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(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)。

　　②夜間模式。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；通過控制補(bǔ)光系統(tǒng)和遮陽網(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。然后判斷有無按鍵，若無，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)。

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