基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現_梁一嘯.pdf

物聯網技術 2022年 第 2期 全面感知 Comprehensive Perception 16 0 引 言 近年來 隨著無線通信和數據傳輸的需求不斷增長 ZigBee 技術也得到飛速發(fā)展 ZigBee 網絡具有節(jié)能 可靠 成本低 容量大 安全性高等優(yōu)點 廣泛應用于工業(yè)自動化 農業(yè)自動化等領域 1 5 當 ZigBee 協調器與上位機通過串口 通信后 用戶便可以通過上位機發(fā)出操控命令 讓下位機將 命令解釋成相應的時序信號 從而控制傳感器 同時 它還 可以讀取傳感器狀態(tài)數據 將其轉換成數字信號 再反饋給 上位機 因此 用戶可以聯合上 下位機更方便地采集和處 理多傳感器數據 從而獲得一致的環(huán)境信息 研究表明 蘭花的生長受溫室環(huán)境的影響非常大 6 8 當室溫過高時 會引起蘭花氣孔關閉 酶活性下降 呼吸 光合作用減弱 甚至出現焦尖 灼燒等現象 當氣溫過低時 又會使蘭花代謝下降 蒸騰作用減弱 同化物質的運轉和貯 存效率下降 當夏天溫室濕度過大時 會抑制蘭花蒸發(fā)散熱 使蘭花生長出現不適 當冬天溫室濕度過大時 又會加速熱 傳導而使蘭花受寒 溫室光照強度也同樣會影響蘭花葉片乃 至整個植株的健康 光線太強會使蘭花的葉片脫水蔫萎或枯 死 光線太弱會使蘭花的葉片葉質薄弱 無力 葉柄易彎垂 不易開花 為了提醒管理者及早采取預防措施 實時采集溫 室環(huán)境信息十分重要 為此 本文開發(fā)了一套基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系 統(tǒng) 能夠實時獲取室內溫濕度 光敏值 同時將溫濕度和光 敏數據進行圖形化顯示 首先 通過溫濕度傳感器 光照傳 感器與 ZigBee 協調器節(jié)點進行組網 并通過編寫上位機程 序實現節(jié)點串口通信 然后 采用 ZigBee 協調器節(jié)點接收 串口指令 并發(fā)送指令給終端節(jié)點 ZigBee 終端節(jié)點接收指 令后 分別解析溫濕度 光敏數據 再將數據返回給協調器 節(jié)點 最后 協調器節(jié)點將數據發(fā)送給上位機 并在上位機 進行圖像化顯示 1 系統(tǒng)設計 設計系統(tǒng)的目的在于監(jiān)測溫室的溫濕度和光敏數據 并 實時反饋給用戶 使用戶能夠及時采取措施 當溫度過低或 過高時 適當調整溫度 當光照過強時 打開遮陽膜等 本 系統(tǒng)主要通過 ZigBee 組網 傳感器數據處理 編寫上位機 程序實現 ZigBee 開發(fā)板對溫室環(huán)境數據的采集 以及與上 位機的串口通信 主要思路如下 1 采用溫濕度傳感器 光照傳感器分別接收協調器指 令信息 解析溫濕度 光敏數據后 返回給協調器節(jié)點 2 ZigBee 協調器節(jié)點負責接收串口指令 并發(fā)送指令 給 2 個 ZigBee 終端節(jié)點 3 協調器節(jié)點通過串口與上位機通信 即上位機通過 串口發(fā)送指令給協調器 協調器通過串口發(fā)送溫濕度 光敏 解析數據給上位機 上位機刷新界面并顯示 2 系統(tǒng)開發(fā)與實現 2 1 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)結構如圖 1 所示 基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系 基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現 梁一嘯 1 劉志欣 1 范 恩 2 蔣忠莉 2 鄧貴妃 1 1 紹興文理學院 生命科學學院 浙江 紹興 312000 2 紹興文理學院 機械與電氣工程學院 浙江 紹興 312000 摘 要 由于蘭花對生長環(huán)境要求較高 溫室內溫濕度 光照強度均會對蘭花的生長 繁殖造成嚴重影響 為 了滿足和調節(jié)蘭花的生長環(huán)境 