基于无线传感器的分簇温室大棚监控

引 言

伴随着时代的发展，人们对于生活质量要求更高，反季节水果和蔬菜受到人们的欢迎。在上世纪 80 年代，很多农村开始兴起温室大棚，一直到现在，很多的温室大棚依然是人工管理的耕作模式，人们自己搭建和管理，这种方式耗费了大量的人力和财力，并且受到一些规模的限制，对此农业现代化应运而生。人们能够通过在温室大棚中使用传感器来实时的监测大棚环境，再用ZigBee 模块搭建网络环境，自组网以后，能通过 ZigBee 模块做为协调器来发送数据到PC 机上， 在PC 机上实现数据的处理和反馈。

外部的自然环境对农作物的影响很大，温室的内部温度、空气中的湿度、太阳的光照强度和温室内的二氧化碳浓度等都能影响作物的生长时间和产量。在温室控制领域，室温控制、二氧化碳浓度的控制、水肥控制、通风控制、灌溉控制以及光照补偿控制等都有很高的自动化管理。

在最近的几十年，我国也在强调自动化管理的研究和应用，通过对于发达国家技术的借鉴和自主创新，我们国家的自动化管理和监控技术有了很大的提高。但是在高海拔地区自动化管理的应用受到了限制，为了能更好服务于西藏地区，自动化技术的普及是很有必要的。

1 硬件设计

1.1 无线传感器的应用

无线传感器的发展是迅速的，在很多领域都能搜寻到它们的踪迹，如环境监测和工业生产等[1]。传感器能够感应到周围环境的参数，并且能够处理这些参数，把数据传输出去。传感器的体型很小，并且很节能，能很好的跟无线技术结合。

无线传感器网络在温室大棚的环境调整中得到实际的应用，PC 机能够实时的监测数据，并且能处理和反馈这些数据， 用户能很好的监控温室环境，图 1 所示是一个无线传感器网络示意图。

本课题采用TI 公司生产的 cc2430 做为ZigBee 芯片[2]， 芯片包含了Z-Stack 和其它协议的所有规则，拥有协议栈。所有节点分为传感器节点和汇聚节点两种。

1.2 分簇设计方法

通过分簇法把环境分为三个区域 ：热带区，寒带区和温带区。热带区主要是南方的一些水果和蔬菜，或者其它作物， 这个区域的环境是要求光照强，空气湿润 ；寒带区主要是北方的一些作物，这个区域的环境要求温度要保持在一定的范围，而且空气比较干燥，CO2 浓度低 ；温带区主要是中部的一些作物的生长，需要根据作物不同的季节，来合理的调节一些标准，使得作物能正常的生长。

分簇法是让不同区域的作物分配到不同是温室中，在每个区域都有一个ZigBee 协调器来传输数据，在主机界面上会有每个区域的管理平台和数据处理机制，这样能很好的监控作物的生长。图 2 所示为分簇法的总体设计图。

2 采集终端的设计

采集终端可使整个监测系统保证数据的正常传输，体现了监测功能的正常工作。采集方式是通过无线传感器节点来完成。传感器芯片的选择很重要，既要做到功耗低，价格便宜，也要在意采集数据的精准度和一些其他因素。寒带区的传感器选择温度主要是－ 30℃～ 45℃之间变化，而热带区是－ 10℃～ 80℃之间变化，温带区是－ 20℃～ 60℃之间变化。

采集模型的终端是温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和光照强度传感器采集的数据进行A/D 转换，把模拟信号转换成数字信号，单片机控制数据的转换，数字信号通过无线发送模块传递给PC 机。

传感器的选择，温度是影响作物生长的重要因素，根据不同的环境可以选择不同的传感器，我们选择 AD590 作为温度传感器，AD590 能够容忍加载正向最大 44 V 的电压，反向 20 V 的最大电压，传感器不容易因电压的过大而损坏 [3]。AD590 不需要精密电压放大器、线性化电路、电阻测量电路和冷结补偿，还不容易受到外界的干扰、传输较远的距离进行测量温度。

湿度与作物的生长也息息相关，电阻式湿度传感器，它的上面有一层感湿材料薄膜，它会吸附空气中的水分，从而影响电阻值发生变化，空气的湿度可以通过电阻的变化而体现出来。电容式传感器是采用一种高分子薄膜。随着空气中水分的变化，吸附在湿敏电容表面的高分子材料上的水蒸汽含量会发生变化，从而使得电容值改变，进而体现空气湿度的变化 [4]。

CO2 存在于空气中，对于一个密封的温室环境，作物不断进行光合作用，使得二氧化碳的浓度和室外有很大的差别。理想的二氧化碳浓度能够促进幼苗根系的生长，增强作物的生命力和增加产量。透过CO2浓度检测值的吸收光谱的处理产生的值来转换成对应的电信号，数字滤波，经过放大电路后， 最后发送到单片机，经温度补偿以后，由单片机系统传递出去。

光照是光合作用的条件，因此，对作物的生长也很重要。光照传感器采用高端光电转换模块，把光照强度值转换为电压值（0 ～2 V）或者电流值（4 ～20 mA）。

采集完以上四种数据以后，进行模拟信号到数字信号的转变，发送到单片机。

3 测试结果分析

在终端数据采集的测试中，精准性是最重要的，就是说远程接收的数据和现场数据的误差，本设计中监测四个参数： 温度、湿度、光照和二氧化碳浓度。每个参数用 3 个区域为选定对象，每个区域放置两个传感器，每个传感器发送两次数据，间隔时间为一个小时。其测试结果如表 1 所列。

精度灵敏的数字温度计按照相同的分布和同样的时间给出的实测值如表 2 所列。

通过比较得知其误差范围在5% 以内，是允许的误差范围， 这里只举出温度的数据表格，其他参数也是误差在 5% 以内， 符合要求。

4 结 语

本文通过在高海拔地区温室大棚的实际应用，解决了西藏地区一直以来不能吃到新鲜蔬菜和水果的问题，使得西藏地区的物价水平有了一定的降低，方便了本地人们的生活。希望下一步能够很好的普及在西藏地区，让更多的人得到实惠。