基于ZigBee的日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).pdf

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) Acta Agriculturae Zhejiangensis， 2017， 29( 6) : 1026 1036 http: / /www zjnyxb cn于明月 ， 王立地 ， 栗慶吉 ， 等 基于 ZigBee 的日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) J 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) ， 2017， 29( 6) :1026 1036DOI: 10. 3969/j issn1004-1524. 2017. 06. 24收稿日期 : 2017-02-12基金項(xiàng)目 : 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 ( 2012BAJ26B01)作者簡(jiǎn)介 : 于明月 ( 1992) ， 女 ， 遼寧鞍山人 ， 碩士研究生 ， 主要從事智能化檢測(cè)與自動(dòng)控制技術(shù)研究 。E-mail: 865266661 qq com* 通信作者 ， 王立地 ， E-mail: wanglidi163 com基于 ZigBee 的日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)于明月1， 王立地1， *， 栗慶吉1， 李亞迪1， 呂亭輝2( 1 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院 ， 遼寧 沈陽(yáng) 110161; 2 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院 ， 遼寧 沈陽(yáng) 110161)摘 要 : 為推進(jìn)我國(guó)北方日光溫室的現(xiàn)代化管理 ， 使設(shè)施園藝朝著高產(chǎn) 、高效的生產(chǎn)模式發(fā)展 ， 建立了基于ZigBee 的日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng) 。針對(duì)溫室設(shè)施農(nóng)業(yè)控制的需要 ， 該系統(tǒng)以 Jennic 公司生產(chǎn)的無(wú)線微控制器 JN5139 為控制核心 ， 整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和 ZigBee 無(wú)線智能終端構(gòu)成 。系統(tǒng)完成了對(duì)環(huán)境因子 ( 空氣溫濕度 、光照強(qiáng)度 、CO2濃度 、土壤 pH 值 ) 的實(shí)時(shí)采集 、監(jiān)測(cè) 、顯示 、告警與控制 ， 并提供溫室中環(huán)境因子的歷史數(shù)據(jù) 。為使結(jié)果更精準(zhǔn) ， 對(duì)節(jié)點(diǎn)上的各傳感器數(shù)據(jù)序列進(jìn)行三次指數(shù)平滑 ， 將平滑后的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器 ， 并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析 。系統(tǒng)基本滿足無(wú)線化 、智能化 、精準(zhǔn)化的現(xiàn)代設(shè)施園藝的需求 。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明 ， 該溫室智能調(diào)控系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定 、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn) ， 其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確 ， 能有效地提高日光溫室管理效率 ， 具有良好應(yīng)用前景 。關(guān)鍵詞 : 日光溫室 ; 智能控制 ; ZigBee; 環(huán)境因子 ; JN5139; 三次指數(shù)平滑中圖分類號(hào) : S625. 5+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : A 文章編號(hào) : 1004-1524( 2017) 06-1026-11esearch and design of intelligent control system for solar greenhouse based on ZigBeeYU Mingyue1， WANG Lidi1， *， LI Qingji1， LI Yadi1， LYU Tinghui2( 1 College of Information and Electrical Engineering， Shenyang Agricultural University， Shenyang 110161， China;2 College of Horticulture， Shenyang Agricultural University， Shenyang 110161， China)Abstract: In order to promote the modern management of greenhouse in North China， and to make the facility horti-culture develop towards high yield and high efficiency， the intelligent control system was established based on Zig-Bee To meet the needs of the control of agricultural greenhouse facilities， the system was produced by Jennic wire-less microcontroller JN5139 as the control core， and the wireless sensor network was composed of sensor nodes andZigBee wireless intelligent terminal The system realized the real-time collection， monitoring， display， warning andcontrol of the greenhouse environmental factors ( including air temperature， humidity， light intensity， CO2concentra-tion and soil pH value) ， and could provide the historical data of greenhouse environmental factors In order to makethe results more accurate， the sensor data sequence was smoothed three times on the