基于WSN的温室大棚信息采集智能化监测系统研究

摘要：针对农业现代化中信息采集智能化监测的问题，提出以无线传感网络技术为基础的大棚监测系统。以CC2530为核心芯片，选取光照传感器、温湿度传感器、CO2传感器设计系统的硬件；以Z-Stack协议栈为基础搭建无线传感网络，并实现相应的控制策略；以光伏发电为监测装置提供电源；以RS485实现对监测数据的上位机传输；以GSM实现对非正常数据的信息告警。试验结果表明，所设计的系统能够有效完成对相关数据的监测。

关键词：农业现代化；信息；采集；监测；系统；WSN

中图分类号：TP274.4 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）08-0027-06

温室大棚作为高质量蔬菜的生产基地得到了迅速发展。温室大棚内作物的生长状况主要与大棚内温湿度、光照强度、CO2浓度等因素息息相关。传统的大棚内环境信息的采集主要依靠人工定时持相关测量工具获取相关数据或通过预先布线的方式进行有线采集。人工定时采集存在时效性低、作业强度大、成本高、数据精确度低等问题；预先布线方式因受地理位置、空间大小等影响也有一定的局限性。因此，本研究设计一种基于WSN的大棚温湿度、光照强度、CO2浓度的在线监测系统。ZigBee属于一种无线通信网络技术，具有低能耗及成本、高可靠性和较大的网络容量等特点，其工作频段和组网结构非常灵活，传输距离较远，将该技术与传感技术进行融合，可组建无线传感网络，能够实现对各种网络数据的采集与传输，非常适合应用于大棚环境监测中。

1 系统架构设计

系统主要由终端数据采集设备、网关（数据汇集设备）、监控终端三部分组成。终端数据采集设备负责对大棚内的光照强度、温湿度、CO2浓度进行采集，并将采集的各类数据通过Zigbee网络传输至网关，网关再将收集的数据以RS485通信方式传输至监控终端，并将非正常数据通过短信传输至手机终端进行信息告警。系统的架构设计如图1所示。

1.1 终端数据采集设备的硬件功能实现

终端数据采集设备的主要功能是实现光照强度、温湿度、CO2浓度的采集，并负责将采集的数据传输至网关设备。终端数据采集设备硬件结构框图如图2所示。系统光照强度采集选用BH1750数字式光照传感器，其内置16位的A/D转换器，可直接输出数字信号，精度高，测量范围在0～65 535 Lx；溫湿度采集选用DHT21传感器，其是一款数字式传感器，内部包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，具有测量精度高、响应快、抗干扰能力强等特点；CO2浓度采集选用MH-Z14A传感器，其内置温度补偿，灵敏度高、功耗低，提供UART口，可数字输出CO2浓度值，具有较高的性价比。

在本系统中选用CC2530作为终端采集设备的主控芯片。该芯片具有较高的集成度和灵敏度，最大发射功率和存储量较大，其内部结合了一个8位增强型8051微处理器以及高性能的2.4 G直接射频收发器核心，同时集成了UART和A/D等常用外部设备。由于数据采集设备安装在温室大棚内，发送数据的周期和数量不是很大，且通信距离都较近，不用外加增强型发射芯片，因此选用成本较低的PCB天线。

终端采集设备的核心芯片外围电路设计如图3所示。核心芯片外围电路中的电容C4和C8作为晶体振荡电路，为CC2530收发数据提供时钟；R1是偏置电阻，为晶体振荡电路提供合适的工作电流；C2和C3所组成的晶体振荡电路，为采集设备的睡眠提供时钟；整个外接电路射频部分采用非平衡天线，其主要目的是将差分电路信号转换为单端信号，其中电容和电感组成的巴伦电路主要用于对天线性能的优化；电路中设计的π型阻抗匹配电路可调节电路的品质因数，使电路具备更高的灵活性。PCB天线的设计尺寸见表1，其尺寸示意图如图4所示。带有PCB天线的电路板如图5所示，网关设备因数据流量较大，采用鞭状天线。

