一種智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).pdf

26 27 科技資訊 SCIENCE TECHNOLOGY INFORMATION 科技資訊 2020 NO 06 SCIENCE TECHNOLOGY INFORMATION 信 息 技 術(shù) DOI 10 16661 ki 1672 3791 2020 06 026 一種智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 喬占通 趙娟 荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院 湖北荊門 448000 摘 要 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展 智能溫室大棚的應(yīng)用越來越普遍 主要是利用無線通信技術(shù) 無線識(shí)別技術(shù)和智能處 理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的全面感知 可靠傳輸和智能處理 該文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng) 能夠?qū)ε飪?nèi)植被進(jìn)行溫濕度 營(yíng)養(yǎng)成分和光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)控 再通過ZigBee技術(shù)獎(jiǎng)數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器 協(xié)調(diào) 器將數(shù)據(jù)傳給控制中心 從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施肥 自動(dòng)澆水 自動(dòng)除濕等功能 關(guān)鍵詞 智能溫室大棚 ZigBee技術(shù) 溫濕度監(jiān)控 中圖分類號(hào) S625 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1672 3791 2020 02 c 0026 02 植物生長(zhǎng)與陽(yáng)光 水分和營(yíng)養(yǎng)有著密切關(guān)系 合適的 環(huán)境能夠大幅度提高植物生長(zhǎng)周期和產(chǎn)量 智能大棚無疑 是可以實(shí)現(xiàn)這種環(huán)境的 主要通過短距離傳輸協(xié)議ZigBee 的組網(wǎng) 溫濕度采集和上位機(jī)程序設(shè)計(jì) 及時(shí)對(duì)大棚內(nèi)環(huán) 境 進(jìn) 行 相 應(yīng) 調(diào) 整 達(dá) 到 最 佳 狀 態(tài) 實(shí) 現(xiàn) 經(jīng) 濟(jì) 可 靠 高 效 的 溫濕度監(jiān)控 為解決大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考 方案 1 系統(tǒng)整體方案 該設(shè)計(jì)采用傳感器感知環(huán)境 ZigBee協(xié)議傳輸數(shù)據(jù) 單片機(jī)作為控制中心 根據(jù)農(nóng)作物需求設(shè)置報(bào)警裝置 從 而實(shí)現(xiàn)智能化處理 系統(tǒng)主要包含溫度采集模塊 數(shù)據(jù)匯 聚和傳輸模塊 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊幾個(gè)部分 首先通過各個(gè)節(jié) 點(diǎn)對(duì)溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 然后匯聚控制中心 控制中心 接收到數(shù)據(jù)后和設(shè)定的閾值進(jìn)行比較 如果超出設(shè)定范 圍則報(bào)警 并找出解決方案 再通過控制中心傳給各個(gè)端 口采取相應(yīng)的解決措施 如果數(shù)據(jù)正常再通過控制中心匯 聚到路由器 并進(jìn)行相應(yīng)傳輸 再通過協(xié)調(diào)器串口把數(shù)據(jù) 傳送到電腦終端 利用ZigBee的自組網(wǎng)和多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能特點(diǎn) 智能大 棚在擴(kuò)展時(shí)很容易實(shí)現(xiàn)溫濕度的監(jiān)控問題 該設(shè)計(jì)采用 CC2530芯片作為智能大棚的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的控制核 心 DHT11芯片進(jìn)行溫濕度傳感器進(jìn)行采集數(shù)據(jù) 通過上 位機(jī)把采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示并保存 再通過協(xié)調(diào)器節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚并通過上位機(jī)進(jìn)行處理后傳輸給用戶終 端 該設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)傳輸距離有障礙時(shí)在10 100m范圍 內(nèi) 無障礙時(shí)在200m以上 溫濕度傳感器的誤差范圍小于 等 于 1 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 時(shí) 間 以 7 d 為 周 期 進(jìn) 行 報(bào) 警 通 過 外 接音 響設(shè)備進(jìn)行 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括CC2530控制電路 傳感器數(shù) 據(jù)采集電路 數(shù)據(jù)傳輸電路 顯示電路 電源電路幾個(gè)部 分 系統(tǒng)整體硬件電路如圖1所示 內(nèi)部電源是3 3V 外部 電源是5V 故需一個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊 實(shí)現(xiàn)5V到3 3V的轉(zhuǎn) 換 溫濕度采集電路采用溫度和濕度復(fù)合的數(shù)字信號(hào)輸 基金項(xiàng)目 湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目 荊門市農(nóng)谷信息化監(jiān)控技術(shù)需求與頂層方案設(shè)計(jì) 項(xiàng)目編號(hào) B20182 41 2018年中國(guó)農(nóng)谷發(fā)展研究中心立項(xiàng)課題 荊門市農(nóng)業(yè)信息化監(jiān)控技術(shù)需求調(diào)研 項(xiàng)目編號(hào) 2019zg ng07 2018年中國(guó)農(nóng)谷發(fā)展研究中心立項(xiàng)課題 互聯(lián)網(wǎng) 農(nóng)民 產(chǎn)業(yè)需求調(diào)研 項(xiàng)目編號(hào) 9zgng08 校級(jí)科研項(xiàng)目 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能灌溉控制系統(tǒng)研究 項(xiàng)目編號(hào) YB201701 湖北省高校學(xué)生工作精 品項(xiàng)目 