摘  要： 針對智慧農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參數(shù)采集與控制的自動化程度低的問題,，設計了基于ZigBee標準的溫室環(huán)境控制儀表,。該儀表以單片機為控制中心，CC2420射頻芯片作為無線傳輸模塊,，實現(xiàn)了溫室環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)控功能,。重點介紹了儀表的總體方案、硬件電路和軟件設計,，并做了實驗測試,。實驗結(jié)果表明，該儀表能夠?qū)崟r地進行溫室環(huán)境的檢測和控制,，且具有低成本、高可靠性等特性,。

　　關(guān)鍵詞： 智慧農(nóng)業(yè),；溫室,；控制儀表；ZigBee,；單片機

0引言

　　智慧農(nóng)業(yè)是指集成應用計算機與網(wǎng)絡技術(shù),、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù),、3S技術(shù),、無線通信技術(shù)及專家智慧與知識，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可視化遠程診斷,、遠程控制,、災變預警等智能管理[1]。發(fā)展智慧農(nóng)業(yè),，可以有效提高作物產(chǎn)量,，節(jié)省時間和資源，最大限度地減少不必要的人力,、財力,。

　　要實現(xiàn)高水平的溫室生產(chǎn)，溫室生物環(huán)境調(diào)控是關(guān)鍵,。本文設計的基于ZigBee標準的溫室環(huán)境控制儀表[2],，不僅能實時地實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)采集，還能有效地實現(xiàn)溫室環(huán)境的自動調(diào)控,、儀表的無線傳輸功能,，為智慧農(nóng)業(yè)的實施奠定了基礎(chǔ)。

1 儀表總體方案設計

　　溫室環(huán)境的主要控制對象為溫室內(nèi)的空氣溫度,、空氣濕度,、二氧化碳濃度、光照度,，執(zhí)行機構(gòu)有加熱系統(tǒng),、噴淋系統(tǒng)、排風扇,、CO2發(fā)生系統(tǒng),、補光系統(tǒng)、遮陽網(wǎng),。溫室環(huán)境控制儀的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

　　控制中心采用SM79108單片機，由溫濕度傳感器,、CO2濃度傳感器,、光照傳感器等完成對溫室環(huán)境參數(shù)的采集，并根據(jù)內(nèi)置算法進行數(shù)據(jù)處理,、輸出控制等,。溫濕度傳感器,、CO2濃度傳感器、光照度傳感器作為一組傳感器,，一個控制器最多可以帶32組,，依據(jù)溫室的規(guī)模、結(jié)構(gòu)等因素決定一個溫室內(nèi)安放多少組傳感器,。

2 儀表硬件電路設計

　　儀表的硬件設計主要分為單片機鍵盤顯示及存儲電路,、傳感器接口電路設計、無線通信電路設計和執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路設計四大部分,。

　　2.1 單片機鍵盤顯示及存儲電路設計

　　儀表的處理器采用低價格,、低功耗、具有精簡指令的8位SM79108單片機,，3.3/5 V工作電壓,。它內(nèi)含8 KB的閃存和256 B的片內(nèi)RAM，內(nèi)置4通道8位ADC轉(zhuǎn)換,，并帶有看門狗定時器,，能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工串行通信，兼容51系列單片機,。SM79108的液晶顯示,、鍵盤電路和外部存儲器電路設計如圖2所示。

　　鍵盤電路采用獨立鍵盤的方式,，用于實現(xiàn)參數(shù)閾值的預設和執(zhí)行機構(gòu)的手動控制,。顯示電路采用內(nèi)置ST7920P驅(qū)動的128×64點陣型液晶顯示屏OCM12864-9，用于顯示系統(tǒng)采集到的當前溫度,、濕度,、CO2濃度、光照強度等參數(shù),。外部存儲器采用4 KB的E2PROM存儲芯片25C040,，通過SPI接口與單片機相連，用于系統(tǒng)掉電保護,。

　　2.2 傳感器接口電路設計

　　空氣溫度,、濕度的采集選用溫濕度一體的傳感器SHT10，它可對溫度及相對濕度值進行全校準,，且具有數(shù)字輸出接口,。技術(shù)指標：工作電壓：2.4 V~5.5 V；溫度測量范圍：-40℃～+123.8℃,，精度：±0.5℃,；濕度測量范圍：0～100%RH，精度：±4.5%RH。

　　CO2濃度的采集選用紅外二氧化碳傳感器B-530,，它利用單波非色散紅外原理（NDIR）對空氣中的CO2進行檢測,。技術(shù)指標：測量范圍為0~10 000 ppm，檢測精度為±5%,，使用壽命長達10年。