nodes， then the smoothed datawas sent to the gateway， and the linear regression analysis of data were carried out The system basically met theneeds of wireless， intelligent and precise modern facilities horticulture The results showed that the greenhouse intelli-gent control system had the characteristics of stable and simple operation， and the results were accurate， which could ef-fectively improve the management efficiency of the solar greenhouse， and had a good application prospectKey words: solar greenhouse; intelligent control; ZigBee; environmental factor; JN5139; three exponentialsmoothing日光溫室一直以來(lái)憑借其能有效解決冬季蔬菜供應(yīng)問(wèn)題在北方嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用廣泛 ， 精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)和調(diào)控技術(shù)不僅使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益得以提升 ，同時(shí)大大增加了農(nóng)民收入并為其提供便利 1?？茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展使得日光溫室趨于智能化 ，各種日光溫室智能監(jiān)控技術(shù)走入人們生活 。近年來(lái) ， 國(guó)外的溫室發(fā)展較為迅速 ， 能實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)溫 、光 、水 、氣 、肥的綜合調(diào)控 ， 但成本相對(duì)較高 2 3。然而國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的溫室技術(shù)多為對(duì)溫室作物單一環(huán)境因子的調(diào)控 ， 少數(shù)能實(shí)現(xiàn)相對(duì)完善的調(diào)控 ， 成型控制器也大都存在成本高 、可靠性低等問(wèn)題 ， 且傳統(tǒng)有線通信方式存在布線困難等缺點(diǎn) ， 使設(shè)備靈活性降低 ， 諸多因素嚴(yán)重制約了我國(guó)日光溫室的發(fā)展 4 5。本課題組結(jié)合低功耗 、低成本的 ZigBee 無(wú)線通訊技術(shù) ， 本著實(shí)用 、低價(jià) 、高效 、高產(chǎn)的原則設(shè)計(jì)了日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng) 。本研究采用 JN5139 作為控制核心 ， 不同的傳感器通過(guò) ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)建立連接 ， 監(jiān)測(cè)出環(huán)境因子的即時(shí)變量 ， 再將信息通過(guò) ZigBee 無(wú)線通信協(xié)議傳入核心控制模塊 ， 同時(shí)微控制器接收到的數(shù)據(jù)可以上傳到系統(tǒng)上位機(jī) ， 上位機(jī)界面可以顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并自動(dòng)或手動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)指令動(dòng)作 。1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以 JN5139 微控制器為核心 ， 主要由數(shù)據(jù)采集模塊 、核心控制模塊 、人機(jī)交互模塊 、ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸 、上位機(jī)模塊 、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 6 部分組成 ， 如圖 1。數(shù)據(jù)采集模塊 : 主要由溫濕度傳感器 、光照強(qiáng)度傳感器 、CO2濃度傳感器 、土壤 pH 值傳感器組成 ， 各傳感器將采集到的溫室環(huán)境信息經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換為控制器能直接識(shí)別的數(shù)字量后 ， 經(jīng)ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送到 JN5139 微控制器 6進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理 。核心控制模塊 : 以 JN5139 控制器為核心 ， 能夠接收數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)并自動(dòng)存儲(chǔ) ， 實(shí)現(xiàn)命令的接收和執(zhí)行 ， 并按照?qǐng)D 1 所示方向傳送數(shù)據(jù) 。人機(jī)交互模塊 : 預(yù)警設(shè)置可通過(guò)外設(shè)鍵盤(pán) ，以外部中斷形式輸入指令 ， 按鍵編碼方式采用74HC148 型號(hào)優(yōu)先編碼器 7， 可以設(shè)定環(huán)境參數(shù)上下限閾值 。為增強(qiáng)交互性 ， 采用 LCD12864 來(lái)顯圖 1 日光溫室智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig1 Design of intelligent control system for solar greenhouse·7201·于明月 ， 等 基于 ZigBee 的日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)示命令執(zhí)行結(jié)果 8， 傳感器數(shù)值超過(guò)閾值則會(huì)通過(guò) LED 燈報(bào)警 。LCD 顯示屏和外設(shè)鍵盤(pán)采用有線方式與控制器相連 。上位機(jī)模塊 : 通過(guò) S-485 串口 9方式與核心控制器通信 ， 具有良好的交互界面 ， 可有效記錄管理數(shù)據(jù) 。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊 : 由補(bǔ)光遮陰系統(tǒng) 、通風(fēng)系統(tǒng) 、加溫加濕系統(tǒng) 、CO2濃度供應(yīng)裝置 、酸堿性肥料施放系統(tǒng)組成 。