1.2 终端数据采集设备的电源

ZigBee设备可实现在低功耗状态下休眠，耗电量较小，在终端数据采集设备电源的设计中原本只需采用电池供电即可，但考虑到大棚内光照强度不足时作物生长可能会受到影响，故本系统加装了40 W，19.0 V的SUNPOWER太阳能电池板进行光伏发电，存储能量，在光照不足时为大棚内作物提供足够的光照强度。太阳能光伏发电及变电的原理如图6所示。

由于太阳能光伏发电所得电能稳定性不佳，故将所得电流依次经过前端冲击保护模块、整流滤波模块、降压模块以及DC/DC模块形成采集设备所需电压。当电能较为充沛时，可通过电池的充放电来给移动电源充电储能，以便在光照强度不足时给大棚内作物进行人工照明。电路中前端保护模块由瞬态电压抑制TVS二极管D1和D2以及电容C1组成，用于快速吸收前端饱和时所产生的脉冲尖峰，对高频能量进行缓冲；整流滤波模块由二极管D3～D6所组成的整流桥和电解电容C2与C3构成，用于实现交流到直流的转换及滤除谐波；降压模块由电阻R1与R2和电压转化芯片构成，可实现将19.0 V电压转化为3.3 V电压的功能；DC/DC模块由电容C4与C5和电解电容C8以及二极管D7构成，用于输出稳定的直流 3.3 V电压。

1.3 网关硬件设计

网关设备主要负责接收终端设备采集的光照强度、温湿度、CO2浓度数据，并将采集的数据在LCD上进行显示，同时将采集的数据打包后以一定的格式通过RS485传输至上位机监测终端，一旦采集的某一数据超过或低于既定的阈值，网关设备就会进行蜂鸣报警，并通过GSM通信模块将详细信息传输至指定的手机终端，提醒工作人员进行处理。网关设备硬件主要由天线模块、电源模块、LCD显示模块、RS485数据传输模块、蜂鸣报警模块以及GSM模块构成，如图7所示。

1.3.1 RS485数据传输模块 为构建农业信息一体化平台，实现数据共享，本系统在网关设备设计时加入了RS485数据传输模块，可有效提高数据传输的稳定性和可靠性。该接口电路采用差分方式传输数据，采用同相端A和反相端B两根双绞线进行数据传输，接口驱动芯片采用周立功RSM3485CHT，一条总线上至少可挂接32个网关设备，可将获取的数据稳定地传输至监控中心，当数据传输至上位机监控中心时则需要使用RS485转RS232进行转换，便于上位机进行读取。

RSM3485CHT与CC2530的接口电路如图8所示。485_RXD和485_TXD分别连接至CC2530的P0_4与P0_5，用于进行数据的接收与发送；485_EN与CC2530的一个I/O口管脚连接，用于实现该芯片的数据收发功能。C43为电源滤波电容。A+和B-接外部485总线，由于在实际应用中485差分传输存在差分匹配问题，当高速率或长距离传输时电路可能会出现回波干扰，因此在同相端A和反相端B之间连接1个120 Ω的匹配电阻R32，用于降低传输线路上信号的反射，增强电路的稳定性。

1.3.2 GSM模块 当数据传输至网关后，会分别进行汇总，同时将汇总的数据与既定的阈值进行对比，一旦某一测量数据异常，系统会自动进行蜂鸣报警，并将自动生产的报警信息通过GSM模块发送至指定的手机终端，便于进行故障排除。选用的GSM模块是GTM900C，其最高耐温80 ℃，通过标准的UART口进行连接，支持标准SMS短信和AT命令及增强AT命令，具有一个USB接口和一个RS232接口，易于和设备进行通信。

2 系统软件设计

本系统采用支持C语言的IAR Embedded Workbench（IAR）作为软件开发平台，其内嵌基于操作系统构建的Z-Stack协议栈，可优化紧凑代码，节省硬件资源。考虑到后期网络的拓展性，采用ZigBee经典的簇树状网络结构，该种结构适合应用于覆盖范围相对较大的场合，可实现网络内的多跳传输，有效解决了由于低功耗射频收发器所导致的网络覆盖面积小的问题。系统软件由终端采集设备和网关软件两部分组成。