面向過程和成果導(dǎo)向的大學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)規(guī)劃管理 項(xiàng)目編號(hào) 2019XGJPB3013 教學(xué)研究項(xiàng)目 九淵計(jì)劃 拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式構(gòu)建與實(shí)踐 JX2019 008 教學(xué)研究項(xiàng)目 面向過程和成果導(dǎo)向教育 的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)與實(shí)踐 JX2019 034 作者簡(jiǎn)介 喬占通 1997 12 男 漢族 河北邢臺(tái)人 本科在讀 主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向研究 趙娟 1979 1 女 漢族 河南信陽(yáng)人 碩士 副教授 主要從事通信與信息系統(tǒng)方向研究 圖1 系統(tǒng)硬件電路 下轉(zhuǎn)28頁(yè) 28 29 科技資訊 SCIENCE TECHNOLOGY INFORMATION 科技資訊 2020 NO 06 SCIENCE TECHNOLOGY INFORMATION 信 息 技 術(shù) 具體的可靠度的計(jì)算機(jī)算法來幫助構(gòu)建計(jì)算網(wǎng)絡(luò)可靠程 度 事實(shí)上 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可靠度的算法是依據(jù)于不交合 算法等 但是不交合算法需要一個(gè)前提的條件 也就是計(jì) 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行最少部件合的數(shù)量 古人的想法是十 分明智的 甚至是已經(jīng)很簡(jiǎn)潔了 但是現(xiàn)代的人不甘心與傳 統(tǒng)的算法據(jù)此提出了新的算法 狀態(tài)枚舉法 此算法 的原理是利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下政策運(yùn)行所有排 斥事件 同時(shí)根據(jù)公式來計(jì)算計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠程度 現(xiàn) 在隨著大家對(duì)于計(jì)算機(jī)算法中眾多網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的數(shù)目認(rèn)識(shí) 我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在此算法中數(shù)目的數(shù)量 在以指數(shù)的形式不斷 上漲 所以采用狀態(tài)枚舉法對(duì)整體的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程的一個(gè)核 算是十分具有可靠性的 但是我們也要面對(duì)一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問 題 就是它的難度伴隨著算法模式的升級(jí)也有了一定的提 高 而且對(duì)于計(jì)算人員來說 算法的創(chuàng)新和計(jì)算強(qiáng)度的過 大 都不宜得出正確的算法 也不利于計(jì)算機(jī)可靠性的維 持 3 2 容斥原理法 容斥原理法的工作原理事實(shí)上它是一種計(jì)算方法 這 種算法是在先不考慮重疊情況下 然后把包含與某種內(nèi)容 得所有對(duì)象的數(shù)目先計(jì)算出來 然后再把計(jì)數(shù)是重復(fù)計(jì)算 的 數(shù) 目 排 斥 出 去 在 計(jì) 算 機(jī) 網(wǎng) 絡(luò) 的 構(gòu) 建 中 容 斥 原 理 用 法 是 利用最小路集合并來消除相容事件內(nèi)容 其實(shí)就是通過 實(shí)現(xiàn)可靠性的程度算法在一定程度上擴(kuò)大計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可 靠性的領(lǐng)域 將總體計(jì)算機(jī)的容錯(cuò)率拉至一個(gè)新的高度 3 3 不交積和法 不交積和法的基本工作原理是通過數(shù)學(xué)理論上的不 交積和定理方式將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠度算法再度創(chuàng)新 總 體來看 它基本的算法思路是在將所有最小路集合并 之 后并化彼此相交而實(shí)現(xiàn)不交積和法在網(wǎng)絡(luò)可靠度的整體 核算運(yùn)行 這種方式 其實(shí)是在前一算法的基礎(chǔ)上又提出 了一些完善意見 同時(shí)也為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性提出更多算 法的選擇 4 結(jié)語(yǔ) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系的搭建 對(duì)于推動(dòng)國(guó)家在國(guó)際中的創(chuàng) 新地位是十分有利的 創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)力的重要體現(xiàn)是在計(jì)算機(jī) 網(wǎng)絡(luò)的開拓上 我們通過維護(hù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性來提高一 些信息的穩(wěn)固性 也防止了一些損害國(guó)家的不法分子通過 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來竊取一些重要信息 在現(xiàn)今多元化的時(shí)代 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性早已經(jīng)和每個(gè)人息息相關(guān) 我們需要 在關(guān)注自身發(fā)展的同時(shí)也應(yīng)更好地關(guān)注國(guó)際中計(jì)算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)可靠性算法的發(fā)展 參考文獻(xiàn) 1 謝楷琦 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響因素與對(duì)策探討 J 通訊世界 2019 26 1 115 116 2 郭敦 基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法學(xué)討論 J 金陵科 技學(xué)院學(xué)報(bào) 2018 34 4 56 59 3 劉政 歐鷗 黃媛媛 等 提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法研 究 J 電腦知識(shí)與技術(shù) 學(xué)術(shù)交流 2016 12 3 38 39 出傳感器DHT11和ZigBee模塊組成 數(shù)據(jù)傳輸電路采用 CC2530芯片來完成 是一種集成51單片機(jī)內(nèi)核的開發(fā)板 數(shù)據(jù)接口通信電路采用CH340G芯片構(gòu)成USB串口通信進(jìn) 行傳輸 外部電路與一個(gè)晶振和幾個(gè)電容電阻 