當(dāng)溫室內(nèi)環(huán)境因子參數(shù)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí) ， 核心控制器會(huì)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令 ，及時(shí)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作 ， 使溫室各作物始終處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài) 。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2. 1 數(shù)據(jù)采集模塊傳感器的選取對(duì)于溫室參數(shù)的采集和測(cè)量至關(guān)重要 ， 因此本系統(tǒng)本著高性能 、低功耗的特性進(jìn)行傳感器選型 。不同功能的傳感器分布在溫室內(nèi) ， 通過(guò) ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù) 。21. 1 溫濕度測(cè)量模塊溫度作為作物生命活動(dòng)的基本要素 ， 影響著一切生理變化 。極端的高溫和低溫都會(huì)影響植物正常發(fā)育 ， 甚至導(dǎo)致植株死亡 ?？諝庵袧穸冗^(guò)高會(huì)造成植物生理失調(diào) 、加大病蟲(chóng)害發(fā)生率 ; 而濕度過(guò)低則容易引起旱災(zāi) ， 影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量 。因此 ， 將溫室內(nèi)的溫度 、濕度控制在合理范圍內(nèi)將會(huì)促進(jìn)作物處于最優(yōu)生長(zhǎng)環(huán)境 ， 促進(jìn)增產(chǎn)增收 ， 提高品質(zhì) 。溫濕度采集模塊選用型號(hào)為 SHT15 的溫濕度傳感器 ， 由瑞士 Sensirion 公司生產(chǎn) ， 其具有低功耗 、體積小 、性能強(qiáng) 、不易受干擾等優(yōu)勢(shì) 10; 其溫度測(cè)量范圍為 40 123. 8 ， 測(cè)量精度為 ±0. 3 ; 濕度的測(cè)量范圍為 0 100%， 測(cè)量精度為 ± 2%， 為使傳感器更精確 ， 選擇 3. 3 V 供電電壓 。SHT15 溫濕度傳感器將 A/D 轉(zhuǎn)換 、信號(hào)變換以及 I2C 總線接口等功能集成于同一芯片 ， 可將溫濕度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào) ， 由 ZigBee 節(jié)點(diǎn)傳給微控制器 。SHT15 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示 。其中引腳 CND( GrouND) 為接地引腳 ， VDD( Drain圖 2 STH15 溫濕度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig2 STH15 temperature and humidity sensor internalstructureVoltage) 為電源引腳 ， DATA 引腳為數(shù)據(jù)線引腳 ，SCK( CMOS clock) 為引腳時(shí)鐘線 。2. 1. 2 光照強(qiáng)度采集模塊植物賴以生存的物質(zhì)來(lái)源于光合作用 ， 而光照強(qiáng)度直接影響著光合作用的強(qiáng)弱 。當(dāng)超過(guò)一定的光照強(qiáng)度 ， 會(huì)出現(xiàn) “光飽和 ”現(xiàn)象 ; 光照強(qiáng)度低到一定水平 ， 將出現(xiàn) “光補(bǔ)償點(diǎn) ”， 此時(shí)植物生長(zhǎng)將會(huì)受到嚴(yán)重影響 。因而 ， 將光照強(qiáng)度控制在合理范圍有重要意義 。本系統(tǒng)采用由日本 HOM 株式會(huì)社研發(fā)的BH1750 數(shù)字型光照度傳感器 ， 用于兩線式串行總線接口 11。其感光元件具有光譜靈敏度特性 ， 受紅外線影響很小 ， 內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器 ， 能夠在工作狀態(tài)直接輸出對(duì)應(yīng)亮度的數(shù)字 。BH1750 的波長(zhǎng)范圍為 380 560 nm， 測(cè)量總量程為 0 65535 lx， 通過(guò) 50 Hz/60 Hz 除光噪音功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)定 ， 誤差變動(dòng)為 ± 20%， 運(yùn)行溫度為 40 85 ， 其 VCC 接口需要接 5 V 左右電壓 。圖 3為硬件原理圖 。21. 3 CO2濃度測(cè)量模塊圖 3 BH1750 光照度傳感器硬件原理圖Fig3 BH1750 illumination sensor hardware·8201· 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 第 29 卷 第 6 期CO2是綠色植物光合作用的原料 ， 其濃度高低直接影響光合速率 。CO2供給不足會(huì)造成作物減產(chǎn)減收 ; CO2濃度過(guò)高又會(huì)導(dǎo)致高溫危害 。CO2濃度測(cè)量模塊采用上海福美斯電子科技有限公司生產(chǎn)的紅外二氧化碳傳感器 S-100 12， 是世界上最小 、最輕的 NDI 技術(shù) CO2傳感器模塊 。該型號(hào)傳感器的供電電壓是 5. 0 5. 5 V， 測(cè)量范圍為 0 5 000 mg·kg1， 精度為 ( ± 30 ±1. 5) mg·kg1。二氧化碳傳感器的電源引腳 VDD 接 入5. 0 5. 5 V 的電源 ， A/D 轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)通過(guò) Zig-Bee 節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)轿⒖刂破?。執(zhí)行機(jī)構(gòu)得到指令調(diào)控 CO2發(fā)生器工作狀態(tài)滿足溫室內(nèi) CO2濃度需求 。2. 1. 4 pH 值測(cè)定模塊pH 是表示水溶液中氫離子濃度高低的指標(biāo) ， 根據(jù) pH 值能直接判定作物所處土壤的酸堿性 。根際環(huán)境 pH 過(guò)高或過(guò)低會(huì)傷害作物根系 ，也會(huì)使?fàn)I養(yǎng)元素的有效性降低甚至失效 ， 因此將根際 pH 控制在合理范圍內(nèi)非常必要 ， 大多作物的根際 pH 適宜控制在 5. 5 6. 5。本系統(tǒng)采用武漢中科能慧科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的新一代 NHPH49 型土壤 pH 值傳感器 13， 集成度高 、體積小 、功耗低 、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制 。測(cè)量范圍為 0 14， 準(zhǔn)確度達(dá) ±0. 1， 供電電源為 12 V， 輸出形式為 0 5 V 電壓輸出和 4 20mA 電流輸出 ， 工作環(huán)境溫度 0 80 ， 濕度 0 95%。