徑情況,將選擇最佳匹配的網(wǎng)絡(luò)路由路徑。通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將信息匯總,通過北斗終端模塊發(fā)送給北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng),再通過地面接收站接收,在監(jiān)控中心就可以實(shí)時(shí)收到被監(jiān)測(cè)的環(huán)境信息。

      2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

      2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

      本系統(tǒng)主要包括:光照傳感器模塊、土壤濕度監(jiān)測(cè)模塊、土壤溫度檢測(cè)模塊、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、ARM主控模塊、北斗定位模塊和LCD顯示模塊組成,系統(tǒng)具體方案如圖2所示。

      主控模塊采用ARM7中STM32模塊,該芯片屬于32位的[CM(25]微控制器,主要先負(fù)責(zé)對(duì)北斗模塊和顯示模塊進(jìn)行相關(guān)初[CM)]

      [FK(W13][TPYHB2.tif][FK)]

      始化,并接收和處理ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息,處理好的信息將在LCD屏中顯示,同時(shí)北斗衛(wèi)星模塊將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至大棚環(huán)境監(jiān)控中心。由于ZigBee具有自動(dòng)組網(wǎng)功能,所以系統(tǒng)采用多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組成大規(guī)模監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),使監(jiān)控范圍增加,多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)最終匯聚到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有1個(gè),負(fù)責(zé)ZigBee無線傳感網(wǎng)的建立及維護(hù)[5]。同時(shí)接收各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù),并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給主控模塊。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集所需的測(cè)量參數(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與光照傳感器模塊、空氣溫度傳感器模塊和土壤濕度傳感器相連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中的懸浮顆粒物濃度、空氣的溫度以及土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸。本系統(tǒng)采用UM220北斗芯片模塊,完成地理坐標(biāo)定位,得到所在點(diǎn)的經(jīng)緯度,在主控模塊的控制下,將定位信息和傳感器采集大棚環(huán)境參數(shù)發(fā)送至監(jiān)控中心[6],同時(shí)這些信息將顯示到LCD屏幕上。

      2.2北斗模塊接口電路設(shè)計(jì)

      本研究采用基于雙系統(tǒng)多頻率高性能SOC芯片和芯星通UM220-Ⅲ N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊,能夠同時(shí)支持BD2、B1、GPS L1這2個(gè)頻點(diǎn)。UM220是針對(duì)車輛監(jiān)控、氣象探測(cè)和電信電力授時(shí)等應(yīng)用推出的BD2/GPS雙系統(tǒng)模塊,其工作電壓為2~3.7 V直流電,工作溫度為-40~+85 ℃,定位精度為2.5 m,是市場(chǎng)上尺寸最小的BD2/GPS模塊,集成度高,功耗低,非常適合北斗系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。作為相互通信需要,將北斗UM220的TXD2引腳連接嵌入式ARM 7模塊STM32的PA10引腳發(fā)送數(shù)據(jù),將北斗UM220的RXD2引腳連接嵌入式STM32的PA9引腳接收數(shù)據(jù)。UM220的接口電路設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

      2.3光照度采集模塊接口電路設(shè)計(jì)

      光照度采集模塊使用GY-30模塊,它采用ROHM原裝BH1750FVI芯片,供電電源為3~5 V,光照度范圍為0~655 35 lx,傳感器內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器,直接數(shù)字輸出,不區(qū)分環(huán)境光源,接近于視覺靈敏度的分光特性,可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1 lx的高精度測(cè)定,標(biāo)準(zhǔn)NXP Ⅱ C通信協(xié)議,模塊內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換,其接口電路如圖4所示。

      電路中的10 kΩ電阻主要起到分壓的作用,放大器和 10 kΩ 滑動(dòng)電阻主要是放大信號(hào)源信號(hào),104電容主要起到去耦的作用。

      2.4ZigBee模塊硬件接口設(shè)計(jì)

      本設(shè)計(jì)中,CC2530終端節(jié)點(diǎn)作為測(cè)量終端,也是任務(wù)的真正執(zhí)行者,除了具有基本的最小電路外,必須要同任務(wù)相關(guān)的DS18b20溫度傳感器、光照空氣質(zhì)量傳感器、YL-69土壤濕度傳感器相連接。終端節(jié)點(diǎn)接口電路圖如圖5所示,其中P05與YL-69的模擬輸出AO相連接,P06與光照傳感器的模擬輸出AO相連接,P07與DS18B20的數(shù)據(jù)輸出DQ相連接。在本設(shè)計(jì)中均采用采集其模擬量的辦法,并通過CC2530內(nèi)部的ADC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)功能模塊,進(jìn)行采集量從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。DS18B20采用1-WIRE通信方式,其余CC2530僅通過DQ-P07連接。節(jié)點(diǎn)通過DQ根據(jù)協(xié)議發(fā)出不同的電平變化即可操作相關(guān)寄存器,進(jìn)行初始化及讀取測(cè)量值。

      CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)因?yàn)槠渲饕蝿?wù)是建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò),并與ARM主控模塊進(jìn)行串口通信,所以協(xié)調(diào)器上并未安置其他傳感器,本設(shè)計(jì)中選用其最小系統(tǒng)電路來作為CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的基本電路設(shè)計(jì)。

      2.5濕度采集模塊接口電路設(shè)計(jì)

