基于ZigBee的农业环境监控实验系统

第３５卷　第８期　２０１５正　高师理科学刊　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｔｅａｃｈｅｒｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ａｎｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｏ１．３５　ＮＯ．８　Ａｕｇ．２０１５　８月　文章编号：１００７—９８３１（２０１５）０８—００３６—０４　基于ＺｉｇＢｅｅ　的农业环境监控实验系统　王锐　，王静宇　，滕艳平。　（１．内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙古呼和浩特０１００５０；２．齐齐哈尔大学理学院，黑龙江齐齐哈尔１６１００６；　３．齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江齐齐哈尔１６１００６）　摘要：通过对农作物生长环境的分析，采用ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术设计了用于农作物环境信息采集　及控制的实验系统，达到了对农作物生长环境监控的目的，其中环境信息包括土壤温湿度、土壤　酸碱度、空气温湿度、光照强度等重要参数．该系统以温室大棚为例，实现了对环境信息的采集、　参数闽值设定和智能终端的控制，所采集的数据可作为科研人员进行研究的依据．测试结果表明，　该系统运行稳定，功能完善，并具有一定的实用价值．　关键词：环境监测；智能控制；ＺｉｇＢｅｅ　中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９６．ｉｓｓｎ．１００７—９８３１．２０１５．０８．０１０　Ａ　ＺｉｇＢｅｅ－ｂａｓｅｄ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ＷＡＮＧ　Ｒｕｉ　，ＷＡＮＧ　Ｊｉｎｇ－ｙｕ　，ＴＥＮＧ　Ｙａｎ－ｐｉｎｇ　（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩｎｎｅｒＭｏｒｔｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｈｈｏｔ０１００５０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｑｉｑｉｈａｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｑｉｈａｒ　１６１００６，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｑｉｈａｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｑｉｈａｒ　１６１００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｒｏｐ　ｇｒｏｗｔｈ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｕｓｉｎｇ　ａ　ＺｉｇＢｅｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｃｒｏｐ　ｗｈｉｃｈ　ｔｏ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｕｈｉｍａｔｅｌｙ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｏｉｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ，ｓｏｉｌ　ｐＨ，ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｌｉｇｈｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ，ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｔｅｒｍｉｎａｌｓ，ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ　ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｔａｂｌｅ，　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ，ａｎｄ　ｈａｓ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ８￣ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ＺｉｇＢｅｅ　８Ｏ年代中后期，随着单片电子技术发展，研究出了温室大棚控制技术，但这种控制方式对农作物生长　状况不能作出及时的反馈，难以介入农作物生长的内在规律，而且不方便对控制机构加入相应的控制算　法．