土壤 pH 值傳感器監(jiān)測(cè)到的土壤酸堿值模擬信號(hào)量經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后 ， 數(shù)字信號(hào)量由 ZigBee節(jié)點(diǎn)傳給微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理 ， 使土壤pH 逐漸達(dá)到或接近作物所適宜的中性或偏酸性范圍 。2. 2 JN5139 核心控制模塊JN5139 是 Jennic 公司生產(chǎn)的具有低功耗 、低成本 、支持 ZigBee 協(xié)議的新型無(wú)線微控制器 6。該控制器集成了一個(gè) 32 位精簡(jiǎn)指令集 ISC( re-duced instruction set computing) 處理器 ， 內(nèi)置 192kB 的只讀存儲(chǔ)器 OM 可存儲(chǔ)完整的協(xié)議棧 ， 96kB 的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 AM 可以存儲(chǔ)系統(tǒng)需要的歷史數(shù)據(jù) ， 省去了外部拓展的存儲(chǔ)空間 。它具有豐富的外設(shè)接口 ， 包括 12 位 AD/DA 轉(zhuǎn)換口 、通用 I/O 接口等 ， 為實(shí)現(xiàn)智能化 ZigBee 通信提供了有利條件 。核心控制模塊以 JN5139 為核心 ，對(duì)來(lái)自數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理 ， 及時(shí)通過(guò)串口上傳到上位機(jī) ， 并對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令 ， 同時(shí)可以用作獨(dú)立的控制器將處理前后的數(shù)據(jù)顯示到液晶屏 ， 起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化的作用 。2. 3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)2. 3. 1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)ZigBee 節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)包括電源處理模塊 ，ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)采集 、ZigBee 無(wú)線模塊和微控制器模塊 14。其中 ， ZigBee 無(wú)線模塊和微控模塊選擇 JN5139 微控制器來(lái)作為協(xié)調(diào)器 ， 其硬件結(jié)構(gòu)圖參考圖 1。電源處理模塊采用 3. 3 V 電源為JN5139 供電 。JN5139 內(nèi)嵌完整的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 ， 可分為 3 種協(xié)議類型 : 負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)終端EndDevice、負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的outer 以及負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)管理員 Co-ordinator。根據(jù)不同功能 ， 可將 ZigBee 節(jié)點(diǎn)分為ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 。其中采集 、轉(zhuǎn)發(fā)功能由 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)完成 ， 接收數(shù)據(jù)功能由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成 。JN5139 為無(wú)線模塊核心芯片 ， EndDevice 通過(guò) JN5139 內(nèi)部的 12 位 AD 來(lái)實(shí)時(shí)獲取傳感器節(jié)點(diǎn)信息 ， 將采集到的信號(hào)經(jīng)量化 、編碼后傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) Coordinator。協(xié)調(diào)器是整個(gè) ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的管理員 ， 負(fù)責(zé)啟動(dòng)配置 ZigBee 網(wǎng)絡(luò) ， 設(shè)定相關(guān)參數(shù) ， 存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息 ， 同時(shí)接收終端節(jié)點(diǎn)采集的信息并通過(guò)串口上傳到上位機(jī) 。2. 3. 2 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù) ZigBee 的組網(wǎng)特點(diǎn) ， 分布在溫室內(nèi)的環(huán)境因子監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)形成星型或鏈狀網(wǎng)絡(luò) 15， 圖 4 所示 。星型網(wǎng)絡(luò)指所有節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn) ， 節(jié)點(diǎn)之間不允許互相通信 ， 各自將采集到的環(huán)境因子參數(shù)上傳至 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 。鏈狀網(wǎng)絡(luò)指在網(wǎng)絡(luò)中既有終端節(jié)點(diǎn)又有路由節(jié)點(diǎn) ， 可以設(shè)置距離協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn) ，它發(fā)送的信息由父節(jié)點(diǎn)依次轉(zhuǎn)發(fā)最后到達(dá)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 。由于本系統(tǒng)針對(duì)大型溫室 、多因子進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè) ， 節(jié)點(diǎn)通信距離較遠(yuǎn) ， 可能存在網(wǎng)絡(luò)不佳導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)丟包率高等問(wèn)題 ， 因此本設(shè)計(jì)組建鏈狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫室系統(tǒng)監(jiān)測(cè) 。