摘  要： 針對(duì)智慧農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參數(shù)采集與控制的自動(dòng)化程度低的問(wèn)題,，設(shè)計(jì)了基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的溫室環(huán)境控制儀表。該儀表以單片機(jī)為控制中心,，CC2420射頻芯片作為無(wú)線傳輸模塊,，實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)調(diào)控功能。重點(diǎn)介紹了儀表的總體方案,、硬件電路和軟件設(shè)計(jì),，并做了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儀表能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行溫室環(huán)境的檢測(cè)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(jī)

0引言

　　智慧農(nóng)業(yè)是指集成應(yīng)用計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù),、3S技術(shù),、無(wú)線通信技術(shù)及專家智慧與知識(shí)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可視化遠(yuǎn)程診斷,、遠(yuǎn)程控制,、災(zāi)變預(yù)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(shí)間和資源，最大限度地減少不必要的人力,、財(cái)力,。

　　要實(shí)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(shè)計(jì)的基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的溫室環(huán)境控制儀表[2],，不僅能實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)采集，還能有效地實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的自動(dòng)調(diào)控,、儀表的無(wú)線傳輸功能,，為智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

1 儀表總體方案設(shè)計(jì)

　　溫室環(huán)境的主要控制對(duì)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(jī)構(gòu)有加熱系統(tǒng),、噴淋系統(tǒng)、排風(fēng)扇,、CO2發(fā)生系統(tǒng),、補(bǔ)光系統(tǒng)、遮陽(yáng)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(jī),，由溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器,、光照傳感器等完成對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的采集,，并根據(jù)內(nèi)置算法進(jìn)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(gè)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(gè)溫室內(nèi)安放多少組傳感器,。

2 儀表硬件電路設(shè)計(jì)

　　儀表的硬件設(shè)計(jì)主要分為單片機(jī)鍵盤顯示及存儲(chǔ)電路,、傳感器接口電路設(shè)計(jì)、無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)四大部分,。

　　2.1 單片機(jī)鍵盤顯示及存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

　　儀表的處理器采用低價(jià)格,、低功耗、具有精簡(jiǎn)指令的8位SM79108單片機(jī),，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(shí)器,，能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工串行通信,，兼容51系列單片機(jī),。SM79108的液晶顯示、鍵盤電路和外部存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)如圖2所示,。

　　鍵盤電路采用獨(dú)立鍵盤的方式,，用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)閾值的預(yù)設(shè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動(dòng)控制。顯示電路采用內(nèi)置ST7920P驅(qū)動(dòng)的128×64點(diǎn)陣型液晶顯示屏OCM12864-9,，用于顯示系統(tǒng)采集到的當(dāng)前溫度,、濕度、CO2濃度,、光照強(qiáng)度等參數(shù),。外部存儲(chǔ)器采用4 KB的E2PROM存儲(chǔ)芯片25C040，通過(guò)SPI接口與單片機(jī)相連,，用于系統(tǒng)掉電保護(hù),。

　　2.2 傳感器接口電路設(shè)計(jì)

　　空氣溫度、濕度的采集選用溫濕度一體的傳感器SHT10,，它可對(duì)溫度及相對(duì)濕度值進(jìn)行全校準(zhǔn),，且具有數(shù)字輸出接口,。技術(shù)指標(biāo)：工作電壓：2.4 V~5.5 V；溫度測(cè)量范圍：-40℃～+123.8℃,，精度：±0.5℃,；濕度測(cè)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(duì)空氣中的CO2進(jìn)行檢測(cè)。技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍為0~10 000 ppm,，檢測(cè)精度為±5%,，使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年。

　　SHT10,、B-530均通過(guò)I2C串行接口與單片機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖頻率,。TSL230B與單片機(jī)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(hào)輸出,，進(jìn)入單片機(jī)的捕獲輸入，通過(guò)計(jì)算兩次捕獲時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的數(shù)值差,，計(jì)算出輸出頻率,，對(duì)照TSL230B的頻率-能量關(guān)系曲線圖，得到光照強(qiáng)度,。

　　2.3 無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)

　　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(wú)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(guò)4線SPI總線（SI,、SO、SCLK,、CSn）設(shè)置芯片的工作模式并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù),、讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。

　　2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　溫室中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作均通過(guò)繼電器控制,。設(shè)計(jì)中直接由單片機(jī)輸出控制信號(hào),，經(jīng)一個(gè)反相器，由三極管對(duì)電流放大,，然后驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作,。單個(gè)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

3 儀表軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 控制邏輯設(shè)計(jì)

　　由于空氣溫濕度存在較強(qiáng)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(dāng)空氣溫度與濕度發(fā)生矛盾時(shí),，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(dāng)空氣溫度高于白天最高閾值,，空氣濕度低于最低閾值時(shí)，同時(shí)打開排風(fēng)扇和噴淋系統(tǒng),；當(dāng)空氣溫度低于白天最低閾值,，空氣濕度高于最高閾值時(shí)，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(diǎn)溫度以上,。當(dāng)空氣溫度高于夜間最高閾值時(shí),，關(guān)閉加熱系統(tǒng)；當(dāng)空氣溫度低于夜間最低閾值時(shí),，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(jìn)行調(diào)控,。通過(guò)控制CO2發(fā)生系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉,，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室CO2濃度的調(diào)控,；通過(guò)控制補(bǔ)光系統(tǒng)和遮陽(yáng)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室光照度的調(diào)控,。

　　3.2 控制程序設(shè)計(jì)

　　儀表控制程序流程如圖5所示,。上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,，主要包括定時(shí)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(wú)按鍵,，若無(wú)，則判斷是否到達(dá)設(shè)定的采集時(shí)間,，當(dāng)設(shè)定的5 min時(shí)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(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)組中,，待采集結(jié)束后求各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)平均值,，并存儲(chǔ)、顯示,。然后根據(jù)內(nèi)置的閾值控制算法,，輸出控制信號(hào)，達(dá)到調(diào)節(jié)溫室環(huán)境的目的,。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　本控制器在遼寧省某溫室實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)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(gè)，各溫室內(nèi)分別部署1個(gè)控制器,、8組傳感器,。給系統(tǒng)上電，進(jìn)行測(cè)試,。通電后,，各無(wú)線設(shè)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(jì)時(shí),，分別在5 min,、25 min和45 min三個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)記錄1號(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)可知,，本儀表實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yù)置的控制邏輯進(jìn)行參數(shù)的處理,、調(diào)控，使作物處于適宜的環(huán)境中生長(zhǎng),，且具有響應(yīng)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(dòng)化程度較高，為智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)施奠定了硬件基礎(chǔ),。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 李道亮.物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)[J].農(nóng)業(yè)工程,，2012，2（1）：1-7.

　　[2] 張侃諭,，余玲文.基于S7_224的自動(dòng)化溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,，2009，30（2）：36-38.

　　[3] 趙勇,，王曙光.溫室環(huán)境無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,，2012，33（6）：53-55.

　　[4] 李永成,，凌青,，吳剛，等.基于ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)線采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,，2012,，31（7）：61-63.