　　SHT10,、B-530均通過I2C串行接口與單片機連接,，接口電路如圖3（a）所示。

　　光照度的采集選用TI公司的TSL230B可編程光—頻率轉(zhuǎn)換器,，它將光輻照度信號轉(zhuǎn)換為相應的脈沖頻率,。TSL230B與單片機的連接電路如圖3（b）所示。S0,、S1為靈敏度控制端,，S2、S3為滿量程選擇端,，OUT為頻率信號輸出,，進入單片機的捕獲輸入，通過計算兩次捕獲時間內(nèi)計數(shù)器的數(shù)值差,，計算出輸出頻率,，對照TSL230B的頻率-能量關(guān)系曲線圖，得到光照強度,。

　　2.3 無線通信電路設計

　　根據(jù)安裝和通信距離要求,，采用低功耗、低速率,、低成本的雙向無線通信ZigBee技術(shù)[3],。通信模塊采用CC2430射頻芯片[4]。

　　CC2430只需要極少的外圍元器件,，通過4線SPI總線（SI,、SO、SCLK,、CSn）設置芯片的工作模式并實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù),、讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射/接收緩存器,。

　　2.4 執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路設計

　　溫室中各執(zhí)行機構(gòu)的動作均通過繼電器控制,。設計中直接由單片機輸出控制信號，經(jīng)一個反相器,，由三極管對電流放大,，然后驅(qū)動繼電器動作。單個繼電器的驅(qū)動電路如圖4所示,。

3 儀表軟件設計

　　3.1 控制邏輯設計

　　由于空氣溫濕度存在較強的耦合性,，溫室環(huán)境的控制將空氣溫度,、濕度作為一組控制參數(shù)。當空氣溫度與濕度發(fā)生矛盾時,，以溫度控制為主,，空氣溫濕度的具體控制邏輯如下：

　　①白天模式,。當空氣溫度高于白天最高閾值,，空氣濕度低于最低閾值時，同時打開排風扇和噴淋系統(tǒng),；當空氣溫度低于白天最低閾值,，空氣濕度高于最高閾值時，則開啟加熱系統(tǒng),。

　?、谝归g模式。只需把空氣溫度控制在露點溫度以上,。當空氣溫度高于夜間最高閾值時,，關(guān)閉加熱系統(tǒng)；當空氣溫度低于夜間最低閾值時,，開啟加熱系統(tǒng),。

　　CO2濃度、光照度的耦合度很小,，采用閾值方法分別進行調(diào)控,。通過控制CO2發(fā)生系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)對溫室CO2濃度的調(diào)控,；通過控制補光系統(tǒng)和遮陽網(wǎng),，實現(xiàn)對溫室光照度的調(diào)控。

　　3.2 控制程序設計

　　儀表控制程序流程如圖5所示,。上電后,，首先進行系統(tǒng)初始化，主要包括定時器,、I/O端口方向及初值,、寄存器的初始化、射頻芯片的初始化等,。然后判斷有無按鍵,，若無，則判斷是否到達設定的采集時間,，當設定的5 min時間到,，控制器向各組傳感器依序發(fā)送采集命令，將采集上來的數(shù)據(jù)存儲到相應的數(shù)組中，待采集結(jié)束后求各項環(huán)境參數(shù)平均值,，并存儲,、顯示。然后根據(jù)內(nèi)置的閾值控制算法,，輸出控制信號,，達到調(diào)節(jié)溫室環(huán)境的目的。

4 實驗測試

　　本控制器在遼寧省某溫室實驗基地進行測試,，溫室類型為連棟溫室,，種植作物為處于幼苗期的茄子，茄子幼苗期階段生長所需的溫度為22℃~25℃,，濕度為65%～75%，CO2濃度一般為500～1 000 ppm,，光照度為500~1 000勒克斯（lux）,。溫室9個，各溫室內(nèi)分別部署1個控制器,、8組傳感器,。給系統(tǒng)上電，進行測試,。通電后,，各無線設備終端在1 min之內(nèi)自組網(wǎng)完畢。

　　系統(tǒng)上電1 min后開始計時,，分別在5 min,、25 min和45 min三個不同時間點記錄1號溫室的液晶屏顯示的溫室內(nèi)溫度值、濕度值,、CO2濃度值,、光照度值，記錄值如表1所示,。

5 結(jié)論

　　由測量數(shù)據(jù)可知,，本儀表實現(xiàn)了對溫室環(huán)境的溫度、濕度,、CO2濃度和光照度等參數(shù)的采集和顯示,，并根據(jù)預置的控制邏輯進行參數(shù)的處理、調(diào)控,，使作物處于適宜的環(huán)境中生長,，且具有響應快、穩(wěn)定,、可靠等特性,。本儀表可根據(jù)需要增減傳感器數(shù)目和變更傳感器位置，且調(diào)控環(huán)境參數(shù)的自動化程度較高，為智慧農(nóng)業(yè)的實施奠定了硬件基礎(chǔ),。

　　參考文獻

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