·9201·于明月 ， 等 基于 ZigBee 的日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)a， 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) b， 鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)a， Star network structure b， Chain network structure圖 4 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig4 Node network structure diagram3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3. 1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的軟件程序設(shè)計(jì)是在 Jennic 公司的 Co-deBlocks 開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)的 。Code-Blocks 功能強(qiáng)大 ， 配備了 ZigBee 協(xié)議棧軟件包 ， 有基礎(chǔ)操作系統(tǒng) BOS 和應(yīng)用程序接口 API， 可進(jìn)行程序編寫(xiě) 。節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分 : 一部分為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)部分 ， 主要完成環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集并無(wú)線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的過(guò)程 ; 另一部分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)部分 16。網(wǎng)絡(luò)組建過(guò)程為 : 當(dāng) ZigBee 節(jié)點(diǎn)開(kāi)始上電時(shí) ， 先配置基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù) ， 然后系統(tǒng)初始化軟硬件系統(tǒng) ， 包括串口 、終端等 ; 其次初始化協(xié)議棧 ， 信道查詢檢測(cè)空閑信道 。當(dāng)協(xié)議棧初始化為 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)時(shí) ， 則該節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)和等待 ， 如果收到新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)申請(qǐng) ， 則批準(zhǔn)該節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)并為其分配 16位短地址 ; 如果收到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù) ， 則接收處理該數(shù)據(jù) ， 并通過(guò)串口上傳 。當(dāng)設(shè)置為 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)時(shí) ， 定時(shí) ( 默認(rèn) 4 min) 獲取傳感器信息 。其整體程序流程圖如圖 5 所示 。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中 ， 會(huì)因受到傳感器精度 、故障 、電路性能等因素造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)和誤差等影響 ， 因此需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理 。為了避免故障數(shù)據(jù)對(duì)平滑效果產(chǎn)生影響 ， 首 先 應(yīng) 用 分 布圖 17 18法剔除問(wèn)題數(shù)據(jù) ， 再對(duì)傳感器參數(shù)進(jìn)行 3次指數(shù)平滑 19， 其平滑公式為 :S( 1)i( t) =xi( t) + ( 1 ) S( 1)i( t 1)S( 2)i( t) =S( 1)i( t) + ( 1 ) S( 2)i( t 1)S( 3)i( t) =S( 2)i( t) + ( 1 ) S( 3)i( t 1)( 1)式中 : 為平滑系數(shù) ， 值越大 ， 表明其受實(shí)際溫室內(nèi)測(cè)量值的影響越大 ， 無(wú)法充分發(fā)揮歷史作用 ， 受歷史作用影響小 ， 取值范圍在 0 1; xi( t) 為傳感器在時(shí)刻的實(shí)際測(cè)量值 。由于環(huán)境信息多樣 ， 且 1 d 內(nèi)會(huì)產(chǎn)生變化 ， 但幅度不大 ， 所以本系統(tǒng)對(duì) 取值 0. 2， 采用測(cè)得前 6 個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為初值 。平滑后的數(shù)據(jù) ， 再發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 。傳感器之間鏈狀網(wǎng)絡(luò)分布 ， 從距離最遠(yuǎn)的傳感器 ( 本系統(tǒng)選取溫濕度傳感器 ) 節(jié)點(diǎn)依次發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn) ， 最終發(fā)送至 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 。完成一次完整采集與發(fā)送后 ， ZigBee 節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式 ， 待休眠時(shí)間結(jié)束進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)的采集 。3. 2 上位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上位機(jī)系統(tǒng)功能是接收來(lái)自 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) ， 正確顯示并根據(jù)數(shù)據(jù)值做分析處理以及響應(yīng) 。包括參數(shù)設(shè)置 ， 主菜單欄 ， 歷史數(shù)據(jù)查詢 ， 告警模塊 4 部分 。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖 6 所示 。上位機(jī)開(kāi)發(fā)采用面向?qū)ο蟮?Visual C + +6. 0 軟件平臺(tái) ， 提供友好的人機(jī)交互界面 ， 便于用戶隨時(shí)查看管理 。4 實(shí)例分析本研究選取的試驗(yàn)對(duì)象為沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)北山溫室試驗(yàn)基地 ， 所選取大棚內(nèi)培育植物為番茄 。