基于ZigBee的農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張林　沈忱　張家生　崔鵬鵬　韓迎鴿

【摘 要】針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)用，提出了一種基于ZigBee的農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)來(lái)采集大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境CO2含量、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等信息，引入卡爾曼濾波算法對(duì)采集信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，再經(jīng)STM32處理后再由CDMA通信模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程終端。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee技術(shù)；卡爾曼濾波

0 引言

農(nóng)業(yè)大棚可以為人們提供反時(shí)節(jié)的蔬菜與水果，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益，但是大棚的管理很復(fù)雜，農(nóng)作物對(duì)環(huán)境的要求很高，需要人們投入很多的精力，無(wú)形中增加了大棚成本和風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)管理系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）高精度數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計(jì)所用采集設(shè)備均屬于高精度感器。

2）低功耗。當(dāng)收到數(shù)據(jù)采集指令時(shí)，才喚醒傳感器工作，采集完成時(shí)斷電，傳感器進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3）智能云服務(wù)中心。云服務(wù)中心能夠?yàn)橛脩籼峁?shù)據(jù)共享，歷史數(shù)據(jù)查詢等，便于用戶更快、更好作出控制指令。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理

系統(tǒng)具有多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)搭載各類(lèi)傳感器：紅外二氧化碳傳感器MH-Z14A、DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器GM5516。采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境CO2濃度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)匯總發(fā)送至STM32處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，為了提高測(cè)量的可信性，對(duì)采集數(shù)據(jù)引入卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，CDMA模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)電路介紹

2.1 ZigBee通信模塊CC2530

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的終端節(jié)點(diǎn)、路由器、協(xié)調(diào)器均采用CC253模塊，CC2530應(yīng)用功能豐富，本身帶有射頻功能，并且適用于低功耗的設(shè)計(jì)。CC2530最小系統(tǒng)主要包含時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG電路和無(wú)線收發(fā)電路模塊。

2.2 傳感器介紹

2.2.1 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

DHT11供電范圍是3-5.5V電壓，為了電路穩(wěn)定，需要濾波，因此可以在電源和地線之間加一個(gè)104瓷片電容，數(shù)據(jù)引腳連接MCU，用于MCU與DHT11之間進(jìn)行通訊，采用單總線數(shù)據(jù)格式。

2.2.2 MH-Z14A二氧化碳傳感器

MH-Z14A二氧化碳?xì)怏w傳感器是一種通用智能小型傳感器，利用非色散紅外（NDIR）原理對(duì)空氣中存在的CO2進(jìn)行探測(cè)，具有良好的選擇性和無(wú)氧氣依賴性，壽命長(zhǎng)。本文采用MH-Z14A串口輸出（UART），分別將傳感器的Vin-GND-RXD-TXD接至用戶的5V-GND-TXD-RXD。

2.2.3 光敏傳感器

本系統(tǒng)選擇了采用開(kāi)發(fā)板載光敏電阻GM5516作為光照強(qiáng)度測(cè)量傳感器。GM5516與R31構(gòu)成分壓電路，R31為上拉電阻，當(dāng)光照度不同時(shí)，GM5516上PS端的電壓就不同，通過(guò)檢測(cè)PS端的端電壓即可檢測(cè)到光照度。

2.3 STM32最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

STM32微控制器采用3.3V電壓供電，其最小系統(tǒng)STM32最小系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)位電路、JTAG下載電路、USB接口電路等部分。STM32 晶振電路是由25MHz的外部晶振Y1，兩個(gè)10pf的電容C4與和R19構(gòu)成，兩個(gè)電容起頻率微調(diào)和穩(wěn)頻的作用，電阻用來(lái)防止產(chǎn)生振鈴；32.768kHz的外部晶振Y2作為芯片內(nèi)部RTC時(shí)鐘源；外接3V電池VBAT作為失電備用電源，確保時(shí)間的準(zhǔn)確性；為了防止復(fù)位引腳懸空引起干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)要設(shè)計(jì)外部復(fù)位電路，復(fù)位電路中電容C3的作用是減少電源波動(dòng)；通過(guò)JTAG接口可實(shí)現(xiàn)程序的在線編程和調(diào)試，提高了程序開(kāi)發(fā)效率，縮短了軟件開(kāi)發(fā)周期。

2.4 系統(tǒng)供電管理

農(nóng)業(yè)大棚多位于城郊偏僻地帶，為了節(jié)約電能采用太陽(yáng)能和市電混合供電較為合理。太陽(yáng)能電池板的作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，送至蓄電池儲(chǔ)存，通過(guò)轉(zhuǎn)換芯片變換電壓輸出等級(jí)，從而推動(dòng)負(fù)載工作。12V主電壓通過(guò)兩路LT8610電源芯片轉(zhuǎn)化為3.7V和5V，再通過(guò)LT1962芯片和LM2941轉(zhuǎn)換為3.3V和5.3V，分別為處理器和傳感器供電。

3 軟件設(shè)計(jì)部分

該系統(tǒng)軟件工作主要有傳感器采集程序與指令控制程序。傳感器采集程序流程：初始化處理器和通信模塊，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入到低功耗狀態(tài)。當(dāng)收到檢測(cè)采集信號(hào)時(shí)，進(jìn)入到工作狀態(tài)，傳感器檢測(cè)作物生長(zhǎng)要素，經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波算法處理后發(fā)送數(shù)據(jù)。指令控制程序流程：初始化后進(jìn)入低功耗模式狀態(tài)，正常工作時(shí)有兩種方式，發(fā)送數(shù)據(jù)至云服務(wù)中心和接受用戶的控制指令。

4 卡爾曼濾波實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，假設(shè)大棚的溫度恒定是22℃，預(yù)測(cè)的值是21.5℃，誤差是1℃，傳感器測(cè)量的誤差也是1℃。引入一組數(shù)量是100個(gè)的測(cè)量值，測(cè)試過(guò)程中噪聲Q=2e-4，協(xié)方差R=0.1，初始值設(shè)置S（1）=21.5，P（1）=10，Matlab仿真圖2如下。

綠色波形是傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，紅色是經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波算法處理的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波后的最優(yōu)估計(jì)值與實(shí)際溫度更吻合，效果明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建的基于ZigBee的農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用了傳感器技術(shù)、智能控制等技術(shù)，可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平及提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。目前的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用主要難點(diǎn)是高靈敏度傳感器的研發(fā)和大范圍普及節(jié)能問(wèn)題，隨著研究的深入，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用能真正做到全智能化、無(wú)人化。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]