文中開發(fā)了一套基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 首先 利用溫濕度傳感器 光 敏傳感器與 ZigBee 協調器進行組網 編寫傳感器的數據采集 數據傳輸代碼 其次 端節(jié)點接收到協調器指令后 分別解析溫濕度 光敏數據 并返回數據給協調器節(jié)點 協調器節(jié)點再將數據發(fā)送至上位機 最后 由上位機圖形 界面實時顯示監(jiān)測數據 測試結果表明 該監(jiān)測系統(tǒng)能夠通過溫濕度傳感器和光敏傳感器實時監(jiān)測溫室環(huán)境 并將 監(jiān)測數據以曲線形式在上位機實時顯示 關鍵詞 CC2530 溫濕度傳感器 光敏傳感器 多傳感器數據融合 ZigBee 協調器 環(huán)境監(jiān)測 中圖分類號 TP316 文獻標識碼 A 文章編號 2095 1302 2022 02 0016 04 DOI 10 16667 j issn 2095 1302 2022 02 004 收稿日期 2021 06 09 修回日期 2021 07 12 基金項目 甘肅省自然科學基金 20JR5R378 紹興文理學院科 研啟動項目 20205048 2022年 第 2期 物聯網技術 全面感知 Comprehensive Perception 17 統(tǒng)主要分為 3 大部分 ZigBee 協調器模塊 ZigBee 終端模 塊和上位機模塊 ZigBee協調器節(jié)點主要負責接收串口指令 并發(fā)送指令給 ZigBee 終端節(jié)點 ZigBee 終端節(jié)點接收到指 令后 分別解析溫濕度 光敏數據 然后返回給協調器節(jié)點 最后 協調器節(jié)點將數據發(fā)送給上位機 圖 1 系統(tǒng)結構 2 2 系統(tǒng)各模塊工作原理 2 2 1 ZigBee協調器模塊工作原理 ZigBee 協調器是網絡節(jié)點信息的匯聚點 也是網絡的核 心節(jié)點 主要負責組建 維護和管理網絡 并通過串口實現 各節(jié)點與上位機的數據傳輸 它具有較強的通信能力 處理 能力和發(fā)射能力 能夠將數據發(fā)送至遠程控制端 圖 2 所示 為 CC2530 協調器 圖 3 所示為協調器流程 圖 2 CC2530 協調器 圖 3 協調器流程 2 2 2 傳感器模塊工作原理 ZigBee 終端模塊分別依靠溫濕度傳感器和光敏傳感器進 行數據采集 解析和傳輸 在監(jiān)測系統(tǒng)中 溫濕度傳感器型 號為 DHT11 它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度 復合傳感器 采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技 術 確保數據的可靠性和穩(wěn)定性 光敏傳感器利用光敏元件 將光信號轉換為電信號 ADC 引腳連接 CC2530 的 P0 1 口 通過此 I O 口輸出控制信號 控制 ADC 轉換得到相應數值 圖 4 所示為溫濕度傳感器模塊 圖 5 所示為光敏傳感器模塊 圖 4 溫濕度傳感器模塊 圖 5 光敏傳感器模塊 上位機主要借助 Visual Studio 采用 C 語言編寫 連接 串口后 通過點擊按鈕觸發(fā)事件 將命令通過串口發(fā)送給下 位機 下位機傳送的數據通過上位機解析成 hex 碼 并轉換 成 int 類型值 然后將 int 類型的值 溫度 濕度 光敏值 賦值給圖形化控件 圖形化控件自動渲染后刷新界面 點擊 溫度 按鈕 發(fā)送獲取溫度指令 點擊 濕度 按鈕 發(fā)送 獲取濕度指令 點擊 溫濕度 按鈕 發(fā)送同時獲取溫濕度指令 點擊 光敏 按鈕 發(fā)送獲取光敏的值 點擊 溫濕度光敏 發(fā)送同時獲取溫濕度 光敏值指令 上位機工作流程和界面 分別如圖 6 和圖 7 所示 圖 8 所示為上位機測試數據 圖 6 上位機工作流程 圖 7 上位機初始界面 圖 8 上位機測試數據 物聯網技術 2022年 第 2期 全面感知 Comprehensive Perception 18 2 3 傳感器關鍵代碼 1 溫濕度采集 解析關鍵代碼及說明 溫濕度采集 