·0301· 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 第 29 卷 第 6 期圖 5 ZigBee 通訊程序流程圖Fig5 ZigBee communication program flow chart圖 6 上位機(jī)功能結(jié)構(gòu)圖Fig6 Function structure diagram of the host computer4. 1 運(yùn)行與調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果表明 ， 該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集溫室數(shù)據(jù)并顯示 。針對(duì)溫室內(nèi)作物設(shè)置的不同環(huán)境因子閾值 ， 系統(tǒng)可以自動(dòng)或用戶手動(dòng)地根據(jù)上位機(jī)指令啟動(dòng)相應(yīng)裝置 ， 使溫室一直處于適宜環(huán)境 。界面上可以看到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 、閾值等信息 ， 同時(shí)也可根據(jù)不同作物設(shè)置不同的參數(shù)模型 。系統(tǒng)設(shè)置的出錯(cuò)告警界面 ， 可以顯示告警類型 、級(jí)別 、狀態(tài)等信息 ， 本系統(tǒng)告警級(jí)別分為 “提示 ”、“一般 ”、“緊急 ”、“嚴(yán)重 ”4 個(gè)等級(jí) ， 便于管理員隨時(shí)查看錯(cuò)誤信息并及時(shí)處理 ， 以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和即時(shí)性 。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖 7 所示 。以空氣濕度為例 ， 濕度上限設(shè)置為 78%， 下限設(shè)置為 60%， 當(dāng)上午光照充足空氣濕度低于 60%·1301·于明月 ， 等 基于 ZigBee 的日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)圖 7 上位機(jī)實(shí)際運(yùn)行界面Fig7 Actual operation interface of the host computer時(shí) ， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)關(guān)閉通風(fēng)裝置或啟動(dòng)加濕裝置 ;當(dāng)濕度高于 78%時(shí) ， 則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)通風(fēng)裝置除濕 ， 使空氣內(nèi)的濕度始終處在最適宜的設(shè)置區(qū)間內(nèi) 。4. 2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析為了測(cè)定數(shù)據(jù)采集模塊的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性 ，將各傳感器與 ZigBee 節(jié)點(diǎn)合理分布在溫室內(nèi) ，ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采集大棚內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的環(huán)境因子數(shù)據(jù) ， 每 4 min 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送 ， 連續(xù)監(jiān)測(cè) 1 h， ZigBee 控制終端與各節(jié)點(diǎn)距離在 50m 內(nèi) 。表 1 為溫室一天中 15: 2516: 25， 1 h 內(nèi)監(jiān)測(cè)到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 。由表 1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出 ， 一天內(nèi)下午時(shí)段 ， 隨著時(shí)間增加 ， 溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì) ， 光照強(qiáng)度逐漸減弱 ， CO2濃度和空氣濕度呈上升趨勢(shì) ， 土壤 pH 值保持在 6. 0 左右 。43 系統(tǒng)丟包率測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明 ， 系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)的 1 h 內(nèi) ， ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的空氣溫度 、濕度 、光照強(qiáng)度 、CO2濃度 、土壤 pH 值數(shù)據(jù)各 16 組 ， 協(xié)調(diào)器全部實(shí)時(shí)收到并在上位機(jī)顯示 ， 沒(méi)有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象 ， 且數(shù)據(jù)采集較為準(zhǔn)確 ; 各設(shè)備運(yùn)行良好 ， 達(dá)到預(yù)期目的 。表 1 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 28 號(hào)溫室大棚一日內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data of greenhouse 28 in Shenyang Agricultural University序號(hào)Serial number溫度Temperature/濕度Humidity/%光照強(qiáng)度Illumination/lx二氧化碳濃度CO2concentration/( mg·kg1)土壤 pH 值pH of soil時(shí)間Time1 24. 87 65. 327 30127 382 6. 18 15: 252 24. 51 65. 965 29705 394 6. 17 15: 293 23. 48 66. 021 29261 408 6. 15 15: 334 23. 02 66. 693 28023 427 6. 18 15: 375 22. 73 67. 419 27391 430 6. 13 15: 416 22. 49 68. 807 26945 441 6. 18 15: 457 21. 84 68. 482 25102 463 6. 17 15: 498 22. 23 69. 585 22701 490 6. 16 15: 539 21. 10 70. 892 24516 500 6. 15 15: 5710 21. 04 71. 745 24280 511 6. 13 16: 0111 20. 84 72. 672 23035 525 6. 11 16: 0512 20. 55 73. 021 22591 529 6. 09 16: 0913 19. 