目前，无线传感器网络快速发展，将ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术应用于农业环境监测领域…，对农作物生长　环境进行多方位、多点的精确采集和实时控制已成为迫切需要解决的问题．　本文在分析集约化农业大棚需求的基础上，以实际应用为背景，通过采集不同农作物的生长环境信息，　定量获取和分析农业环境的多种参数，实现对环境的多点检测，其检测目标可以是温度、湿度、光照和土　壤的ｐＨ值等．通过ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术把温室大棚的各种参数汇集到控制终端，然后通过执行机构去调　节相关参数，达到Ｗｅｂ远程检测和控制的目的，进而提高了农作物的产量和质量．　收稿日期：２０１５—０６—０１　基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（１２５４１８８０）；黑龙江省教育科学规划课题（ＧＢＣ１２１３０７８）　作者简介：王锐（１９８９一），男，黑龙江齐齐哈尔人，在读硕士，从事无线网络研究．Ｅ－ｍａｉｌ：７３５３１９９２６＠ｑｑ．ｃｏｎ　３８　高师理科学刊　第３５卷　３．１　采集终端主要模块功能　３．１．１土壤ｐＨ采集模块由于土壤酸碱度对土壤肥力及植物生长影响很大，如中性土壤中磷的有效性大；　碱性土壤中微量元素有效性差．在农业生产中应该注意土壤的酸碱度，积极采取措施，加以调整．而在农　业研究中更将土壤酸碱度列为主要参数之一．本模块主要用于采集土壤ｐＨ值及土壤的温度．　３．１．２　ＳＨＴ１１温湿度采集模块土壤湿度决定农作物的水分供应状况．土壤湿度过低，形成土壤干旱，光　合作用不能正常进行，降低作物的产量和品质；土壤湿度过高，恶化土壤通气性，影响土壤微生物的活动　等，从而影响作物地上部分的正常生长．土壤水分的多少还影响田间耕作措施和播种质量，并影响土壤温　度的高低．本模块能够采集土壤的湿度与温度．　由于ｐＨ检测模块与ＳＨＴ１　１采集模块都能够对土壤的温度进行检测，所以本文将利用二者采集的温度　数据求平均得到最后温度值．采集结果得出二者采集的温度数据之差最多相差０．２℃．　３．１．３空气温湿度采集模块空气湿度也是影响植物生长发育的重要因子．空气相对湿度直接影响植物的　蒸腾速率，在土壤水分充足和植物具有一定的保水能力的情况下，空气湿度低，叶面蒸腾旺盛，根系吸收　水分和养分增多，可加速生长．同时温度对农作物生长发育的影响是十分复杂的，温度偏高或偏低对农作　物的生长发育都会产生不利的影响，只有在一个适宜的温度范围内，才有利于形成高产　．　本模块采集空气中的温度和湿度，同时也将土壤的温度和湿度进行比对．给予农业研究人员丰富的农　作物环境信息，并能提供丰富真实的实验数据．　３．１．４光照度采集模块环境中的光照度．　光照是农作物进行光合作用的能量来源，是叶绿体发育和叶绿素合成的必要条件，　光能调节农作物体内某些酶的活性，因此光照对农作物的生长发育影响很大．本模块主要用于采集农作物　３．１．５　ＬＣＤ显示模块本文利用１２８６４液晶点阵，在采集终端上实时显示出采集到的土壤ｐＨ值、温度和　湿度，空气的温度和湿度以及光照．　３．１．６　ＺｉｇＢｅｅ模块通过ＺｉｇＢｅｅ模块将采集终端所采集到的土壤参数传给ＺｉｇＢｅｅ网络中的控制器的路由　节点．　３．２控制终端主要模块功能　３．２．１　继电器模块本继电器模块可用来驱动冷暖风扇、ＬＥＤ夜灯、遮光卷帘、滴灌等外接设施．本模块　的目的是可以根据采集回来的参数通过单片机自动进行判断控制外接设施，来人为干预农作物生长环境．　３．２．２　ｚｉｇＢｅｅ模块控制终端的ＺｉｇＢｅｅ数据传输模块作为路由节点，有两个主要功能：（１）接收采集器得　到的数据并将采集数据传递给协调器；（２）协调器发回的控制指令可直接控制继电器来驱动外接设施．　３．２．３阈值判断的实验方案　（１）初期采用积累样本数的方式，即根据种植者的经验所提供的数据，在数　据量达到一定程度后，通过神经网络自学习特点建立智能控制模型；　（２）可利用模糊控制中对隶属度函数的模糊判别方法对阈值进行计算；　（３）可通过现有分类器如ＫＮＮ，ＳＶＭ等，将不同状态进行划分，找出临界值，最终实现智能控制．　４采集方法及实验结果　本实验系统的采集器终端和控制器终端见图４和图５，采集方法是把土壤温湿度传感器和ｐＨ传感器同　时放人待测土壤中．打开电源，待上面联网指示灯提示联网成功２～３　ｓ后即可开始读取数据．此土壤采集　装置通过ＺｉｇＢｅｅ无线网络将温湿度和ｐＨ值传递给控制器，并立即将采集装置发来的信息转发给与上位机　相连接的协调器上．所以该网络仅有三个节点，组成了多跳网络，本系统协调器通过与上位机串口相连接，　如果需要再加入终端节点或路由节点，情况也是类似的．　同理，控制器的采集空气温湿度和光照的方式也采用４８５总线的协议．区别在于作为控制器内部含有　六路继电器，通过继电器可以控制卷帘、灌溉等设施的运行．内部继电器电路结构见图６．　将本实验系统应用到农业实验大棚中　，其农作物以西红柿为例，采集到的各项数据见表１．表中土壤　湿度用ＳＨ（ｓｏｉｌ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ）表示（％Ｒ），土壤温度用ｓＴ（ｓｏｉｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）表示（ｏＣ），空气湿度用ＡＨ（ａｉｒ