void GetHt11Value void 溫濕度傳感器啟動 DATA PIN 0 初始化 置低電平 Delay ms 19 18 ms DATA PIN 1 開始發(fā)送信號 置高電平 P0DIR 重新配置 I O 口方向 Delay 10 s 延時函數 Delay 10 s Delay 10 s Delay 10 s if DATA PIN 如果電平變低 檢測到信號 讀取數據 ucharFLAG 2 while DATA PIN ucharFLAG 2 低電平 等待響應結束 while DATA PIN COM 高電平 等待準備輸出 ucharRH data H temp ucharcomdata COM 濕度高八位 ucharRH data L temp ucharcomdata COM 濕度低八位 ucharT data H temp ucharcomdata COM 溫度高八位 ucharT data L temp ucharcomdata COM 溫度低八位 ucharcheckdata temp ucharcomdata 校驗八位 DATA PIN 1 置高 空閑狀態(tài) uchartemp ucharT data H temp ucharT data L temp ucharRH data H temp ucharRH data L temp if uchartemp ucharcheckdata temp 校驗數據 若數據正確 讀取總線時序 ucharRH data H ucharRH data H temp 解析時序 將濕度高八位賦值 ucharRH data L ucharRH data L temp 將濕度低八位賦值 ucharT data H ucharT data H temp 將溫度高八位賦值 ucharT data L ucharT data L temp 將溫度低八位賦值 ucharcheckdata ucharcheckdata temp 將校驗正確的數據賦值 溫濕度數據解析 temp ucharT data H 取高位賦值給 temp wendu shi ucharT data H 10 將溫度的十位存入 wendu shi wendu ge ucharT data H 10 將溫度的個位存入 wendu ge humi ucharRH data H 濕度的高八位賦值給 humi shidu shi ucharRH data H 10 將濕度的十位存入 shidu shi shidu ge ucharRH data H 10 將濕度的個位存入 shidu ge else 未成功讀取 返回 0 wendu shi 0 溫度的十位為 0 wendu ge 0 溫度的個位為 0 shidu shi 0 濕度的十位為 0 shidu ge 0 濕度的個位為 0 P0DIR 0 x20 I O 口需要重新配置 2 光敏數據采集關鍵代碼及說明 節(jié)點 C 光敏數據采集 static void hal adc init void ADC 初始化 APCFG 0 x02 P0 1 I O 功能配置 HalAdcInit ADC 系統(tǒng)初始化 HalAdcSetReference HAL ADC REF AVDD 參考量 uint16 getVol void 獲取 ADC 值 hal adc init ADC 初始化 return 2048 HalAdcRead HAL ADC CHANNEL 1 HAL ADC RESOLUTION 12 3 數據采集與分析 3 1 溫室內溫濕度數據采集與分析 監(jiān)測系統(tǒng)分不同時段采集數據 從 8 20 開始 每隔 60 s 采集 1 次 共采集 10 次 從 15 20 開始 每隔 60 s 采集 1 次數據 共采集 10 次 圖 9 圖 10 分別為早晨 下午監(jiān) 測系統(tǒng)所采集的溫度數據 圖 11 圖 12 分別為早晨 下午 監(jiān)測系統(tǒng)采集的溫度數據 為方便比較 圖 13 為當天溫度 濕度的折線圖 圖 9 早晨溫度采集顯示 圖 10 下午溫度采集顯示 2022年 第 2期 物聯網技術 全面感知 Comprehensive