智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要是進(jìn)行溫濕度檢測(cè) 網(wǎng) 絡(luò)安全傳輸和智能監(jiān)控 首先傳感器進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采 集 然后經(jīng)過控制單片機(jī)處理后由天線發(fā)射出去 發(fā)射的 數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee無線傳輸匯聚到協(xié)調(diào)器上 協(xié)調(diào)器通過 串口與電腦進(jìn)行通信 其中傳感器節(jié)點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)終 端節(jié)點(diǎn) 它可以根據(jù)用戶需要隨意增減 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 部分包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)部分的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采 集部分的工作是用DH11傳感器采集大棚溫濕度值 然后 送到CC2530單片機(jī)的發(fā)送緩沖區(qū) 數(shù)據(jù)傳輸部分由多個(gè) CC2530模塊 各模塊把數(shù)據(jù)從發(fā)生緩沖區(qū)中經(jīng)天線發(fā)生 出來 延著距離最短的路徑把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器 協(xié)調(diào)器 匯聚各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后經(jīng)串口上傳到電腦 監(jiān)控軟件收到協(xié) 調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)顯示出來 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程圖設(shè)計(jì) 系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括接入和接出兩個(gè)過程 先給協(xié)調(diào)器上電 建立 ZigBee網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行相應(yīng)的身份認(rèn)證 再進(jìn)行空閑通道掃 描 使用沒有其他網(wǎng)絡(luò)使用的空閑通道 并提供身份認(rèn)真 信息 確認(rèn)后即可接入網(wǎng)絡(luò) 同時(shí)指定Cluster Tree的拓?fù)?參數(shù) 包括最大節(jié)點(diǎn)數(shù) 的幻術(shù)層數(shù) 路由表生命周期和路 由算法 任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)后 可從其父節(jié)點(diǎn)上查自己 的物理地址 ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址和協(xié)調(diào)器指定的拓?fù)鋮?shù) 同理 節(jié)點(diǎn)接出網(wǎng)絡(luò)時(shí) 只需向其父節(jié)點(diǎn)提出請(qǐng)求 節(jié)點(diǎn)成 功地接收子節(jié)點(diǎn)或者子節(jié)點(diǎn)成功地從網(wǎng)絡(luò)中斷開時(shí) 都須 向協(xié)調(diào)器匯報(bào) 因此 協(xié)調(diào)器可以隨時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié) 點(diǎn)信息 維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)PIB 網(wǎng)絡(luò)組建過程主要包括網(wǎng)絡(luò)初始化 主節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配 置 從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)3個(gè)過程 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用Visual Basic語(yǔ)言進(jìn)行 主要完成對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的匯總與顯示 采集到的數(shù)據(jù)通過串口讀入 并創(chuàng)建Excel文件用來保存 數(shù)據(jù) 同時(shí)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)地顯示在文本框中 為了起提醒 作用還設(shè)計(jì)了報(bào)警功能 在每個(gè)節(jié)點(diǎn)溫濕度值后可以根據(jù) 用戶需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的報(bào)警范圍 4 結(jié)語(yǔ) 該設(shè)計(jì)采用基于ZigBee的智能溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 解決 了傳統(tǒng)大棚數(shù)據(jù)采集繁瑣 維護(hù)不便 傳輸不可靠等不利 因素 經(jīng)過測(cè)試其性能良好 能夠在語(yǔ)言環(huán)境中正常實(shí)現(xiàn) 程序的運(yùn)行 硬件顯示也正常 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的正常采集 傳 輸和控制 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定 實(shí)時(shí)性和溫濕度準(zhǔn)確性達(dá)實(shí)際 應(yīng)用要求 參考文獻(xiàn) 1 任小洪 樂英高 ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研 究 J 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 2011 4 10 12 2 張思俊 徐冬冬 王樂樂 等 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)在家居電器監(jiān)控中的應(yīng)用 J 電腦知識(shí)與技術(shù) 2012 8 7 1500 1501 1510 3 王福平 楊國(guó)威 趙雷 基于模糊控制技術(shù)的智能節(jié)水灌 溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 人民黃河 2017 1 141 144 4 杜岳濤 楊娜娜 董綿綿 基于ZigBee的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) D 電子測(cè)試 2016 9 39 40 5 潘澤鋒 徐玉菁 葉桂成 等 智能多肉植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)和實(shí)現(xiàn) J 無線互聯(lián)科技 2017 7 50 51 上接26頁(yè)