77 74. 318 21607 537 6. 10 16: 1314 19. 34 76. 025 20471 545 6. 14 16: 1715 19. 17 77. 894 19492 558 6. 13 16: 2116 18. 93 78. 372 18273 561 6. 15 16: 25·2301· 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 第 29 卷 第 6 期表 2 丟包率測(cè)試Table 2 Packet loss rate test距離Distance/m空曠丟包率Loss rate in field/%溫室丟包率Loss rate in greenhouse/%3 0. 01 0. 0110 0. 18 0. 1820 0. 27 0. 3130 0. 35 0. 4140 0. 40 0. 5950 0. 52 0. 6360 0. 61 0. 72為避免偶然性 ， 分別在空曠地帶和溫室內(nèi) ，在有效傳輸距離 60 m 內(nèi)設(shè)置 7 個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn) ， 呈“V”型分布 15， 20。測(cè)試節(jié)點(diǎn)以 2 s 為間隔 ， 向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)包 ， 分別記下在 1 h 內(nèi) ， 空曠地帶和溫室內(nèi)丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量計(jì)算丟包率以作對(duì)照 。測(cè)試結(jié)果如表 2。由表 2 可見(jiàn) ， 無(wú)論空曠距離還是溫室內(nèi) ， 隨著傳輸距離增加 ， 節(jié)點(diǎn)間通信質(zhì)量有輕微減弱 ， 丟失數(shù)據(jù)現(xiàn)象少有發(fā)生 ， 符合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) 。44 誤差分析圖 8-a 為溫室大棚內(nèi) 15: 2516: 25 光照強(qiáng)度的變化趨勢(shì) 。由于 BH1750 數(shù)字型光照度傳感器比較靈敏 ， 不同光照角度 、不同位置 、障礙物等均會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定誤差影響 ， 但誤差較小 ， 可將 BH1750 傳感器選取最適角度并固定好測(cè)量以減少誤差 。圖 8-b 為溫室大棚內(nèi) 15: 2516: 25 CO2濃度變化 ， 由于下午光照減弱 ， 光合強(qiáng)度下降 ， CO2濃度緩慢回升 。CO2的測(cè)量值與實(shí)際值誤差來(lái)源于溫室內(nèi)溫濕度變化對(duì)其測(cè)量值造成影響 ，同時(shí) ZigBee 無(wú)線通信距離較長(zhǎng)或溫室內(nèi)門(mén)窗 、番茄葉片的遮擋等均會(huì)對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生較小的誤差 。本系統(tǒng)采用的 CO2傳感器精準(zhǔn)度為 ( ± 30±1. 5) mg·kg1 12， 滿足本溫室調(diào)控系統(tǒng)的要求 。不同作物對(duì)土壤 pH 需求不同 ， 以本溫室大棚中番茄為例 ， 對(duì) pH6. 0 的土壤 ， 要推行施用堿性 、生理堿性肥料 ， 如草木灰等 ， 以中和酸性 ;對(duì) pH5. 5 的土壤 ， 施用 50 kg·667m2生石灰中和酸性 ， 同時(shí)為降低土壤中硝酸氮含量要及時(shí)控制氮肥用量 ; 對(duì)于少數(shù)的 pH 7. 5 的堿性土壤 ，可適量施用酸性肥料 21。由圖 8-c 可見(jiàn) ， 土壤a， 溫室大棚光照強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖 ; b， 溫室大棚 CO2濃度變化趨勢(shì)圖 ; c， 溫室大棚土壤 pH 值變化趨勢(shì)圖a， The change trend of illumination in greenhouse; b， Trend ofCO2concentration in greenhouse; c， The change trend of soil pHvalue in greenhouse圖 8 溫室大棚環(huán)境因子變化趨勢(shì)圖Fig 8 The change trend of enVironmental factors in green-housepH 值在 6. 1 6. 2 穩(wěn)定變化 。本系統(tǒng) NHPH49型型土壤 pH 值傳感器準(zhǔn)確度為 ±0. 1， 符合系統(tǒng)精準(zhǔn)度要求 ， 使用時(shí)應(yīng)注意 pH 傳感器放置角度 。4. 5 數(shù)據(jù)回歸分析為使結(jié)果更加精準(zhǔn) ， 本系統(tǒng)采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析 。回歸分析是對(duì)兩個(gè)具有相關(guān)系的變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的常用方法 22。本系統(tǒng)中可以將具有相關(guān)性的溫室參數(shù)測(cè)量值和實(shí)際值系列數(shù)據(jù)繪制在直角坐標(biāo)系中 ( 圖 9) ， 通過(guò)最小二乘法 ( 最小平方法 ) 求出回歸直線方程 ，得到溫室各環(huán)境因子的最佳擬合曲線 ， 以減少系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值的誤差 ， 同時(shí)能根據(jù)整體趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè) 。設(shè)擬合曲線方程為y =bx +a， 根據(jù)基本最小二乘原理公式可知 :·3301·于明月 ， 等 基于 ZigBee 的日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)b =ni =1xi珔( )X yi珔( )Yni =1Xi珔( )X2=nni =1xiyini =1xini =1yinni =1x2ni =1( )x2( 2)a =珔Y b珔X。 ( 3)在溫室大棚這個(gè)特定的環(huán)境中 ， 測(cè)量值會(huì)受很多不可控因素的影響 ， 同時(shí)線性回歸模型近似本身也會(huì)引起誤差 ， 把這種影響的結(jié)果稱為隨機(jī)誤差 ， 用 e 來(lái)表示 ， e 值越小 ， 則回歸模型的擬合效果越好 。因此得到線性回歸模型完整表達(dá)式 :y = bx + a + e( )E e =0， ( )D e =2。( 4)根據(jù)公式 ， 可得e = y 珓yei= yi珓yi= yi bxi a， i =1， 2， ， nei= yiyi= yibxia， i =1， 2， ， n2=1n 2ni =1e2i=1n 2Qa，( )b n( )2 。( 5)其中 :ei為相應(yīng)于點(diǎn) xi， y( )i的殘差 ;2為 2的估計(jì)量 ; Qa，( )b 為殘差平方和 。