温室环境监测（共11篇）
温室环境监测 篇1
0 引言
日光温室设计首先要考虑的问题是最大限度地合理利用自然光。温室内的光照状况取决于温室建设地区的地理方位、室外光照、温室朝向和建筑参数、屋面形状和覆盖材料等多种因素。
为了确定温室建筑参数对温室内光照环境的影响,国内许多学者对此展开了富有成效的研究: 轩维艳、李晓豁、佟国红、孙忠富等都提出了日光温室光照度计算模型或模拟方法; 但由于光照在温室内传播规律的复杂性以及影响因素众多,研究者提出的模型很难动态反映出温室内各表面的光照分布变化。
本文特色主要有两点: 一是系统研究了日光温室跨度对温室内光照环境的影响,特别是温室内各表面各点的光照分布变化,而以往这样的研究非常少; 二是本文以光合有效辐射光子照度作为计量单位,更加科学合理,而以往研究者多以辐射总量来评价光辐射。
1 理论依据与条件设定
1. 1 日光温室光辐射环境模型的构建
中国农业大学农业部重点实验室将各种模型和模拟方法综合集成,创造性地提出采用光线逆向回溯的方法和天空等辉度假设,构建日光温室光辐射环境模型,使模型更加系统、完整、准确和接近实际。本文以该模型为基础,编制模拟软件,重点展开日光温室跨度对温室内光照环境影响的模拟研究。
1) 室内任意一点P的直接辐射照度为
式中I0—大气层外边界处法向太阳辐射照度;
p—大气透明度。与地理位置和天气情况有关;
m—大气质量;
h—太阳高度角;
ω—计算平面与水平面间的夹角;
CC—云量;
Haze—雾度;
τz T—覆盖材料对直接辐射的透光率。
2) 室内任意一点P的散射辐射照度为
式中λp—可见视角;
τs—干洁新覆盖材料对散射辐射透过率;
φ—太阳光线与计算平面的法线间的夹角;
CCF—云遮系数。
3) 室内任意一点P的总辐射照度为
1. 2 用光合有效辐射光子照度计量光辐射的理论依据
光化学定律指出: 吸收一个量子,只能激活一个分子或原子。因此,在研究光电效应或光化学反应如光合作用与光照关系时,应以光合有效辐射光子照度作为计量光辐射的单位更为合理,因为光合作用的强度与植物吸收的光合有效光量子数量成正比。
光合有效辐射光子照度( PPFD) 即为单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射的光量子数,单位为μmol / m2·s。
1. 3 温室条件设定
为了研究清楚日光温室跨度对温室内光照环境的影响,将与温室相关的其他一些条件固定下来。
设定当日云 量为1,当地北纬 纬度40°,经度120°,屋脊高度3. 94m; 屋面类型为: 多点圆滑曲线,温室覆盖材料为聚氯乙烯膜( PVC) ; 干洁新材料的透光率为85% ,结构材料遮光导致的光照损失率为10% ,覆盖材料老化程度导致的光照损失率为8% ,覆盖材料污染程度导致的光照损失率为8% ,覆盖材料的雾度( 透明覆盖材料对直射光的散射作用) 为10% 。
2 温室跨度对光照环境的影响研究
2. 1 一定跨度,指定时刻温室内各点的光照度分布
设定温室跨度为8m,默认的指定时刻为12月22日( 冬至) 真太阳时正午12时。温室内地面、墙面、后屋面各点的光照度分布如图1所示。
从图1中可以看出: 直射和散射总的光合有效辐射光子照度最大的是墙面,平均在640μmol /( m2·s)左右; 其次的是地面,平均超过320μmol /( m2·s) ; 最小的是后屋面,平均不超过100μmol /( m2·s) 。这说明日光温室接受光能主要以地面和墙面为主。
2. 2 不同跨度,指定时刻温室内各表面的光照度分布
根据模型软件,计算得到不同跨度下,温室各表面在指定时刻( 12月22日真太阳时正午12时) 光合有效辐射光子照度的平均值图示如图2所示。其横轴表示温室各表面,纵轴表示光合有效辐射光子照度的平均值,单位为[μmol /( m2·s) ]。
从图2中可以看出: 随着温室跨度的增加,温室内各表面的光合有效辐射光子照度呈逐渐递减的趋势。这说明温室跨度小一些,有助于增加温室内各表面的光合有效辐射光子照度; 但考虑到温室的种植规模和总能量的大小,温室跨度不宜太小。总体考虑,日光温室的跨度应以8m左右为宜,不要超过10m。
2. 3 不同跨度,指定时间段,温室内各表面的累积光辐射能量
根据模型软件,计算不同跨度下,指定时间段: 12月22日( 冬至) 真太阳时9 - 15时。温室内各表面的累积光辐射能量( 光合有效辐射光子照度、单位面积和时间段的3者乘积,如表1所示。
从表1中可以看出: 随着温室跨度的增加,温室地面和墙面累积的总能量是增加的,而后屋面累积的总能量却是减少的。这说明适当增加温室跨度( 如从6m增加到8m) ,有利于温室表面总能量的累积; 但综合上面的光照度分布情况,温室跨度不能无限制、大幅度增加。因此,温室跨度应以8m左右为宜。
2. 4 不同跨度的温室平均透光率
根据模型软件,计算不同跨度的温室平均透光率,绘制成图3。
由图3可以看出: 随着不同温室跨度的增加,温室的平均透光率呈现先增加后降低的趋势; 在温室跨度为8m时,温室的平均透光率,达到最大值63. 6% 。
3 结论
以中国农业大学日光温室光环境模拟预测软件为工具,研究了不同跨度下、指定时刻温室内各点的光照度分布和指定时间段,以及温室内各表面的累积光辐射能量。结果表明: 随着温室跨度的增加,温室地面和墙面的累积光辐射能量是增加的,而两者的光照度却呈下降的趋势; 考虑到温室内作物吸收能量的效率与种植规模的因素,温室跨度不宜太大,也不宜太小,以8m为宜; 温室的平均透光率在温室跨度为8m时达到最大值63. 6% 。这一结论,与日光温室实际建造的普遍做法是相符的。
温室环境监测 篇2
关键词 大棚温室；环境因素；自动调控
中图分类号：S625 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.30.058
1 自动调控系统的设计背景
近年来，设施园艺栽培技术在各地区得到广泛推广，在温室中栽培瓜果蔬菜的情况也逐年增加。不仅在农业示范园，由于简易温室大棚技术的普及和建造成本的大幅度降低，很多农村地区已采用大棚温室种植反季节瓜果蔬菜。但由于温室大棚属于密闭环境，影响作物生长发育因素的变化较快，需要一套行之有效的自动调控系统实施监控。使栽培环境中温湿度、光照等条件达到作物生长所需的最佳环境条件。
2 土壤因素对大棚温室作物生长的影响及调控方法
温室大棚内影响作物生长的土壤因素主要有土壤温度、湿度、pH值及肥力水平，此外土壤的透气性也影响到作物的生长发育，同时土壤因素也存在着此消彼长、相互影响的情况。
2.1 土壤温度
土壤温度影响着植物的生长、发育和土壤的形成，是影响土壤肥力的重要因素之一。土壤温度主要和土壤热学性质有关，即和土壤结构有直接关系。土壤的透气性好，作物根系发育也会较好，但较高土壤的透气性也会导致土壤水平蒸发过快，土壤温度降低，影响土壤的保温效果。但是如果土壤透气性很差，土壤易板结，伴随而来的是作物根系生长缺乏充足的氧气供应，易导致作物烂根。而为了提高地温，温室大棚中普通采用的是铺设地膜来提高土壤的温度，同时地膜还具有保持土壤湿度，减少大棚内土壤水分蒸发，从而解决了棚内空气湿度过高问题。
2.2 土壤湿度
大棚土壤的湿度决定作物的水分供应情况。土壤湿度低，土壤干旱，农作物光合作用过程受到抑制，农产量和品质随之降低；土壤湿度过高，土壤通气性变差，土壤氧气含量低，土壤中微生物活动受限，作物根系的呼吸、生长等生命活动就会受到阻碍，作物地上部分的正常生长就会受到影响，造成作物徒长、倒伏、病害滋生等情况的发生[1]。特别是在大棚温室环境中，土壤湿度过高，水分蒸发过快，必然会导致大棚温室环境空气湿度过高，从而滋生病虫害。
2.3 温室土壤因素自动调控方法
2.3.1 土壤温度调控
基本了解大棚土壤因素对作物的影响后，要考虑人为调控方法。目前在设施园艺方面对于调控大棚温室环境中土壤温湿度，普遍采用的是棚内地膜覆盖技术。在相对较低成本的简易温室大棚建设过程中，采用该项技术可以在较低投入的情况下较好地控制土壤温湿度。
2.3.2 土壤湿度调控
第一，调控方法。调节土壤湿度主要方法就是控制好土壤水分的进和出。土壤水分的进通过控制灌溉频率和水量，湿度过低时，提高灌溉频率和水量，过高时降低供水量；而土壤水分的出即控制土壤水分的蒸发量，采用地膜覆盖方式可有效降低土壤水分蒸发。特别是夏季控制光照强度也能有效的控制土壤水分的蒸发量。
第二，调控设备。主要采用湿度控制器、灌溉设备。实现大棚土壤温湿度的实时控制，就需要实时监测棚内土壤温湿度。目前常用的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型。其中FDR型具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程和少标定等优点。土壤湿度控制器可可以控制灌溉设备实现自动灌溉，需要灌溉管线已事先铺设到大棚的栽培作物旁边，其中以滴灌设备最佳。当土壤湿度传感器探测到土壤湿度低于设定湿度最低值时，自动闭合灌溉系统阀门电源进行灌溉，当湿度达到土壤最大湿度设定值时关闭灌溉系统。
3 空气因素对大棚温室作物生长的影响及调控方法
温室大棚内空气因素对作物生长的影响主要表现在大棚内空气温度、湿度、CO2浓度，这三个因素直接影响作物的生存环境和生长速度。
3.1 空气温度