      YL-69土壤濕度傳感器可用于檢測(cè)土壤的水分含量,接口電路圖如圖6所示。當(dāng)土壤水分含量低到預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí),傳感器輸出一個(gè)高電平,反之輸出低電平。傳感器的比較器采用LM393芯片,工作穩(wěn)定,其工作電壓為3.3~5.0 V,靈敏度可調(diào)。

      本研究中YL-69的探頭將探測(cè)到的數(shù)據(jù)傳由LM393比較芯片進(jìn)行電壓的比較,將比較的結(jié)果通過OUT1引腳輸出至ZigBee CC2530的P0引腳。

      3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

      3.1系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案

      系統(tǒng)的軟件分為三大部分,分別是ZigBee、ARM和北斗。從上電開始,系統(tǒng)分別進(jìn)入初始化,傳感器節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度和光照度等數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,同時(shí),北斗也將其定位信息發(fā)送到ARM,ARM在解析數(shù)據(jù)后,將其顯示在LCD顯示屏幕上,系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。

      3.2北斗發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)

      北斗模塊UM220在系統(tǒng)中通過串口與ARM上位機(jī)進(jìn)行通信,并且根據(jù)要求將數(shù)據(jù)報(bào)文返回給ARM進(jìn)行處理。軟件中通過對(duì)報(bào)文進(jìn)行逐字分析來獲得對(duì)應(yīng)所需要的坐標(biāo)和發(fā)送信息,具體流程如圖8所示。

      其中初始化函數(shù)設(shè)計(jì)BD_init(),即為ARM對(duì)UM220模塊進(jìn)行初始化的函數(shù)。北斗模塊初始化的關(guān)鍵是進(jìn)行模塊復(fù)位,模塊復(fù)位需要通過串口對(duì)UM220發(fā)送復(fù)位命令,所以本設(shè)計(jì)調(diào)用串口命令,發(fā)送USART2_SendStr,來實(shí)現(xiàn)對(duì)UM220模塊進(jìn)行芯片級(jí)復(fù)位,以熱啟動(dòng)的方式進(jìn)行。

      3.3路由與終端節(jié)點(diǎn)工作流程設(shè)計(jì)

      由于系統(tǒng)外接模塊較多,所以每個(gè)功能獨(dú)立設(shè)計(jì)成子函數(shù)的形式,再由主程序依次調(diào)用每個(gè)子函數(shù),從而實(shí)現(xiàn)不同的功能[7]。在編程語言上,本研究采用適合將程序模塊化的C語言來實(shí)現(xiàn),這樣不但可以提高編程速率,也方便了各個(gè)程序之間的調(diào)用和嵌套,使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)能更穩(wěn)定地運(yùn)行下去。該系統(tǒng)中核心部分的就是路由與終端節(jié)點(diǎn)算法,此算法決定系統(tǒng)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的組成和信息的傳輸,算法流程如圖9所示。

      系統(tǒng)初始化主要是在上電后,對(duì)各個(gè)模塊完成初始化,以便之后的程序加載,首先,加載頭文件#include“MT_UART.h”來進(jìn)行串口的初始化,#inclu de“ds18b20.h”來進(jìn)行溫度傳感器DS18B20的初始化,#include“hal_adc.h”來進(jìn)行芯片內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的初始化,#include“SampleApp.h”來進(jìn)行 ZigBee 軟件的初始化,對(duì)各個(gè)采集模塊進(jìn)行宏定義,

      4結(jié)果與分析

      選取不同時(shí)間段對(duì)大田的溫度、土壤的濕度進(jìn)行測(cè)量,驗(yàn)證系統(tǒng)準(zhǔn)確度,該系統(tǒng)測(cè)得的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備計(jì)量得的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,并進(jìn)行誤差分析,具體如表1所示。

      從表1中可以看出,試驗(yàn)中分別測(cè)量了7個(gè)不同時(shí)刻的溫、濕度,對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)分析,該系統(tǒng)測(cè)量的溫濕度存在一定的誤差,溫度的相對(duì)誤差值在±2%的范圍之內(nèi),測(cè)量值比實(shí)際值偏??;濕度誤差值小于2%,測(cè)量值比實(shí)際值偏大,在傳感器的允許的范圍之內(nèi)。由以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明,系統(tǒng)誤差值在允許的誤差范圍之內(nèi),系統(tǒng)的準(zhǔn)確性達(dá)到要求。

      5結(jié)論

      本研究設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線大棚環(huán)境主要數(shù)據(jù)的采集,其中ZigBee終端可以自由組成無線傳感器網(wǎng),該網(wǎng)絡(luò)具有容量大、傳輸距離遠(yuǎn)和可擴(kuò)展等特點(diǎn),可以對(duì)大面積大棚的土壤濕度、空氣溫度、空氣質(zhì)量以及光照進(jìn)行實(shí)時(shí)性

      遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式相比,不受時(shí)間和空間的限制,從而提高管理人員的工作效率,更加及時(shí)地了解農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境。本研究采用的北斗通信技術(shù)是我國(guó)未來衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的主流,不受地域、時(shí)域和周邊環(huán)境限制,實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),系統(tǒng)具有測(cè)量誤差小、數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定以及效率高等特點(diǎn),其應(yīng)用領(lǐng)域和前景廣闊。

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