2.1 终端采集设备软件设计

终端采集设备的主要任务是加入网关所建立的网络中，并周期性地轮询完成对光照强度、温湿度、CO2浓度等数据的采集和发送。终端采集设备上电后，会进行一系列的初始化工作，完成各种参数的配置、工作模式设置和寄存器设置，然后搜索网络并加入。完成这些工作后，终端采集设备便会进入休眠状态，然后每隔一段时间（20 s）由定时器唤醒设备进行数据采集，并将采集的数据按既定格式封装后发送至网关。一旦数据发送结束，采集设备又会进入休眠状态，等待下一次定时器中断请求将其唤醒。终端采集设备工作基本流程如图9所示。

2.2 网关软件设计

网关是网络的控制中心，当其上电复位后，首先会对系统硬件模块和软件架构进行初始化，选择一条合适的信道，创建一个网络，然后进入无线网络监听状态，并对监听得到的数据包进行判断，判断接收数据包是入网请求还是数据传输请求，并针对不同的请求进行相应的处理，同时将所接收到的数据以RS485传输至监控终端，否则继续进入网络监听状态。网关设备工作流程如图10所示。

2.3 控制策略的实现

整个电控系统由光伏组件、传感器模块、进水压力检测模块、电磁阀控制模块组成。光伏发电组件可为整个系统提供充足的电能，系统一旦监测到大棚内光照强度不足时，可通过控制器自动打开光源为农作物进行人工增光；当大棚内温度过高时，系统会通过电磁阀控制器将风扇开启加快空气流动，为大棚降温；当湿度不足时，控制系统会将喷雾装置打开，为大棚内作物增加湿度。系统中由于为大棚内作物进行动作的次数不是很多，因此选用常闭电磁阀。系统启动后会载入自动策略控制模式，根据监测结果判断是否进行相应的动作，如果发现控制模块有异常，则会通过GSM短信发送至指定的手机终端。控制策略基本流程如图11所示。

3 试验测试

3.1 通信效果测试

为了测试终端采集设备与网关节点间的通信效果，对通信距离和数据传输的丢包率进行测试，结果见表2。

由表2可知，传输数据的丢包率随着传输距离的增加而增加，尤其是当通信距离超过200 m时，数据传输的丢包率明显增加。但在实际应用中，大棚内终端采集设备向网关设备传输数据的距离仅有150 m，已满足系统所要求的通信距离。

3.2 系统整体测试

大棚内终端数据采集设备安装如图12所示，太阳能光伏组件安装如图13所示。

针对所设计的系统进行整体试验测试，结果如图14所示。在测试过程中采用太阳能光伏组件为采集设备和网关供电，经测试太阳能光伏组件可以稳定获得系统所需电压（图14中⑥）。当给网关进行上电操作后，在其屏幕上显示出“NETWORK IS SUCCESS！”，这表示网络组件成功（图14中①），并在LCD屏幕上给出组网的具体信息，包含有PANID、频道、及网关网络地址（图14中②），网络组网成功后终端采集设备便会申请加入网关设备建立的网络之中，并呈现出终端采集设备的网络号、IEEE地址（图14中③）。一切就绪后，人工将大棚内的温度由32 ℃逐渐增加至42 ℃，可看出大棚内温度过高（图14中④）。其他数据一切正常，此时系统会通过GSM将超温信息发送至指定的手机终端（图14中 ⑤），并进行声光报警，同时通过电磁阀将风扇开启为大棚内作物进行通风降温。

经过1周的试验测试，整个系统运行状况良好，能够对大棚内光照强度、温湿度、CO2浓度进行有效测量，实现相应的控制策略。

4 结论

本研究设计的基于WSN的温室大棚信息采集智能化监测系统，结合了ZigBee技术、GSM技术、光伏发电技术和自动控制技术，具有智能程度高、绿色环保、成本低、测量精度高、响应快、适应面广等特点，发挥出明显的技术优势，降低了人工作业强度，增强了作业时效性，提高了农业现代化的技术水平。

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