植物生长需要一个合适的环境温度范围，超过这个温度范围，作物就无法正常生长，甚至根本就无法生存。农业生产中调节种植作物环境温度从而实现反季节作物种植是采用温室大棚种植作物的主要目的。温室建材多种多样，不同材质的建设成本也不相同，其中，“钢筋龙骨+塑料薄膜”简易结构因其造价相对较低被普遍采用。同时为进一步提高大棚内栽培环境的温度，对于某些对种植温度要求较高的作物可在棚内再加小拱棚的形式。
3.2 空气湿度
温室大棚内的空气湿度是由土壤水分的蒸发和作物体内水分的蒸腾在密闭环境情况下形成的。由于棚室内作物长势强、代谢旺、作物叶面积指数高，就会通过蒸腾作用释放出大量的水蒸气。加之棚室内的空间狭小、气流稳定无风，棚室内水蒸气极易接近或达到饱和状态，棚室内外温差大时易形成水滴[2]。高湿是温室大棚栽培环境的一个突出特点。棚室内的空气湿度与作物的蒸腾作用、光合作用、病害及生理活性等都有很强的关联性影响。
3.3 空气中CO2浓度
温室大棚是密闭环境，由于棚室温度相对较高，植株生长比较旺盛，特别是晴天正午时间光合作用强，加至棚室内作物种植相对较密，导致温室内空气CO2浓度在光照强度较强时浓度偏低。进而影响作物的快速生长，更是直接影响大棚作物的产量。所以一般采用温室反季节栽培作物往往需要考虑该项因素。
3.4 温室空气因素自动调控方法设计
3.4.1 棚内空气温度调控
第一，调控方法。因大棚温室主要目的是提高栽培环境温度，所以目前温室大棚棚温的调节主要是提高棚室温度。而棚室加温的主要方法有棚内加热、提高光照强度、棚室草帘保温等。但冬季昼夜温差巨大，仅通过提高光照强度和棚室草帘保温等方法已无法有效提高棚室温度，通常做法是棚内加温。但有时不可避免出现棚室温度过高，此时温室就需要进行降温处理，只是棚室降温方法和手段较为简单，只需将棚室通风遮阳即可。
第二，调控设备。主要棚室调温设备有棚室加溫锅炉、降温降湿风机、遮阳设备和空气温度控制器。通过温度控制器实时监测棚室内温度，进而控制棚室加温锅炉热水循环泵、降温降湿风机、遮阳设备等的联动运行。当温度控制器中温度传感器监测到棚室内温度低于设定值时，温度控制器闭合锅炉热水循环泵开关，进行棚室加温。而当棚室温度高于设置最高值时，温度控制器闭合降温除湿风机、遮阳等设备的开关，进行遮阳通风降温处理。
3.4.2 棚内空气湿度调控
第一，调控方法。温室大棚中空气湿度过大时，一般采取加强通风、适当范围的加热可以降低相对湿度，也可以增加光照、相对减少灌溉水量、减少地面裸露土壤面积、减少喷雾次数及水量，其中主要管控措施还是通过通风降湿。湿度过低一般是由土壤湿度过低，光照强度过大，大棚密闭性太差跑风漏气造成，一般情况下提高灌溉水量即可。
第二，调控设备。主要设备有湿度控制器、鼓风机、空气循环机。因温室大棚内地面已采取地膜覆盖，如再采取滴灌技术的情况下棚内湿度依然很高，就需要进行湿度调节。考虑到成本因素，一般情况下采取风机通风除湿（大棚内外温差小）和棚内加热除湿（大棚内外温差大）。棚内安装湿度传感器，棚口出安装鼓风机，棚内部安装空气循环风机。设定湿度控制器开机及关闭湿度值，当湿度超过最大湿度设定值时，湿度控制器闭合温室大棚内鼓风机和空气循环机开机降湿。当湿度降低到设置的最低湿度值时断开风机电源。
3.4.3 CO2浓度调控
第一，调控方法。棚室内CO2浓度的调控主要是对高光照强度下作物光合作用强烈导致的棚室内空气中CO2浓度不足的调控。一般规模设施园艺中采用的方法是向设施温室中补充CO2气体。但考虑到成本因素，一般简易温室大棚不采用此种方法，而主要使用通风换气的手段。
第二，调控设备。主要有空气CO2浓度监测控制器、换气风机等。安装在棚室内部的CO2浓度监测探头，实时监测棚室内空气中CO2浓度，当低于设定最低值时，控制器启动换气风机（此处风机可采用降温降湿风机）。
4 光照强度对大棚温室作物生长的影响及调控方法
4.1 光照强度和时长
光照强度对作物生成发育影响很大。一切绿色植物必须在阳光下才能进行光合作用，植物体重量的增加与光照强度密切相关。植物器官、组织的正常发育，也与光照强度直接关联。想要作物结果多，就要开花多；花多，花芽必须多，而花芽的分化又与光照强度相关联[3]。
4.2 棚室光照强度和时长自动调控方法设计
第一，调控方法。大棚温室中，依据所栽培作物的习性，对光照强度进行调控。在正午高光照强度下可采取遮阳处理；而在其他的大部分时间，由于棚室塑料薄膜的透光性较差，棚室内光照强度相比室外较弱，对于一些光照强度要求较高的作物就需要进行补光处理。相对作物对光照强度的要求来说，光照时长的调控方法也更为简单，短日照作物可采取遮光措施，而长日照作物可采取补光处理。
第二，调控设备。主要由光照强度控制器、补光灯、遮光设备和定时器等组成。在正午时分高光照强度下，光照强度控制器探头监测到棚室内光照强度超过设定值时，启动遮阳网卷帘机，打开遮阳网遮阳；当光照强度低于设定值时启动补光灯（一般为专用的红蓝补光灯），进行补光处理。而对于光照时长的调控可通过定时器控制补光灯进行夜间补光，实现短日照季节里，形成大棚温室中的长日照环境。
5 系统特性
本系统通过简要的控制设备实现在简易温室大棚环境中实现影响作物生长发育因素的实施调控，并做到低成本高效率的联动处理。在系统调控设计中对棚室温度的调节，如当棚室内温度过高时，土壤蒸发量加大，土壤湿度降低到设定值以下，灌溉系统启动，升高棚室内温度。高温高湿激发温湿度控制设备启动，棚室遮阳设备打开，降温降湿风机启动。在降低室内温度的同时也会降低棚室内的湿度，此举可有效防止棚室内高温高湿带来的病虫害问题。
总体来说本系统的设计得益于目前先进的传感器技术。但影响作物生长的因素还有很多，并且彼此关联，需要探索发现的知识还有很多，相信通过越来越成熟的传感器技术将会使温室种植越来越简单高效。
参考文献
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温室环境监测 篇3
国外设计的温室系统可以根据温室作物的特点和要求, 应用于全球定位与遥感遥测技术, 实现多因素的实时监测, 但价格昂贵, 维修不方便。在国内, 对于温室的研究比较晚, 大多是国外的仿冒品, 造价仍然高, 不适应于我国的现状。
对于我国目前大棚成本高, 布线繁琐等特点, 本文设计了一种基于Zig Bee技术的温室环境监测系统, 将大棚里采集的信息通过Zig Bee网络传输至监控中心, 供监控人员分析工作。
1系统总体设计
本文设计的温室监测系统主要由传感器, 网络协调器和客户终端等几个部分组成。分布在大棚里的各个传感器采集数据, 采集结束将数据传输给目标节点, 目标节点则通过Zig Bee无线传感器网络将数据发给协调器, 在协调器里面进行数据的分析与处理, 网络协调器则通过RS232串口与用户终端进行通信, 最后将数据信息显示在人机交互界面里。
2终端节点的设计
无线终端节点的系统结构图如图1所示。系统主要是由电源模块, 传感器模块, 数据处理模块和无线收发模块组成。综合考虑温室环境的监测需求、测量精度及传感器成本等因素, 本系统决定选用以下几种传感器:土壤水分传感器SMTS-11-485、温湿度传感器DHT11、CO2浓度传感器MG811。系统中的传感器主要性能表如表1所示。
无线收发作为无线终端节点的核心模块, 本系统选用了CC2530芯片作为无线收发模块。CC2530芯片内置有8051内核, 本系统利用这一特点, 可以很好地收发数据, 并具有自动存储等功能。
电源模块为系统提供能量。数据处理模块的电压为3.3V, 但与传感器的电压不一致, 所以还要进行电压的转换。
3网络协调器的设计
网络协调器作为协调者, 下对传感器通信, 上对上位机通信, 网络协调器结构图如图2。主处理器选用TI公司生产的MSP430F149芯片, 该芯片低功耗, 具有RISC的混合处理器。节点主控芯片采用TI公司开发的CC2530芯片, 其内置的增强型8051内核与RF (radiofrequency, 射频) 无线收发器相结合可以在保证低功耗的同时增强其信号传输能力。
4串口通信设计
网络协调器通过RS-232串口与上位机进行通信, 将接收到的数据送至上位机。串口通信程序包括系统初始化、波特率设置、串口中断等过程。串口通信的具体程序流程如图3。
5结论
无线传感器网络越来越广泛得应用在环境监测, 医疗卫生等领域, 尤其在一些环境条件比较恶劣的情况下, 无线传感器网络发挥着强烈的优势。以无线通讯模块CC2530和Zig Bee技术的温室大棚监测系统, 实现了对温室环境指数的实时性采集, 传输和显示。相对于传统的农业监控来说, 这种监测系统的优点在于网络组建简单, 成本下降, 并且提高了系统的稳定性和实时性, 为温室大棚的监控提供了一种新思路。当然, 对于监测到的数据进行判断与分析, 还要依靠专业知识来进行进一步的融合, 才能做出合理的措施。
参考文献
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[3]郭文川.基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统[J].农业机械学报, 2010, 1 (7) :181-185.
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[5]张新.基于物联网技术的智慧农业大棚设计与应用[J].中国农机化学报, 2015, 36 (5) :90-95.