在進(jìn)行先行回歸前 ， 可先畫(huà)出殘差圖分析殘差特性 ， 如遇到傳感器采集時(shí)失誤而造成殘差大的數(shù)據(jù) ， 可先予以糾正 ， 然后重新利用線性回歸模型擬合數(shù)據(jù) 23。以測(cè)量的溫室濕度 ( )H 和溫室大棚中實(shí)際的濕度 H( )0為例 ， 以實(shí)際濕度 H( )0為參照 ， 表 1 數(shù)據(jù)中能得到 H， H( )0的系列數(shù)據(jù) ， 根據(jù)公式可以得到濕度擬合曲線參數(shù) b = 0. 997 1， a = 0. 346 9，e = 0. 106 1。因此 ， 溫室濕度 H =0. 997 1H0+0. 240 8， 濕度擬合曲線如圖 9-a 所示 。相關(guān)系數(shù) r 和相關(guān)指數(shù) 2用來(lái)描述模型擬合的精度 ， r 越接近 1， 相關(guān)程度越強(qiáng) ; 2值越大 ， 則殘差平方越小 ， 模型的擬合效果更好 。r 和2表達(dá)式如下 :r =ni =1xi珋( )x yi珋( )yni =1xi珋( )x2×ni =1yi珋( )y槡22= 1 ni =1yiy( )i2ni =1yi珋( )y2。( 6)濕度擬合曲線中測(cè)量值和實(shí)際值的相關(guān)指數(shù) 2為 0. 996 9， 模型擬合效果較好 。同理 ， 為減少測(cè)量系統(tǒng)的溫度測(cè)量誤差 ， 對(duì)測(cè)量的溫度 ( )T 和實(shí)際溫度 T( )0進(jìn)行擬合 ， 根據(jù)最小二乘法的擬合曲線方程和線性回歸模型可以得到 ， 系數(shù) b = 0. 968 3， a = 0. 824 1， e = 0. 1550， T =0. 968 3T0+0. 976 4， 2為 0. 975 5， 日光溫室溫度擬合曲線如圖 9-b。同理 ， 可得 CO2濃度 C =1. 166 4C079. 673，2為 0. 993 2; 溫室光照強(qiáng)度 I = 0. 819 2I0+ 4930. 7， 2為 0. 984; 溫室土壤 pH 值 P =0. 956 5P0+0. 298 5， 2為 0. 862 4。本系統(tǒng)通過(guò)線性回歸模型 ， 使溫室各個(gè)環(huán)境因子的測(cè)量值更加準(zhǔn)確 ， 也更利于工作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理 。a 溫室濕度擬合曲線 ; b 溫室溫度擬合曲線a Fitting curve of humidity in greenhouse; b Fitting curve of temperature in greenhouse圖 9 溫室溫濕度擬合曲線Fig9 Fitting curve of temperature and humidity in greenhouse·4301· 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 第 29 卷 第 6 期5 小結(jié)與討論本系統(tǒng)基于 ZigBee 技術(shù) 、無(wú)線傳感器技術(shù) 、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等介紹了系統(tǒng)硬件 、軟件的開(kāi)發(fā)流程 ， 與傳統(tǒng)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)相比 ， 本研究所建立的日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng)具有如下特點(diǎn) :( 1) 系統(tǒng)性能方面 。目前我國(guó)現(xiàn)有的日光溫室監(jiān)控系統(tǒng)多為單一因子調(diào)控 ， 且誤差偏大 ， 擴(kuò)展性不強(qiáng) ， 往往能大體滿足系統(tǒng)功能性需求 ， 而對(duì)性能精度要求不高 。本系統(tǒng)綜合考慮多種因素 ， 使該系統(tǒng)能在合理誤差范圍內(nèi)調(diào)控溫室內(nèi)的溫 、光 、水 、氣 、肥 ， 使作物生長(zhǎng)處于最適環(huán)境 。同時(shí) ， 本系統(tǒng)采取鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ， 每隔 4 min 定時(shí)采集數(shù)據(jù)后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài) ， 以減少采集頻率 ，有效降低了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)功耗 ， 延長(zhǎng)電池使用壽命 。經(jīng)驗(yàn)證 ， 所采集環(huán)境數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠 ， 丟包率極低 ，運(yùn)行穩(wěn)定 。( 2) 傳輸方式及控制終端 。傳統(tǒng)有線傳輸方式存在布線困難 ， 監(jiān)測(cè)范圍小 、操作不便 、功耗大等缺點(diǎn) 。本系統(tǒng)將 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用在智能控制終端 ， 極大提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性 、可靠性 ， 且系統(tǒng)價(jià)格較低廉 ， 節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展容易 。同時(shí) JN5139 微控模塊體積小巧 、操作簡(jiǎn)單 ， 使系統(tǒng)更加整潔 、高效 。( 3) 數(shù)據(jù)處理方面 。本文通過(guò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)上采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次指數(shù)平滑和線性回歸分析 ， 使智能監(jiān)控系統(tǒng)處理實(shí)時(shí)化 ， 經(jīng)驗(yàn)證 ， 提高了系統(tǒng)精準(zhǔn)度 。實(shí)例結(jié)果表明 ， 研究設(shè)計(jì)的日光溫室智能調(diào)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集 ， 并能夠?qū)厥噎h(huán)境進(jìn)行及時(shí)控制 ， 使作物處于最優(yōu)生產(chǎn)狀態(tài) 。系統(tǒng)滿足無(wú)線化 、智能化 、精準(zhǔn)化 、低功耗的要求 ， 具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和農(nóng)業(yè)推廣前景 。參考文獻(xiàn) ( eferences) : 1 李天來(lái) 我國(guó)日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景 J 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2005， 36( 2) : 131 138LI T L Current situati