Perception 19 圖 11 早晨濕度采集顯示 圖 12 下午濕度采集顯示 上述實測數據表明 該監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時 準確地采集 溫室環(huán)境中的溫濕度信息 統(tǒng)計數據表明 適宜蘭花生長的 溫室內溫度為 20 30 土壤濕度為 40 RH 80 RH 從溫濕度圖形化顯示結果來看 當天濕度適宜 但溫度偏高 易使蘭花蒸騰作用變強 宜提前采取水空調降溫等措施降低 溫室溫度 圖 13 溫濕度數據統(tǒng)計折線圖 3 2 室內光敏數據采集與分析 該監(jiān)測系統(tǒng)早晨 下午共采集 2次光敏數據 從 8 20開始 每隔 60 s 采集 1 次 共采集 10 次 從 15 20 開始 每隔 60 s 采集 1 次數據 共采集 10 次 圖 14 為早晨 下午的光敏數 據折線圖 圖 14 光敏數據折線圖 通過光敏數據監(jiān)測結果發(fā)現 光度經 ADC 轉換后輸出 值穩(wěn)定在 1 600 左右 屬于偏暗的范圍 這與當天陰雨天氣 有關 統(tǒng)計數據表明 溫室內光照強度影響蘭花葉片生長和 植株健康 太強的光線會讓葉片焦灼 太過昏暗的光線會讓 葉質薄弱 蘭花容易倒伏 為了避免蘭花光合作用不充足的 情況出現 應合理調整大棚內的光照強度 4 結 語 針對蘭花溫室生長環(huán)境的要求 本文設計了一款溫室環(huán) 境監(jiān)測系統(tǒng) 該監(jiān)測系統(tǒng)主要通過 ZigBee 組網技術 傳感 器采集數據 上位機編寫程序等實現 ZigBee 開發(fā)板對溫室 環(huán)境參數的采集 實驗表明 該系統(tǒng)能夠通過多傳感器對溫 室環(huán)境參數 溫濕度 光敏值 進行實時監(jiān)測 并將傳感器 采集的數據通過上位機圖形化界面進行實時顯示 提醒用戶 調整溫室環(huán)境參數 此外 該監(jiān)測系統(tǒng)具有功耗低 精準度 高 信息傳輸可靠 成本低等優(yōu)點 不僅可用于溫室環(huán)境監(jiān)測 還可以廣泛應用于其他農業(yè)自動化系統(tǒng) 9 10 注 本文通訊作者為范恩 參考文獻 1 趙曉璐 劉琨 基于 ZigBee 技術的智慧農業(yè)實時采集和遠程控制 系統(tǒng) J 農業(yè)工程技術 2017 37 6 35 36 2 龍祖連 基于 ZigBee 智慧農業(yè)控制系統(tǒng)的研究與設計 J 物聯網 技術 2021 11 5 106 108 3 白宏圖 基于 CC2530 的無線傳感器網絡節(jié)點設計 J 電子設計 工程 2019 27 5 147 150 4 王征宇 基于多傳感器的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計 D 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學 2017 5 培英 王承林 胡紅林 等 基于 ARM 及 ZigBee 的智能家居遠 程監(jiān)控系統(tǒng)實現路徑 J 現代電子技術 2017 40 19 41 44 6 王建平 楊宗曄 溫室蘭花生長狀態(tài)監(jiān)測移動視覺機器人的研究 J 中國農機化學報 2016 37 10 185 194 7 楊宗曄 蘭花溫室大棚智能管理系統(tǒng)的研制 D 合肥 合肥工業(yè) 大學 2016 8 張紹升 羅佳 蘭花病蟲害防治 M 福州 福建科學技術出版社 2013 9 王東 基于多傳感器融合的溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)研究與實現 D 楊凌 西北農林科技大學 2012 10 潘韻 孫蘭娟 基于 ZigBee 無線網絡的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設 計與實現 J 計算機與應用化學 2014 31 7 807 811 作者簡介 范 恩 1982 男 博士 講師 研究方向為多傳感器信息融合 智能信息處理