温室环境监测 篇4
答：
一、温室效应的机理：大气下层的直接热源是水面、陆地、植被等下垫面和
云层向外发出的长波辐射，而不是太阳短波辐射。正是由于大气中的某些物质具有允许太阳短波辐射通向地表，而部分吸收地表长波辐射的特性，才使它具有与温室中玻璃相类似的温室效应。
温室效应的影响：①炎热。全球温度增长实际测量表明，全球总体温度的增长趋势十分明显。
②冰川消融。这就造成全球变暖在北极地区最为显著的影响：冰层加速融化。③洪水。在世界上的许多地区，全球变暖还提高了降雨在每年降水量（包括雨、雪等）中所占的百分比，从而使春天和初夏发生更多洪灾。
④飓风。现在大家普遍认为飓风日益强大的破坏力与全球变暖有关，这在一定程度上是因为研究表明四级和五级飓风的数量有了明显增多。
⑤干旱。干旱的土地将导致蔬菜水分减少，农作物减产，火灾次数增多。对经济的影响：气候变化将使我国主要作物品种的布局发生变化，并影响到种植
制度，种植界限北移西延的风险加大。
二、臭氧层破坏的机理： 人类活动排入大气中的一些物质进入平流层与那里的臭氧发生化学反应，导致臭氧耗损，使臭氧浓度减少的现象被称作臭氧层破坏或臭氧层损耗。臭氧层中的臭氧是在离地面较高的大气层中自然形成的，其形成机理是：O2 紫外辐射 O＋O（高层大气中的氧气受阳光紫外辐射变成游离的氧原子）O2＋O O3（有些游离的氧原子又与氧气 结合就生成了臭氧，大气中 90的臭氧是以这种方式形成 的）O3是不稳定分子，来自太阳的紫外辐射既能生成O3，也能使O3分解，产生O2分子和游离O原子，因此大气中臭氧的浓度取决于其生成与分解速度的动态平。
臭氧层破坏对环境、经济、社会的影响：
①威胁生态系统的安全
② 损害人体健康
③破坏水生生态系统
④ 危害人类生存环境
温室环境监测 篇5
关键词：ZigBee；温室大棚；监测；自动控制
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）07-0027-04
近年来，新疆南部地区（南疆）设施农业发展较快，但设施农业主要以投资较少的塑料大棚为主，对南疆温差变化较大的恶劣气候条件适应性差，且自化程度较低，对农作物的生长环境的控制精度不高。目前，南疆农牧团场正积极向多参数检测的智能温室大棚种植模式发展。这种智能温室大棚综合各种先进的技术和设施，能够为农作物发育和生长创建良好环境，实现温室科学管理经营，充分展示设施农业的巨大优越性。
目前，南疆的智能温室大棚环境监测系统大多采用有线通信方式，需要进行大量布线，且线路复杂，工作可靠性差，需专人值守。为此，基于ZigBee无线通信技术设计智能监测系统，采用温室大棚环境监测无线传输方式，提高环境因子监测的技术水平，实现农作物生长环境的自动化控制，进而提高农作物生产的经济效益。
1 温室大棚环境自动化监测系统结构
ZigBee是一种短距离、低功耗的新型无线通信技术，为基于IEEE802.15.4标准的局域网协议。随着ZigBee技术的不断发展，其应用领域越来越广泛，将其应用于智能温室大棚进行信息传输成为必然趋势。智能温室大棚环境自动化监测系统的监测模式如图1所示。
本系统上位机采用PC机，其主要功能包括以下几个方面：1） 通过RS232串行接口与ZigBee网络关口节点建立通信，接收下位机传送的数据，与此同时向下位机发送指令；2） 对接收到的数据进行显示操作、解码并保存；3） 对系统之前的数据进行分析、处理及更新。
温室大棚环境自动化监测系统分为6大模块，详见图2。模拟信号采集模块包括前传感器、调理电路、模数转换电路；中央处理模块是整个系统的核心，主要负责数据处理和储存，对整个系统进行整合控制调配；开关输入输出控制模块；上位机通信模块主要用于和上位机（PC机）通信，采用ZigBee无线通信方式；人机接口模块主要为工作人员现场查看和修改各个参数提供方便，包括LCD显示屏和4×4矩阵键盘；EEPROM存储模块可以大容量存储温度、湿度、光强、CO2浓度等数据及工作参数。
图2 智能温室大棚环境自动化监测装置的模块
2 温室大棚环境自动化监测系统设计
2.1 硬件设计
环境自动化监测系统通过温湿度传感器、光照传感器和CO2传感器采集温室大棚内的环境信息，经系统的中央处理器处理后，输出结果被送到执行机构并显示相关信息，从而实现环境温度、湿度、光照强度和CO2浓度控制等一系列功能。该系统的总体硬件结构如图3所示。
2.2 软件设计
为便于连接和调试，软件设计采用模块化程序设计方法，将特定功能编成子程序，以调用子程序方式组成程序流。这样既可以做到修改和调试程序方便，又可以实现软件自诊断，从而使软件更容易理解和维护，为程序通用性、功能扩展可行性、软件资源共享性提供条件。整个程序主要由主程序和若干子程序组成，子程序主要包括温湿度测量模块、CO2及光照强度测量模块。人机接口模块包括键盘处理模块和显示模块。
将智能温室大棚近似看作一个矩形，将其平均分成8个部分并编号为A～H（如图4所示）。主程序运行时，首先显示第一个分区的温湿度、CO2浓度及光照强度，如果数值越限，则报警显示；同时，显示下一个分区的温湿度、CO2和光照强度值，并检查是否越限，以此类推，直到检测完所有分区。
智能温室大棚环境自动化监测系统主程序流程如图5所示。
本系统主要完成温室大棚环境因子数据采集与处理，以及与上位机之间进行通信。根据系统要求，系统对温室大棚内的温度、湿度、光照强度与CO2浓度信息进行采集，实现ZigBee检测节点与上位机间ZigBee无线通信，通过设置相关监测参数进行信息显示，具备实时信息输出、控制、功能自检等一系列功能。
3 温室大棚环境自动化监测系统仿真
通过对新疆生产建设兵团第一师十团花卉基地和温室大棚进行参观和调研，确定现代智能温室需要对大棚内的温度和湿度进行调控，使之保持在适当范围。但光照和CO2浓度只需检测和显示，不需要借助系统程序对其进行控制，原因为：1） 在白天光照充足的情况下，温室尽可能利用自然光照；白天光照不充足时，采用室内照明设施进行补光。2） 利用通风装置保持温室内的空气与大气接近，CO2浓度大约占大气浓度的0.03%。
鉴于上述原因，主要对温室大棚内的温度和湿度进行仿真。
3.1 Keil uVision4
采用Keil uVision4编写C语言程序，通过编译器进行编译、连接，最后将生成的机器码下载到单片机上。
Keil编译器是目前应用最广泛的单片机开发软件之一，为美国Keil Software公司开发的C语言开发系统。其提供一个完整的开发平台，包括宏汇编、C语言编译器、库管理、连接器和功能强大的仿真调试器，并通过集成开发环境将这些部分组合在一起。
3.2 Proteus电路仿真
Proteus软件用来对所设计的电路进行仿真，功能比较强大，可以对包括单片机在内的绝大部分元器件进行仿真。与此同时，可以把Keil编译、连接后生成的hex文件导入Proteus单片机中进行仿真。
3.3 系统仿真
打开Proteus ISIS，在Proteus ISIS编辑窗口中单击元件列表上的“P”按钮，添加元件及放置元件，可以得到对应界面；选择所需元器件后，对元器件进行重新布局，使之看起来比较清晰、所占面积比较小。如果需要移动某个元件或多个，单击其元件，待其颜色变红后，按下鼠标左键不放即可拖动元件。按照正确的方法将元器件进行合理排布及连线后，即可得到系统仿真结构图，如图6所示。
通过仿真进行系统环境自动化监测模拟演练，可以熟悉控制系统工作过程，有利于改进及提高控制精度，实现温室大棚环境自动化监测，减轻人工作业量。
4 结论
综合运用单片机技术、计算机控制技术、ZigBee无线通信技术设计一套以AT89C52为主控芯片的智能温室大棚环境自动化监测系统。该系统可以实现温室内各环境因子的实时监测和无线通信传输，便于大棚管理人员实时了解温室内的环境因子，并及时控制调整，为提高农作物产量提供技术支持。
参考文献
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温室环境监测 篇6
温室在现代农业生产中占有非常重要的地位,它可以对温度、湿度、光照、CO2浓度、水肥等环境因子进行有效控制[1]。目前在温室控制中常采用的传输方式有有线通信和无线通信两种方式。而无线通信方式以其无需布线、组网灵活、易升级等优点,已在温室环境监控系统中广泛应用。本文以ATmega48单片机作为主控芯片,采用无线收发芯片nRF24L01+,选择合适的温湿度传感器、CO2浓度传感器以及光照度传感器组成无线网络节点,节点间连接方便,可快速组网。
1 总体方案设计
无线传感器网络由大量可以进行环境变量检测、数据处理以及无线数据传输的传感器节点组成。无线传感器节点是网络的基本组成单元,除了将采集的信息进行处理以及发送外,还可以对相邻节点的信息进行接收和转发。各汇聚节点最后将检测到的数据送到现场控制单元来进行决策,现场控制终端还可以通过GPRS无线模块,将采集到的数据发送到远程服务器,并接收远程服务器发送给温室控制终端的命令。为了降低系统设计复杂度,本设计方案采用星型拓扑,各网络传感器节点通过星形结构与汇聚节点通信,不转发临近节点的信号[2]。
由于所设计节点主要用在温室环境测控中,所以该无线传感器网络节点主要包括中央控制单元、温度检测模块、湿度检测模块、二氧化碳检测模块、光照度检测模块、射频模块以及供电模块等7大模块,系统结构如图1所示。
2 系统的硬件设计
2.1 中央控制单元
中央控制单元是整个系统的核心,其选型直接影响着整个电路的复杂程度以及模块的成本。因此,选择功能强、外围接口丰富、处理速度强的DSP或者ARM芯片是大多数开发者的首选。但是在温室环境监测中,传感器采集的数据量不是很大,可以通过高性能的单片机来代替。笔者最终选择爱特梅尔的ATmega48单片机。
ATmega48单片机是一款高性能、低功耗的8 位AVR微处理器,采用先进的RISC结构,大多数指令的执行时间为单个时钟周期。其内部包含有4k字节的Flash,自带8路10位ADC模数转换器和1个片内模拟比较器。ATmega48具有睡眠唤醒功能、上电复位以及可编程的掉电检测功能,工作电压在1.8~5.5V之间,工作温度为-40~85℃。ATmega48的功耗极低,当它的工作电压为1.8V时,在1MHz工作频率下功耗为300μA,而在32 kHz时功耗仅为20μA(包括振荡器)。
控制部分电路如图2所示。由于ATmega48单片机在低电平时复位,R1,R2和C3组成掉电复位电路;单片机的AREF为ADC的模拟基准输入引脚,单端电压输入以0V (GND) 为基准。模数转换由AVCC引脚单独提供电源,AVCC与VCC之间的偏差不能超过±0.3V;ATmega48具有SPI接口,可以在目标板上对单片机的FLASH写程序。J1为ISP下载接口,R4~R7为限流电阻。
2.2 温、湿度检测模块
温度是作物生长发育最重要的因素之一。大多数作物生长的温度变幅较窄,一般介于15~40℃,低于或高于这个限度,农作物生长速率则减缓。湿度也是影响作物生长的主要因素,因此目前设施农业的检测中,空气湿度也是检测的主要参数。
目前用于检测环境温度的18B20数字式单线温度传感器,精度可达±0.5℃,也有通过二极管PN结的结电压是随温度而变化的特性来设计测温电路;湿度传感器像法国HUMIREL公司的HS1101,无需温度补偿和校准,精度为±2%RH。为了降低电路设计复杂度、高可靠性及产品开发周期,建议选择模块电路。综合考虑,最终选择SHT71作为温湿度传感器。SHT71与单片机的接口电路如图3所示。
传感器则通过I2C接口将采集的环境变量送到单片机[3]。
2.3 CO2浓度传感器
二氧化碳传感器采用日本FIGARO公司生产的TGS4161,它是一种固态电化学型气体敏感元件,其检测范围从350×10-6~5000×10-6。TGS4161在探测二氧化碳浓度时,其内部的电化学反应到达平衡的时间大约为12h[4]。TGS4161正负两极间的电压与温度有关,需要对温度进行补偿,TGS4161的预热校准时间大约为2h。
TGS4161测量中CO2浓度与△EMF间的关系如图4所示。由图4可知是△EMF与被检测气体的浓度成线性关系。由于TGS4161自带有高温加热电路,只需输入一个加热电地压,保证加热电源的稳定,就可以消除△EMF随被检气体的温、湿度的变化情况。
其中,EMF1为CO2浓度为350×10-6时传感器的输出电压;EMF2为被测CO2检测电路图气体浓度的输出电压[5]。图5为CO2检测电路图,在信号调理电路中,加入由一个高阻抗带偏置电流的放大器TLC272,随后送给单片机的PC1端口进行A/D转换。单片机对采集到的转换信号经过计算后,以实现对CO2浓度真实值的准确检测。
2.4 光照度传感器
光照度采集通常有光敏电阻、光敏二极管(包括光敏三极管)和光电池3种方式。光敏电阻的光照特性是非线性的,光敏二极管的信号较弱,信号要进行较大倍数的放大;光电池具有性能稳定、寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好、耐高温等优点, 在光照度检测系统中得到了广泛应用。
硅光电池开路电压与光照度之间为对数关系。当电池的负载电阻在20Ω以下时,短路电流与光照有比较好的线性关系,因此选用硅光电池作为探测器。将光照强度转化为电流信号, 再通过运算放大器转化为电压信号输出[6],检测电路如图6所示。
2.5 射频模块
无线传输芯片采用nRF24L01+,是单片射频收发芯片,工作于2.4~2.5GHz频段,工作电压为1.9~3.6V,有多达125个频道可供选择,最高通信速率为2MB/s,具有自动应答和重发功能。其工作参数全部通过芯片状态字来控制,单片机可以通过SPI总线来将所配置的控制字写入nRF24L01+的寄存器中,可将其配置为发射、接收、空闲及掉电模式。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并且融进了增强型ShockBurstTM技术,它使得双向通信的协议变得异常简单。射频部分电路如图7所示。
2.6 供电模块设计
在整个系统中,单片机ATmega48的工作电压1.8~5.5V之间,射频芯片nRF24L01+的工作电压为1.9~3.6V,温湿度传感器SHT71的供电电压为2.4~5.5V(建议供电电压3.3V),二氧化碳传感器TGS4161的供电电压为精准(5±0.2V),光照度传感器的放大处理芯片TLV2252的供电电压为2.7~8V。根据以上芯片的特性,最终选择5V(如图8所示)和3.3V(如图9所示)两组电源。
3 系统的软件设计
系统软件设计主要包含单片机初始化、传感器采集处理模块和无线通信模块组成,单片机初始化程序就是设置单片机的引脚功能,以及各种寄存器的设置。传感器采集处理模块主要是一些模拟量的采集(光照度、二氧化碳浓度)和数字量的读取(温、湿度传感器SHT71),模拟量的采集比较简单,ATmega48自带10位A/D转换功能,可以对信号精确测量。
温湿度传感器SHT71可以通过I2C总线与单片机直接进行通信,将采集到的数据送到单片机进行处理。单片机首先需要对SHT71初始化设置,主要设置温湿度传感器的测量分辨率,可通过设置状态寄存器的第0位。默认寄存器的第0位值为0,分辨率是14bit(温度)和12bit(湿度);如果该位为1时,分辨率被降低为12bit(温度)和8bit(湿度),这主要用在速度极高或者功耗极低的测量应用中。由于本文测量速度不高,所以选择默认高分辨率测量。
在对温湿度测量时,单片机首先发布一组测量命令('00000101'表示相对湿度RH,'00000011'表示温度T)后,控制器要等待测量结束,这个过程需要大约20~320ms。SHT71通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式,表示测量的结束。控制器在再次触发SCK 时钟前,必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。SHT71接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC 奇偶校验(可选择读取)。所有的数据从MSB开始,在收到CRC 的确认位之后,表明通讯结束。
当单片机将传感器采集的环境参数进行处理,转换为数字信号并进行必要的合成处理,然后就要通过射频模块将其发送出去。由于该设计网络节点采用星形拓扑结构,所以nRF24L01+的发射采用PTX方式。首先要通过SPI接口对nRF24L01+寄存器进行配置,主要有TX_ADDR、CONFIG和FIFO_STATUS。当需要发送数据TX_DATA时,先按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区,通过单片机将CE引脚置高,然后发射数据;若自动应答开启,那么nRF24L01+将检测寄存器的NO_ACK是否被置位。如果没有置位,nRF24L01+将进入接收状态来接收确认数据信号,如果收到应答,则认为此次通信成功,TX_DS置高,同时TX_DATA从发送堆栈中清除;若未收到应答,则自动重新发射该数据。接收数据时,先将nRF24L01+配置为接收模式,延迟130μs 进入接收状态。当接收方检测到有效的地址和CRC时,就将数据包存储在接收堆栈中,同时中断标志位RX_DR 置高,IRQ 变低,以便通知单片机去读取数据。
4 结束语
给出一种基于单片机控制的无线传感器网络节点的设计过程,实现了对温室环境参数的采集及无线发送,使得温室环境的控制变得简单,设备投入成本降低,易于日常维护,可以快速组建网络。因此,该技术既具推广价值,随着国家农业产业结构的调整和设施农业投入的增加,其必有广阔的市场应用前景。
摘要：针对传统有线温室测控系统存在成本较高、使用不便、布线复杂、维护困难等问题,给出了一种低能耗无线测控节点的设计方案。温室中各测控节点通过无线传感网络进行通信,各测控节点以ATmega48单片机为控制核心,将各观测点的温度、湿度、光照、二氧化碳等环境参数通过nRF24L01+发送出去。经现场实验证明:该系统具有功耗低、线路简单、易维护等特点,可以对温室内的多种环境参数进行有效的监测,完全满足实际农业生产要求。
关键词：无线传感器网络,温室,单片机,nRF24L01+
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温室环境监测 篇7
现代温室是设施农业的生产车间, 环境监测在温室生产中具有极其重要的地位, 温室环境信息的监测系统是实现其生产自动化、高效化最为关键的环节。其主要作用是及时准确地检测、反馈现场作物的生长环境状况, 从而指导用户依据作物生长的要求对现场环境条件进行调节, 以保证合理的温室环境, 提高作物产量和品质, 实现温室农业的智能化[1]。传统方式下, 大部分温室环境监测系统采用有线通讯布网方式和人工测量的方法, 温室普遍布线困难、组网复杂、测量误差大、作业效率低, 使用的线缆成本很高且对电力电缆的依赖性很强, 不利于设备安装与拆移升级;且系统不易维护、功耗较大面积、远距离场合难以实现有效监测[2]。为此, 设计了一种新型的低功耗无线温室环境监测系统, 首先利用终端传感节点对温室环境多参数进行采集, 然后基于Zig Bee技术构建的无线传感网络实现采集信息的单跳或多跳方式结合传输, 最后由USB实现与Lab VIEW编写的上位机软件的通信, 并对数据进行处理。其上位机界面友好, 能够实时监测温室多环境参数。本文系统构成和主要贡献总结如下:
1) 低功耗系统实现, 主要体现在以下3 方面: 低功耗硬件设计, 节点切换休眠并延长休眠时间, 改进无线传感网络数据函数。
2) 终端传感节点部分采用超低功耗MSP430 单片机采集多环境参数与CC2520 芯片数据始发的分工处理并相互通信, 有效地解决了单芯片工作易发热、高能耗、数据不稳定的问题。现场布置显示器和报警装置, 以便现场作业人员及时发现温室环境变化。
3) 利用Zig Bee技术建立的无线传感网络, 协议简单、自组织、体积小、节点功耗低、成本低、传输速率稳定, 非常适用于温室无线传感网络环境监测系统的组网协议[3]。通过合理的路由节点设置, 采用小范围近距离星型和较远距离大范围树形的混合拓扑结构, 满足较大面积、较远距离的环境监测, 且依据后台服务器设置数据共享化。
4) 基于Lab VIEW软件来编写系统的上位机软件, 将采集到的数据通过USB上传至PC机, 便于工作人员动态监测温室各节点范围环境数据的变化。同时, 通过设置预警值实现越限报警, 建立历史数据库, 还可将数据自动生成报表, 实现信息共享, 便于数据分析。
实验结果表明, 系统具有低功耗、低成本、数据传输稳定、实时性强及界面友好等特点, 并可进一步用作后期温室作业及环境控制依据。
1 系统整体结构设计
本文设计的系统基于Zigbee技术和Lab View编程软件实现。Zig Bee是基于IEEE 802. 15. 4 标准的低功耗局域网协议, 具有近距离、低功耗、低成本、低数据速率、低成本等特点, 支持全球统一无需申请的2. 4GHz频段, 具有3 种拓扑结构—星形、树形、网状形, 每种拓扑结构都有各自的特点, 用户可按需求进行选择[4]。本文采用近距离范围星型和较远距离范围树形的混合拓扑结构, 利用该技术构建无线智能传感网络, 十分适合温室环境信息的监测。系统主要包括:电源模块、终端传感节点、路由节点、中心节点和上位机5 部分, 总体结构如图1 所示。
首先布置硬件网络, 将需要的终端传感器节点和路由节点布置到监测温室现场, 然后通过USB连接中心节点与上位PC机, 实现整个系统间的通信。系统工作时, 首先对中心节点上电, 初始化无线网络并等待其它终端传感节点和路由节点的上电加入。本文的终端传感节点本身也能担任路由角色, 这些终端传感节点和路由节点加入无线网络后, 会迅速发送网络地址和MAC地址等网络信息给上位PC机。无线传感器网络组建完毕, 终端传感节点进入休眠状态以降低功耗, 根据实际要求系统进行周期性采集和即时采集方式相结合的多环境信息采集; 基于单跳和多跳方式环境信息可在路由节点中逐步转发至中心节点, 最后由中心节点经USB通信方式, 将数据传输至上位机; 在上位机中显示各节点环境数据曲线和实时数据信息, 并对越限状态报警, 还可以建立历史数据库, 并将数据自动生成报表, 以便信息共享, 从而实现无线温室环境信息监测和数据处理。
2 系统硬件设计
整个系统采用上下位机结构。系统硬件主要体现于下位机部分, 包括系统的电源模块、终端传感节点、路由节点和中心节点几部分。电源模块化管理以便实现真正的低功耗设计; 终端传感节点采集所需各类环境信息, 并对采集信息进行信号调理后用作数据始发点; 路由节点依据实际监测范围需求, 实现环境信息单跳或多跳传输; 中心节点建立初始化无线网络并汇集所有节点的采集信息传给上位机处理。
硬件设计时需注意一些事项: 1系统为达到真正低功耗设计, 设置了电源模块化方式供电, 应注意各电源间的抗干扰设计; 且对于CC2520 这些敏感芯片更要注意, 需在电源输入选择合适的滤波电容, 设置合理的电源滤波电路, 从而保证电源信号的稳定。2无线收发节点两端注意天线设置应能满足阻抗匹配要求, 降低干扰。3PCB电路设计中, 应注意隔器件的封装、布局。这些都很有可能对整个系统性能产生很大的影响, 特别是终端传感节点的电路制作。
2. 1 电源模块
针对低功耗硬件选择, 设计对应的电源模块。超低功耗MSP430 单片机采用1. 8 ~ 3. 6V供电电压。在1MHz的时钟条件下运行时, 芯片电流约200 ~400μA, 而时钟关断模式下最低功耗仅有0. 1μA。其独特的时钟系统设计, 可在指令的控制下打开和关闭时钟, 实现对总体功耗的控制。在等待方式下, 耗电为0. 7μA; 在节电方式下, 最低可达0. 1μA。
终端传感节点在停止采集时与微控制器均处于休眠模式, 关闭显示背光, 以最大限度地降低系统功耗, 故可使用3. 3V锂电池供电。中心节点需维护整个网络, 监听节点加入或退出及数据传输。路由节点用于数据转发, 增大通信范围, 采用外部12V线性电源供电。采用及时切换至休眠模式的电源管理程序, 可以降低其功耗。电源模块结构如图2 所示。
2. 2 终端传感节点
终端传感节点部分采用超低功耗单片机进行多环境参数采集与CC2520 芯片数据始发的分工处理并相互通信的方式, 结构如图3 所示。其有效地解决了单芯片易发热、高能耗、数据不稳定的问题。MSP430 拥有方便高效的开发环境, 其处理能力强、运算速度快和超低功耗的特点满足本系统设计要求, 特别是超低功耗的特点增强了整个系统节能性。本系统设计终端传感节点还在现场布置了实时显示器和报警装置, 以便于现场工作人员作业效率。
基于所需采集的环境信息选择合适的传感器。为了降低传感器的功耗并减小节点体积, 在满足数据精度的前提下, 尽量选用低功耗的传感器: 利用LM399比较器自制土壤湿度检测模块, 可通过电位器调节检测范围, 工作电压3. 3 ~ 5V, 数字量输出0 和1 判别是否超出湿度阀值; 光照强度传感器选择TSL2561T芯片, 是一种高速、低功耗可编程内置A /D转换器的芯片, 抗干扰能力比同类芯片强; 温湿度传感器选择SHT11 数字芯片, 具有精度高、成本低、体积小等特点; CO2浓度传感器选择红外气体传感器C20, 其性能稳定、寿命长、功耗低。
2. 3 无线传感网络
本文无线传感器网络建立采用自由Zig Bee技术, 具有节点规模大、功耗低、成本低、自组网和体积小等特点, 主要由终端传感节点、路由节点、中心节点组成, 结构如图4 所示。终端传感节点可用作整个系统信息采集终端, 还能起到路由作用, 路由节点可实现信息中转、扩大网络通信范围。中心节点处于网络的核心位置实现网络初始化, 为各节点分配网络地址, 汇集各节点信息, 并将环境信息反馈给上位机处理。
3 系统软件设计
3. 1 终端传感节点
图5 所示为系统终端传感节点软件设计。其功能为布置系统硬件网络, 将所需终端传感器节点和路由节点布置到监测温室现场; 通过USB连接网络中心节点与上位PC机, 实现整个系统间的通信; 当节点未收到采集指令则立即自动进入休眠模式, 以降低功耗。
3. 2 中心节点网络
在整个无线传感网络中, 首先应对中心节点上电, 初始化无线网络并等待其它终端传感节点和路由节点的上电加入; 终端传感节点和路由节点加入无线网络后, 中心节点为各节点分配网络地址和MAC地址等网络信息并反馈给上位PC机[5]; 直接按照地址信息接收对应节点发送过来的环境信息, 然后驱动USB传送至上位机处理, 从而使网络传输简化、传输速度提升、降低系统功耗。上位机中环境信息可提供给远程工作人员对现场工作人员指导, 并就这些环境数据分析总结以寻找更好的温室环境控制方法。系统中心节点软件设计, 如图6 所示。
4 上位机软件及实验结果
上位软件利用NI公司的Lab VIEW进行编写。Lab VIEW采用图形化的语言进行编程, 易学易懂。同时, 其自带的大量函数与控件使其编程节省大量时间, 界面十分友好, 易于操作[6], 如图7、图8、图9 所示。由各节点汇总至中心节点的环境信息数据经USB通信方式传输至上位机, 在上位机中显示各节点环境数据曲线和实时数据信息, 并对越限状态报警建立历史数据库, 将数据自动生成报表, 以便依据后台服务器使信息共享, 实现无线温室环境信息监测和数据处理。2013 年8 月29 日00: 00: 00 - 17: 05: 58于南京信息工程大学3 号学科楼实验室对距离200m外的应用气象学院温室农作物栽培实验室环境进行了监测实验。
5 结束语
提出一种新型低功耗无线温室环境监测系统, 从低功耗硬件选择、节点切换休眠并延长休眠时间及改进无线传感网络数据函数3 方面降低系统功耗; 通过布置在温室中的无线传感器网络获取多环境信息。实验数据表明, 系统能够准确实时监测到温室的环境参数, 并于上位机显示和处理, 达到了系统设计的目的, 具有很强的节能性。同时, 为进一步温室作业及其环境控制的重要依据。
目前, 已有一些硬件控制方法, 即设置开窗、通风、加湿、加温设备的开关控制[7]; 但这些方式, 未能达到真正的智能控制效果。为实现更有效智能控制, 基于温室空间范围大小, 合理布置节点, 进行局部和全局结合方式, 分析考虑各温室环境信息间相互影响规律, 结合软件算法控制等, 可以达到更好的控制效果。这也将是下一步工作的重点。
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温室环境监测 篇8
温室是设施农业的重要组成部分，能够显著增强农业的抗灾、减灾与反季节生产能力。长期以来，温室环境监测普遍采用人工方式，不仅耗时耗力，时效性差，而且容易受到干扰，准确性不高，不能达到预期的效果[1]。特别是在蔬菜大棚的生产管理中，植物的生长受到环境中各种因素的影响，其中影响较大的是温度和湿度。若昼夜的温度和湿度变化较大，将对植物生长造成不利影响[2,3]。国内外温室种植的实践经验表明:提高温室的自动控制和管理水平，可充分发挥温室农业的高效性;有必要对温度和湿度进行监控，使其保持在适宜植物生长的范围内，以提高产量和质量[1,3,4]。随着传感器技术、计算机技术和电子技术的迅猛发展，温室信息自动采集及智能控制系统的研发成为设施农业的研究热点，设计一套能够实时对大棚环境因素有效监控的系统具有十分重要的意义[2,5]。本文研发了一套相对精度高、性能稳定、价格便宜的温室环境实时监控系统，实现了多点温湿度等参数的实时采集、处理、显示、存储，并可根据温室内外的环境状况对大棚各项设备参数(如通风口、卷帘等)进行自动化控制，从而提高生产效率、降低劳动强度，达到增产增收的目的。
1 系统总体设计
系统由分布在温室内外的多组传感器节点、核心控制器、执行机构和存放在计算机中的数据处理软件4部分组成[5,6]，如图1所示。
温室内外的温湿度由安装在各个测点上的高温型数字温湿度传感器(AM2315)进行采集，室内15个测点，室外3个测点。单片机控制系统负责对传感器数据进行扫描读取，经过处理后将数据打包;然后，通过串口发送给上位机数据处理软件，同时接收上位机发送的控制指令，驱动相应的执行机构。执行机构包括通风口控制系统和卷帘高度控制系统，根据上位机发送的指令，控制温室通风口的大小和卷帘高度。上位机数据处理与控制软件负责实时接收单片机发送的数据，并对数据进行分析处理，绘制室内温湿度变化曲线，显示室外温湿度;然后，通过计算比较确定通风口大小与卷帘高度等参数，发送指令给单片机控制系统[5,8]。同时，软件还具有积温功能，可以根据设定的温度上下限，对温室作物的积温状况进行控制，实时显示积温时间等参数。
2 系统硬件组成
2.1 核心处理单元选型
该系统以STC公司的STC89C52单片机作为核心处理芯片，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器[7]，具有以下标准功能:8k在系统可编程Flash存储器，512字节RAM,32个I/O接口，看门狗定时器，内置4KB EEPROM,MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构，一个全双工串行口。另外，支持2种软件可选择节电模式:空闲模式和掉电保护模式。工作频率范围为0～40MHz，实际工作频率最高可达48MHz,6T/12T可选。
2.2 传感器与控制机构选型
湿敏电容数字温湿度传感器AM2315是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合型传感器，具有体积超小、功耗极低、响应速度快、抗干扰能力强、可靠性极高与长期稳定性卓越等优点。传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度集成测温元件，并与一个高性能微处理器相连接，采用标准I2C通信方式，无需额外布线，使用简单。信号传输距离可达20m以上，湿度测量范围0～100%RH，精度+2%RH温度测量范围-40～120℃，测温精度+0.3%℃。传输的数字数据是经温度补偿后的湿度、温度及校验CRC等信息。
通风口大小控制电机选择60BYGH805A型2相4线步进电机，具有转矩波动很小、低速运行很平稳、高速力矩大、定位精度高等优点。驱动器选择DQ542MA细分型两相混合式步进电机驱动器，采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制。
卷帘高度控制电机采用NL-3158通用型四轴卷帘机，其壳体厚、齿轮重，使用了加强轴承，经久耐用，适用于70～100m的草帘型大棚。
2.3 系统硬件电路设计
系统的硬件电路采用Altium Designer Winter 09制作，部分控制器电路原理图如图2所示。
该硬件部分主要由控制器(单片机)电路、复位电路、串口通信电路、步进电机控制电路和继电器控制电路5部分组成[7]。其中，单片机的时钟频率为12MHz。P1口和P2口连接分布在温室内的15个传感器节点的时钟控制端口(共用一个端口)和数据端口(每个传感器分配一个端口)，实现对温室内不同测点处温湿度的数据采集;P3口的前4个端口连接分布在温室外的3个传感器节点，后4个端口连接步进电机驱动器的4个控制端子，分别实现对温室外部环境温湿度的数据采集和对控制通风口大小的步进电机的控制等功能。串口通信电路实现了控制器与计算机的连接与数据传递功能。控制器通过串口电路将处理后的温湿度数据包发送给上位机数据处理软件，同时接收上位机发送的控制指令。继电器控制电路(JP1和JP2)分别连接控制器的P3.6和P3.7端口，主要完成对卷帘机的控制，实现卷帘高度的自动调节功能，并通过LED灯提示卷帘机的工作状态。
3 系统软件程序设计
系统软件程序主要由控制器程序和上位机软件程序两部分组成。控制器程序设计采用的集成开发环境为Keil-μVision4，主要包括系统主控程序、传感器驱动程序、步进电机驱动程序、卷帘机控制程序、数据处理程序以及串口通信程序等的编写[7,8]。上位机软件程序采用NI公司的虚拟仪器软件开发平台LabVIEW2010设计，采用模块化设计方法[9,10,11]，各模块的编写相互独立，实现了数据采集、图形绘制、参数显示、积温控制、通讯参数设置、数据分析处理及控制指令自动判断与发送等功能。
3.1 控制器程序设计
在系统工作过程中，控制器主要完成温湿度的采集、处理、发送及接收上位机指令并控制外设等功能。控制器的程序流程图如图3所示。
系统启动后，控制器首先初始化内部寄存器、硬件系统(如串口)和传感器等，并进入等待状态，通过串口中断的方式接收上位机发送的控制指令。当接收到上位机发送的启动采集指令后，一方面检测串口中断，接收指令;另一方面进入指令类型判断状态，对当前指令进行分析和处理。若接收到的指令为通风控制指令，按照指令码中的数值控制步进电机工作，自动调整通风口的大小，然后再次进入当前指令类型判断状态;若接收到的指令为卷帘控制指令，按照指令码中的数值控制，并驱动卷帘机，自动调整卷帘的高度，然后进入当前指令类型判断状态;若接收到的指令为数据采集指令，则对温室内外的所有传感器进行扫描读取，并对温室内外的传感器数据分别进行平均值计算，然后将数据按照规定的格式打包，并通过串口发送给上位机数据处理软件，同时进入当前指令类型判断状态;若接收到的指令为暂停采集指令，则立即停止数据采集，进入等待状态;若接收到的指令为停止采集指令，直接关闭控制系统。
3.2 上位机软件程序设计
上位机软件利用LabVIEW2010编写，主要完成数据采集、图形绘制、参数显示、积温控制、通讯参数设置、数据分析处理以及控制指令自动判断与发送等功能[11]。同时，通过计算比较来确定温室通风口的大小与卷帘高度等参数，然后向单片机控制系统发送指令，并且对温室作物的积温状况进行控制。数据处理软件的程序框图如图4所示，程序流程图如图5所示[5,10,12]。
软件部分采用模块化编程技术，主要分为串口驱动模块、数据采集处理模块、指令分析与发送模块、数据与图形显示模块、积温处理模块、参数设置模块等[5,6,10,13]。系统参数设置模块主要完成对通信端口的选择和温湿度上下限、积温时间的设置;串口驱动模块完成串口数据的读取和控制指令的发送;数据采集处理模块主要对串口接收到的数据进行拆分、处理、指令类型判别、数据存储等工作;指令分析与发送模块根据指令类型和相关参数分配指令并将其写入串口缓冲区，发送给控制器;积温处理模块将处理后的室内温湿度值与设定的上限进行比较，完成积温时间的判断与累加工作;数据与图形显示模块主要完成温室内部温湿度变化曲线的绘制、室外温湿度数据、卷帘高度和通风口大小的实时显示等。
另外，该上位机软件还可以向控制器发送“暂停采集”和“停止采集”指令;卷帘高度和通风口大小的调节既可以通过软件自动控制，又可以手动设定值后，通过按下相应的“发送”按钮发送给控制器，并且系统记录其当前值。
4 系统测试及结果
为了测试系统工作的可靠性和稳定性，选择长度为60m、宽度为15m的日光温室作为实验对象，测试时间12h。首先，将温室沿长度方向进行5等分;然后，沿宽度方向进行3等分，得到15个等面积区域，在每个区域的中心位置处安装1个温湿度传感器，传感器距离地面高度为1.5m，对温室内部温湿度进行采集。同时，在温室顶部中心线沿长度方向上均匀安装3个温湿度传感器，距地面高度约为3m，对温室外部温湿度进行采集。系统测试结果如图6所示。
测试过程中，为了得到最佳的实验效果，连接每个传感器的信号线长度不超过20m，控制器与计算机位于温室中心位置处，距地面高度1m，通过串口进行数据传输，数据线为HL-340型USB转串口线，长度为1.5m。系统启动后，控制器每1s对所有传感器进行一次扫描采集，并对数据进行平均值计算和打包，然后发送给计算机上位机软件。数据发送格式如图7所示。
其中，采用字符串“AK”作为起始符，字符串“CK”作为结束符，用字符“D”表示数据包长度(共13个字节)。在实验过程中，由于串口在发送浮点数的时候容易发生错误，所以先将温湿度数据处理成整数部分和小数部分(各一个字节)后再打包发送给上位机处理软件。数据处理软件发送的指令码仅有1个字节，以十进制无符号8为整型数据类型表示:0代表系统停止，13代表暂停采集，15代表启动采集，50～150代表通风口大小值，151～251代表卷帘高度值。为防止数据包丢失，上位机软件每500ms扫描1次串口缓冲区。
实验结果表明，该系统的误码率和丢包率极低，可以稳定地对温室内外的温湿度进行实时监测、处理、分析和显示;能够根据温室内外的环境状况自动调节卷帘高度和通风口大小，并实时记录各项参数;可以根据植物种类的不同设置积温上下限，实现了对温室作物积温状况的控制。
5 结语
本文设计了一种基于LabVIEW2010和STC89C52单片机的温室环境信息实时采集与控制系统，并利用数字式温湿度传感器AM2315对温室内外的温湿度进行多点实时采集和处理，并能根据温室内外的温湿度的差异自动判断卷帘高度和通风口的大小，实现了温室温湿度的自动化监测与控制。该系统硬件结构简单、成本和功耗较低、使用方便灵活、维护和布线简单、软件操作简单、工作稳定可靠。将其应用到温室大棚的生产管理中代替人工方式，可以节省大量的人力物力，有效解决数据采集耗时耗力、时效性差、易受干扰、准确性低等问题，从而提高温室的自动化水平和管理水平，将温室内的温度和湿度控制在适合植物生长的范围内，可充分发挥温室农业的高效性，提高农作物的产量和质量。
摘要：在LabVIEW的基础上,以STC89C52单片机为核心控制器,设计了一套温室环境实时监控系统,采用高精度数字温湿度传感器AM2315对温室大棚多点温湿度参数进行实时采集、传输。通过LabVIEW2010编写的上位机数据处理软件对数据进行接收、处理、存储,绘制温湿度平均曲线图,并实时显示温室内外温湿度、卷帘高度与通风口大小等参数;同时,实现了积温功能,且可根据植物种类的不同设置积温上下限。该系统具有硬件结构简单、成本低、使用方便、维护简单、工作稳定等优点。实验表明:系统可以在1s内对温室内最多15个节点和室外3个节点的数据进行循环采集和处理,并可根据设定的参数和温室内外的环境状况对通风口大小和卷帘高度进行自动控制,有效代替人工方法,稳定地用于温室大棚环境参数的自动化控制。
温室环境监测 篇9
笔者设计了一套低成本的测控系统,该系统采用传感器技术和单片机相结合,由上位机和下位机(都用单片机实现)构成,实现温室大棚温/湿度的密切监测[1]。首先确定了设计的总体结构,即以3处不同地点的温室大棚作为采集对象[2,3],通过传感器采集温度、湿度和光强这些参数;之后由各点的无线系统将所采集到的参数传送到接收端,接收端再将数据送到PC机从而完成监测。
1 总体方案①
计算机控制部分的作用是对温/湿度和光照强度这3个参数进行监测与存储,其中较为重要的是实现对现场温/湿度和光照强度的采集与传输,利用RS232连接线与下位机进行通信。该设计是基于VB的多路采集与处理系统,上位机主要是利用VB进行软件编程,对数据进行跟踪显示,绘制出温/湿度变化曲线,并将数据存储到数据库中的系统软件。利用该软件可以控制下位机的工作,还可以通过输入时间参数对历史温度数据进行查询。
单片机部分是进行数据采集的核心部分,采用STC89C52作为主控单元。首先是3个采集节点的单片机对各自的传感器发送的数据进行处理,然后将处理后的数据通过无线模块发送到连接上位机的单片机中,也就是接收机。最后接收机通过RS232连接线将这3个节点的数据传送至上位机。下位机发送端的结构如图1所示。
综上所述,本系统大致可分为5部分:计算机对数据的显示与存储、单片机控制部分、无线模块部分、传感器部分和1602、12864显示部分(图2)。系统的设计过程主要包括软件设计和硬件设计两部分。
2 系统的硬件组成
2.1 数据采集单元
数据采集单元由DHT11温/湿度传感器和BH1750光照传感器组成,这两种传感器用在发送端上分别采集温/湿度和光强参数,并将参数传送到单片机。DHT11数字温/湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温/湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温/湿度传感技术,确保产品具有高的可靠性和长期稳定性[4]。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能八位单片机相连接。因此该产品具有响应快、抗干扰能力强及性价比高等优点,其电路设计如图3所示。
BH1750环境光传感器内置16位模数转换器,能够直接输出一个数字信号,不需要再做复杂的计算,其电路设计如图4所示。
2.2 数据处理单元
STC89C52单片机是目前最常用的单片机之一,此处用作数据处理和控制单元。
2.3 数据传输单元
数据处理单元由nRF24L01模块组成,用在发送端和接收端,它是一款工作在2.4~2.5GHz范围内,世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片,其电路设计如图5所示[5]。
2.4 数据显示单元
数据显示单元由1602字符型液晶和带中文字库的12864液晶组成。1602字符型液晶用在发送端,显示当前节点的温室参数。12864液晶用在接收端,显示所有节点的温室参数。1602和12864液晶电路连接如图6、7所示。
系统的硬件组成主要包括以上几个方面,由数据采集单元采集到数据以后,经数据处理单元进行数据处理,再通过无线技术将各点所采集的参数传送到接收端,发送端电路如图8所示,接收端再将数据送到PC机从而完成监测,接收端电路如图9所示。
3 系统软件
本设计的整体思路是基于nRF24L01具有同时接收多通道的数据功能来进行设计的。首先本设计要完成发送端传感器对温/湿度和光照的测量;然后通过nRF24L01无线模块将参数发送到终端,在此基础上再加入其他两节点;最后通过RS232连接线将数据传送到上位机并在上位机进行数据的显示与存储,从而实现一个无线局域的网络监测。发送端有3个节点,每个节点除了发送地址和标志位不同,其余都是相同的,因而软件总设计流程的发送端不再一一列出,只以其中一个为例(图10)。
4 开发界面设计
系统软件中共有两个界面,首先进入的是系统登录界面。登录到系统的主界面后,首先要对串口进行设置:上位机与单片机通过RS232总线进行连接,COM口一般选择COM3,这与计算机的设置有关。串口的设置界面如图11所示。将串口参数设置后,开始进行温室参数的监控。温室参数显示界面如图12所示。
5 结束语
笔者在理解温室监测技术的基础上设计了一种基于无线通信技术的温室环境参数监测系统,主要是对温室大棚温/湿度和光照强度参数监测的研究与设计。首先通过温/湿度传感器和光照传感器采集温/湿度和光照参数,再以此为节点通过无线通信方式将各节点温/湿度参数统一进行监测。此系统不但提高了监控系统的实时行和有效性,并减少了人工控制测试的温/湿度误差大、费时费力及效率低等问题。
摘要：运用STC89C52单片机、DHT11温/湿度传感器、BH1750光照传感器、nRF24L01无线模块、LCD1602液晶及12864液晶显示模块等器件,设计了基于无线通信技术的温室环境参数监测系统。该系统可以对温室内的温/湿度和光照参数进行多点采集,并将采集的温室参数通过无线模块送到终端(接收端),最后由终端设备将参数送至PC机。实现了对温室大棚中温度、湿度和光强的监控,解决了温室大棚人工控制测试的温/湿度误差大、费时费力及效率低等问题。
温室环境监测 篇10
关键词：温室群；监测传感网络；网络模式；分簇；异构层次；服务质量框架
中图分类号： S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0405-04
收稿日期：2014-03-27
基金项目：江苏省农业委员会科技攻关项目（编号：2130109）；江苏省泰州市社会发展项目（编号：TS2013023）。
作者简介：成维莉（1982—），女，江苏泰兴人，硕士，讲师，主要从事农业物联网与信息系统研究。E-mail：41066741@qq.com。
通信作者：毛林，男，硕士，讲师，主要从事农业信息化研究。Tel：（0523）86358610；E-mail：mljsahvc@foxmail.com。无线传感网络采用无线通信、微电子、嵌入式和分布式系统等技术，在监测区域内大量部署微型多传感器节点，自组织成多跳网络，协同感知、监测、处理覆盖区域的感知对象信息[1]。无线传感网络是现代农业生产对环境实时、自动及精准的监测、管理与控制的核心与关键，主导着智慧农业信息化发展方向。ZigBee无线传感网络具有结构简单、功耗低、组网灵活、可靠性高、无基础设施等优点[2]，最适合温室环境监测与控制，现有的成果主要集中于单体温室监测的应用研究[3-10]，而溫室群或连栋温室监测应用的全面性需求正不断提升。目前，温室群监测研究正处于起步阶段[11-13]，且相关研究成果较少。
温室群监测传感网络的应用研究需要经历3个阶段，即：网络模式及其服务质量体系建立、网络控制优化与仿真、网络部署与维护。特定应用场景决定了网络结构的特定模式，网络模式成为规定服务质量需求的基础条件[14]，其中网络模式及其服务质量框架是研究的基础、重点与核心。本研究针对温室群环境监测网络性能与服务质量的现实应用需求，对网络模式及其服务质量标准框架进行研究，在构建可行、有效的网络模式基础上，从服务质量的两大层面对用户服务需求及网络服务指标进行分解，采用质量功能展开的方法提出适用可行的服务质量框架。该网络模式及其服务质量框架为优化网络控制的实施提供了前提和基础。
1问题与困难
与单体温室监测相比，温室群监测传感网络规模更大、覆盖范围更广、监测信息种类更多、节点密度更高，网络结构呈现分布式、异构化、多层次等复杂特征，受传感网络自身原有的资源有限、通信干扰不畅等因素制约，使得温室群监测传感网络的研究面临诸多困难，这些困难主要表现在：（1）现有单温室系统网络结构单一、可扩展性差，无法直接移植到温室群系统。（2）研究过于理想化，缺乏有效性分析与可行性论证。现有研究中做了最理想的假设[11]，采用固有的组网结构，利用强功能设备（如服务器）将多个单体温室网络连接组合成温室群监测网络并进行仿真试验，缺乏对网络结构需求深入实际的可行性与有效性分析，而温室群监测网络需要结构良好、可扩展性强的网络支持。（3）用户所需服务质量难以保证。实时性、可靠性与网络资源效能是无线网络服务质量的3大基本标准[15]，ZigBee传感网以数据为中心，资源严重受限，节点的处理、存储、通信能力有限，网络中无线信道通信受噪声干扰存在不确定性，用户所需的业务流受到限制，服务质量难以保证。
2服务质量
服务质量（QoS）是资源受限环境中尽可能获得良好网络整体性能、为用户需求提供有关服务的一种保障机制，受到用户高度关注[16]。服务质量（QoS）是用户所需业务流（监测区域内感知信息或事件从源头传输至目的地的数据流）在网络传输整个过程中，对网络服务需求的总和[17]。服务质量体现网络整体性能对用户提出业务要求的支持能力。服务质量指标是现实应用场景中支持服务需求而预定义的一组可测定量参数[18-19]，包括：网络寿命、有效覆盖率、连通性、吞吐量、丢包率、信号干扰、时延、负载均衡、可靠性、可扩展性等指标。服务质量指标体系是选择特定服务质量指标进行组合的形式。服务质量机制通过服务质量指标体系，获得指定业务流的传输[20]，最大程度地保证传输服务质量，有效缩减受限资源开销、优化网络整体性能，延长网络生存期[19]。
无线传感网应用场景复杂，服务质量框架没有普适、统一的标准，须针对特定应用场合，由用户和网络之间协商确定[14]。一般划分为3种等级[20]：保证服务（guaranteed QoS）、区分服务（differentiated QoS）和尽力而为的服务（best effort）。对数据为中心的任务型传感器网络，各种业务之间公平竞争网络资源，尽力而为的服务框架使得一些业务流被迫丢弃[15]，服务质量需求不能得到全面的保证。
3网络模式构建
3.1网络结构需求
网络模式是服务质量需求的前提及服务质量框架的基础。温室群监测区域中（图1-a），一般需部署基站（网关）、协调器、路由器、各类传感器（含RF无线收发模块）等设备完成相应任务，协调器、路由器为全功能设备（full function device，FFD）。ZigBee协议将其定义为4种类型的节点，即网关节点、汇聚节点、中继节点、感知节点，各节点在物理形态上呈现随机散布（图1-b）。感知节点将环境信息上传或经中继节点接力传送至汇聚节点；中继节点处理及转发数据；汇聚节点是网络或子网中唯一主控节点，将其他节点加入网络，组建并维护网络，同时压缩、融合网络数据，以减轻网络负载；网关节点负责收集汇总全网的监测数据，配置、管理全网以及发布监测任务。ZigBee协议可将节点组网成星型、簇状、网状或混合型的自组织无线网络，对整个网络的感知区域实时监测与控制。
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温室群呈现大规模分布式特点，监测范围广，监测区域内节点数量众多、类型各异。随着网络节点密度增大，节点类型与功能的不同，温室群网络复杂度增加。其网络结构需求特征包括以下几点[21]。
（1）异构性。温室环境监测应用中，气温、湿度、土壤水分及酸碱度、二氧化碳浓度等感知对象种类各异，要求更多的异质传感器节点获取不同的信息。网络节点类型、地位及分工的功能呈多样化，节点自身资源状况、数据通信与处理能力不同，使得组网结构的异构成为必须。异构型结构能剔除不必要的转发路径、避免冗余数据及内爆，并降低网络功耗，延长网络生存期。
（2）分簇特性。温室群监测网络中，簇成为通信骨干网络，多簇树结构能使网络覆盖范围扩大，并且简化多跳路由，更适合于温室监测系统。异构结构中，须对节点按类型进行分组，构成星形结构的簇（cluster），利用簇首适当控制簇的规模。1个簇中同节点类型相同，初始能量与能耗水平相当，且感知数据的相似度高，在数据融合时可提高网络运作功能，大幅降低节点能耗，延长网络生存期，并具有高适应性和鲁棒性。
（3）层次性需求。分层式网络是一种网络拓扑控制手段，可分类组网或联接孤立的节点，在节点层数扩展空间上具有较大灵活性。对每个簇限定簇中节点数目的同时，分层传输数据。源节点监测有效覆盖半径或传输距离有限（理论上为10～75 m），且受环境变化、信道干扰等因素影响时，可扩展成多层结构，上层的簇首通过在簇内增加新簇或中继节点，来延长通信距离，扩大多温室块状监测区域的全网覆盖范围。
（4）能量有效性。温室传感网络中，除网关节点（基站）不受能量限制外，其他各类均能量受限。感知节点与中继节点由电池供电，出于节能与延长生存期，两者无需进行数据处理，前者一般只负责采集和上传数据，后者負责向骨干网转发数据。层次性结构中，以簇首为中心构成骨干网络，簇首节点为骨干节点，需配备更多能量，使其数据通信和处理能力更强。汇聚节点（协调器）与骨干网络进行通信，通信能耗更大、数据负载重，容易引发故障或失效，需具有更强的接收/发射功率与承载能力。汇聚节点使用外接电源供电来保障汇聚节点工作稳定性、持续性与鲁棒性。
3.2网络模式设计
高服务质量和网络资源高效利用是网络设计的首要目标[17]。大规模温室群环境中，节点呈现异构化特点，节点按同质分簇，以及网络分层化的需要，组网结构随之发生根本改观。依据其业务需求，适应其拓扑结构变化，同时兼顾拓扑结构控制及优化问题，在逻辑上对温室群网络进行分簇异构层次型网络模型设计，构建自组织、自愈合、数据转发或重传、易部署、覆盖范围可扩展的增强型结构（图2）及信息传输方式（图3）。该模型的构建过程为：（1）总体结构分4层：汇聚层、簇首层、中继层（可扩展多层）、源节点层。（2）纵向上，单体温室中安放1个汇聚节点（协调器），汇聚节点设备由外接电源供电，组建并维护1个子网，子网作为数据转发的骨干网，4层结构自上而下构成多个子网，不同子网间相互独立。（3）横向上，汇聚层中汇聚层节点之间形成闭环结构，使不同子网间互相通信。（4）簇首层也为闭环结构，同一子网内簇首间可进行数据处理，转发至上层汇聚节点。（5）子网内上下层直接通信，汇聚节点Si与各簇首节点Cij之间直接通信，子网可扩展为多层结构，自组织成多跳路由。
该模型的优势为：（1）扩大了单体温室监测覆盖面积，并扩展了温室群监控总体覆盖范围。在汇聚层加入新汇聚节点能增加新温室，能适合于各种形态的温室群，满足温室群规模扩大的需要。子网多层结构中可增设新节点，自组织成多跳路由，能扩大子网通信距离。（2）保障了网络连通性与数据完整性。汇聚节点以外接电源供电，使其处理数据能力更强；汇聚节点相互交换信息，当其他子网故障或失效时能接管失效子网的所有信息；子网中簇首节点剩余能量许可情形下，可接管其他邻近失效簇首节点并接受其所有信息。
4网络服务质量框架
4.1服务质量需求
无线传感网络服务质量包含用户层面、网络层面2层含义[15]。用户层面上，是用户需求中得到的网络服务水平，即网络服务质量满足用户需求的程度。网络层面上，是网络向用户提供满足其业务的服务质量，体现网络提供服务的容易程度及统一性[19]。针对上述温室群监测网络模型进行服务质量需求分析：
（1）用户层面上，由用户（可结合专家意见）提出若干符合实际业务的质量需求，形成较全面的用户需求服务描述。最终明确的用户需求包含10项（表1）。
（2）网络层面上，服务质量需求的重点是明确服务质量度量。其中，实时性、可靠性和资源效能是传感网络服务质量机制中3个首要的度量指标[15]。同时还包含网络寿命、有效覆盖率、连通性、吞吐量、丢包率、信号干扰、时延、负载均衡等指标和可扩展性等服务要求[20]。服务质量含10项（表2），通过向专家咨询由专家来确定。
表1用户服务质量需求
需求项需求描述Q1（1）能对环境监控区域全面覆盖Q1（2）对被监控区域发生的异常能够实时反馈信息Q1（3）得到的数据准确真实Q1（4）节点失效能维持整个区域的监控Q1（5）收到来自控制者的查询请求时反应迅速、响应快Q1（6）网络工作时间长Q1（7）指派任务的命令迅速反应Q1（8）节点稳定、工作时间长Q1（9）能增加温室、扩大监测范围Q1（10）投资总成本低
表2温室群监测网络服务质量指标
服务质量项服务质量度量定义Q2（1）节点能耗Q2（2）有效覆盖度Q2（3）实时性Q2（4）可靠性Q2（5）健壮性Q2（6）可扩展性Q2（7）连通性Q2（8）平均时延Q2（9）吞吐量Q2（10）丢包率
4.2服务质量框架
采用QFD方法建立服务质量框架，如图4所示。QFD （quality function deployment） 方法[22]通过主动获取用户明确提出的服务质量需求，并挖掘用户不明确的、潜在的需求，尽可能最大化为用户提供“积极”的质量。通过3轮纵横2相规划（每个质量屋表示1轮），最终将用户需求转换成明确的网络服务质量，对服务质量指标发挥作用与程度进行需求分析，评价各项指标贡献值，考虑各项指标之间存在相互包含或矛盾选择关键性指标。
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5结论
网络模式与服务质量是温室群无线传感器网络应用研究的基础、重点与核心，是解决传感器网络多样性、复杂性应用的重要途径。本研究提出了温室群环境监测网络模式及适用可行的服务质量框架，该框架的提出为温室群环境监测应用提供了有效的解决方案。利用该网络模式及其服务质量框架，进一步进行拓扑控制优化，能大大提高温室群无线传感器网络性能，并满足“区分服务”质量需要，为下一步要开展的研究工作提供了基础。
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温室环境监测 篇11
温室作物的生长环境对温室作物的影响很大,对温室作物生长环境的监测也越来越重要[1,2,3]。在温室监测的同时,还要求系统能够在当环境异常时及时准确地报警来提醒用户以减少异常环境对温室作物产生的伤害和损失。农业温室环境的主要监测方式有人工手工记录和电子设备自动记录方式等。电子设备处理和传输采集数据的方式主要为数据保存在设备自身、采集数据通过有线方式传输到计算机及采集数据通过GPRS远程传输到服务器等。
随着无线小型组网技术的发展,采用2.4G或433M等频段短距离局域组网再以GPRS远程无线传输的方式在农业温室上的应用也越来越多[4,5]。这种组网方式体现了一定的优越性同时也暴露了一些问题,如网页用户端不容易完成对采集节点的远程配置;报警方式不及时、智能;短距离无线组网和GPRS远距离无线传输使整个系统无法长时间稳定运行[6,7],即当系统出现故障时,无法自我恢复等问题日益突出。
为此,设计了一种基于无线传输的温室远程监测报警系统,主要由采集节点、路由采集节点、网关节点、服务器和用户终端组成。其在服务器上配置了数据库和网页远程服务,用户可以远程实时监测到温室环境作物生长环境数据,并可以远程配置单个采集节点的报警上下限和采集节点的上传时间间隔。同时,建立了多方位的智能报警系统,多种措施保证了系统可靠、稳定运行。
1 系统总体组成
系统主要有采集节点、路由采集节点、网关节点、服务器及用户终端组成,结构如图1所示。采集节点和路由采集节点负责采集温室作物的生长环境信息并汇聚到网关节点,可以由一个或多个路由采集节点组成,也可以没有路由采集节点。网关节点通过GPRS连接到远程服务器,在服务器端布置数据库和网页服务,用户通过网页或手持终端或LED显示屏查看在线实时数据。在网页端,用户可以根据权限完成浏览、下载数据等功能。
2 系统硬件设计
2.1 采集节点硬件构成
采集节点主要由微型处理器和Zig Bee通讯模块两部分组成,如图2所示。微型处理器通过各功能传感器采集温室作物生长环境信息[8,9,10],传感器类型主要有环境温度、环境湿度、土壤温度、土壤含水量、光照强度、CO2、土壤p H及土壤电导率等,实际应用时应根据不同的作物监测需求添加不同类型传感器。实时时钟为节点提供时间信息。服务器端把采集节点的配置信息保存在掉电不遗失的E2PROM存储模块里。传感器节点实时显示采集的数据,当环境参数超过设定的正常警戒值时,节点通过报警单元声光报警。微型处理器采集的各参数信息通过采集节点发送给网关节点,实现采集现场数据的实时上传功能。路由采集节点的硬件组成和采集节点相同,只是软件设置不同。
2.2 网关节点硬件构成
网关节点主要有微型处理器、GSM/GPRS通讯模块[11]和Zig Bee汇聚节点构成,如图3所示。微型处理器主要负责Zig Bee汇聚节点到GSM/GPRS模块的数据处理和数据传输。网关节点有两个天线:一个是GSM/GPRS天线,一个是2.4G Zig Bee天线。
3 采集节点和网关节点设计
3.1 采集节点工作流程
采集节点上电初始化,初始化后开始寻找网关节点建立的PAN网络并且申请加入;当采集节点加入到PAN网络后,节点打开总中断,然后采集各个传感器的数据并且液晶实时显示;定时器按每秒累计计时;采集节点采集到的各个传感器数据与配置的警戒值参数进行对比,然后判断定时器是否达到配置的上传周期。当未达到配置的上传周期时返回到采集阶段;当定时器计时到了配置的上传周期时,定时器计时清零,采集节点把采集到的数据以点对点短距离无线通讯方式发送到网关节点。采集节点具体工作流程如图4所示。
3.2 采集节点与服务器通讯协议
采集节点和网关Zig Bee汇聚节点在TI的Z-stack协议栈基础上开发。为了规范与服务器通讯协议,使用采集节点与服务器端的通讯协议如表1所示。
数据采集帧的长度在50byte以内。如果每隔0.5h发送1次数据,1个采集节点1个月内的数据流量为2 400byte,则20个采集节点、路由采集节点正常工作,每个月大约消耗47M的流量。
3.3 网关节点软件流程
网关节点上电初始化,初始化后GSM/GPRS模块首先注册GSM,并通过GPRS连接服务器,随后Zig Bee汇聚节点创建一个局域PAN网络,等待采集节点的加入。当有采集节点请求加入时,网关节点允许其加入并为其分配短地址。然后,网关节点开始监听数据信息,没有监听到数据则返回。如果监听到数据,网关节点判断接收到的数据是采集节点的采集数据还是服务器端的配置指令数据。当收到的数据为采集节点采集数据时,网关节点通过GPRS把采集数据发送到带有公网IP服务器端的指定端口[7];当接受到的数据是服务器配置指令数据时,网关节点以点对点的方式同时发送给所在PAN网络的各采集节点。采集节点根据配置指令协议判断是否为配置本节点的指令,如果是则响应相关配置指令,这样就完成了服务器端到采集节点的远程报警上下限和采集时间配置,如图5所示。
4 服务器管理端设计
4.1 远程网页访问
在服务器上布置了温室农作物生长环境监测报警系统,用户通过B/S的方式远程查看温室环境实时数据[12]。用户不仅可以通过网页平台还可以通过手持终端、远程LED显示屏访问服务器数据库实时数据,实现了多平台的采集节点数据实时显示。
服务器管理端主要完成两方面的工作:一是接收多个网关节点的GPRS的连接请求并监听服务器上特定的端口,监听的端口数据如果符合协议则存储到本地mysql数据库;二是通过tomcat启用网页服务,用户通过登录网页远程查看温室作物生长环境的实时数据。前台界面和后台程序通过java语言实现[13,14,15],网页服务主要构成如图6所示。
4.2 远程配置的实现
采集节点和路由采集节点数据信息汇聚到网关节点后通过GPRS与带有公网IP的服务器建立连接,服务器监听网关节点配置的端口内容。采集节点和路由采集节点每隔一段时间向服务器端发送一个心跳包使服务器能够监测到它在线。
当需要对采集节点进行远程配置时,用户终端通过服务器首先找到需要配置的单个节点所在网关节点的GPRS连接;然后“踢出”需要配置的网关节点连接,网关节点重新连接服务器,当连接成功时,服务器能及时找到需要配置的网关节点连接。此时服务器下发需要配置的指令,这样提高了配置的成功率和配置效率。配置指令下发到网关节点,网关节点下发配置指令到所在PAN网络子节点,子节点根据指令协议的节点ID判断是否为配置本节点的指令,如果是则响应相关指令。配置成功后子节点返回配置成功指令,完成服务器对采集节点的远程报警上下限和上传时间周期配置。
报警上下限配置指令协议如表2所示。
采集节点上传间隔的配置协议与报警上下限协议类似,协议里配置最低值和最高值替换为时间间隔,内容为1byte的字符。在采集节点把协议字符和实际上传周期做了对应,如A代表上传周期为2min,B代表5min等。
采集节点通过中断的方式响应网关节点发送过来的服务器配置指令。程序首先保存原来的工作状态进入中断入口,开始接收并响应服务器端发送过来的配置指令,然后把最新的配置信息保存在掉电不遗失的E2PROM里,最后读取最新的服务器配置参数,并中断返回;中断结束,采集节点程序继续运行。
5 系统可靠运行机制
采集节点长期在温度、湿度多变的温室环境下运行,不仅需要近距离组网还需要远程网络传输,设备就容易出现故障和不能持续稳定运行。为避免以上问题,加入了系统可靠运行机制具体方法。
1)加入了看门狗复位,当采集节点出现故障时,保证了采集节点正常运行,并且发送复位信息给服务器。
2)采集节点、路由采集节点和网关节点运行24h后复位,保证了其长时间运行的连续性。
3)采集节点由于某种原因断网时,采集节点及时重连网关节点建立的PAN网络。
4)当网关节点的GPRS由于某种原因断开服务器时,配置网关节点在2min内重连服务器,直到连接上为止。
采集节点打开看门狗指令:
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
IE1|=WDTIE;
采集节点要不停的“喂狗”,“喂狗”指令
WDTCTL=WDTPW+WDTCNTCL+WDTSSEL;
采集节点定时器计时,24h采集节点自动复位,复位指令
WDTCTL=WDTPW;
配置网关节点GSM/GPRS模块定时复位指令
AT^RBTYPE=参数A参数B
参数A为1时,参数B表示没有信号多长时间重启并连接服务器;此时,网关节点配置B为2,表示2min没有信号时设备重启并重新连接服务器。
参数A为2时,参数B表示工作多长时间自动重启,此时B为1 440表示24h系统重启。如果时间到了设备仍然在连接状态,则推迟重启直到网关断开GPRS网络并开始下次计时。
6 智能报警
不同的温室作物或同样的温室作物在不同生长阶段对生长环境的要求不同。为了保证作物生长在适宜的生长环境范围内,需要对作物适宜生长范围之外的环境参数及时智能报警提醒。另外,由于人为或自然的因素使温室环境出现异常时,温室管理人员需要及时得知报警信息以便采取必要的行动措施。
本文采用了本地声光报警、短信报警、网页报警、LED报警等多种报警方式实现了全方位的报警提醒。当温室环境出现异常时,采集节点首先现场声光报警,提醒现场工作人员,如果5min后报警信息仍然存在,则系统确定监测环境确实存在异常。此时采集节点或路由采集节点发送AT指令给网关节点,网关节点收到AT指令后给设定的用户手机发送报警短信。
当温室管理员不在现场时,远程发送报警短信可以及时报警提醒。在网页平台加入了报警信息的滚动显示,用户通过访问网页平台可以查到报警记录。网页平台可以直观地看到报警信息,正常节点在线时,图标为蓝色;有报警信息时,图标变红,并指出超范围的报警值,如图7所示。
节点短信报警AT指令格式:
AT^SMS=电话号码节点ID,异常数据类型,当前采集值,报警下限,报警上限,当前时间r
收到短信内容为“节点编号C06,土壤含水量采集值12.9%,报警下限15%,报警上限45%,当前时间2013-10-19 16:50”。
7 测试与应用
7.1 传输距离和丢包率测试
在北京通州瑞正园草莓示范基地对采集节点和网关进行了传输距离和丢包测试。经试验验证,本文所设计单个采集节点和网关节点在可视距离100m以内时,丢包率几乎为0;单个采集节点和网关节点在可视无阻挡的情况下,在350m左右可以实现稳定数据传输,在300m采集节点可以和网关节点实现断网重连;温室采集节点和网关节点之间有3堵35cm厚度的承重墙可以实现稳定数据传输。
另外,本文设置实验环境如下:在9个并排的温室大棚的最外2个温室布置了2个采集节点,中间布置了7个路由采集节点,大棚之间距离为3m;在中间大棚放置网关节点,网关节点天线拉出到温室大棚顶部,使其他采集节点和路由采集节点尽量与网关节点天线可视,通过服务器远程配置每个采集节点和路由采集节点的采集时间间隔为2min,在服务器数据库上对2013年4月2日0:0:31至3日23:59:11两天的数据条数进行查询,实际收到12 641条数据,正常应该收到12 960条;在两天时间内,9个温室采集节点和路由采集节点在近距离无线组网和远程传输的过程中丢包率为2.46%,考虑到温室作物和墙的阻挡还有远程GPRS数据传输的信号稳定性,实际丢包率在允许范围内。
7.2 采集节点测试
北京通州瑞正园草莓示范基地安装的温室环境监测报警系统从草莓定植期到采收期稳定运行,对采集节点编号为A88的采集节点2013年4月16日的采集数据进行整理,实际采集周期为2min,抽取每隔0.5h数据,绘制成曲线图,如图8所示。
由图8可以看出,环境温度和环境湿度变化趋势正好相反,即当环境温度升高时环境湿度降低,环境温度降低时环境湿度升高;土壤温度在一天过程中变化不大,与环境温度变化趋势近似相同;土壤含水量在一天过程中保持在31.6%和32.8%之间;光照强度在早上10时和下午3时之间达到了最高值;各个参数的变化过程符合实际环境变化趋势,采集节点采集数据能够正确反映温室的环境参数变化。
另外,当环境参数出现异常或在正常区间之外时,采集节点和网关节点及时为用户本地和远程报警。网关节点监测报警信息存在5min后,为用户远程发送报警短信并且发送报警数据信息到服务器端。实验验证,从监测到异常信息确实发生到用户手机收到报警短信,整个过程可以在1min之内完成。
8 结论
本系统完成了采集节点、路由采集节点、网关节点的无线组网和到服务器的无线传输,实现了对温室作物环境信息的智能监测和报警,并且在服务器搭建了数据库和网页服务,用户通过用户终端远程查看温室的实时数据和历史数据。在服务器网页平台成功实现了对单个采集节点的远程报警上下限和采集时间间隔配置,实现了温室环境异常时本地声光报警、短信智能报警等多方位报警方式。加入的采集节点与网关节点的稳定运行机制,可以使出现故障或断网的设备恢复正常运行。搭建的系统在北京郊区多家农民专业合作社得到很好的示范应用,整个系统可以稳定运行,可以满足温室作物环境信息监测和智能报警的需求。
摘要：设计了一种基于ZigBee和GPRS无线传输的温室环境智能监测和报警系统,有效地解决了温室环境监测过程中布线困难、报警方式单一、成本高、不能稳定运行等缺点。以微型处理器和ZigBee通讯节点作为采集节点,以ZigBee和GSM/GPRS通讯模块作为汇聚和远程数据传输的网关节点,采用树状的组网方式完成短距离的数据汇聚,通过GPRS完成远程数据传输;在服务器上配置了数据库和网页远程服务,用户通过用户终端远程访问温室作物实时监测数据。本文实现了节点和服务器的双向数据通讯,使服务器可以远程配置单个采集节点的报警上下阈值和采集时间周期;完成了温室环境的智能报警;加入了系统可靠运行机制,使系统可以连续、稳定地运行。经试验验证,系统可以满足温室作物生长环境的智能监测和报警需求。