導語：大棚農業監測系統設計與實踐一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

目前，傳統的基于有線通信系統的大棚農業環境監測系統存在以下不足：一是有線通信技術雖具有設備操作性好、抗干擾能力強等優點，但是實際的應用環境潮濕、高溫、土壤及空氣具有較強的酸堿性，極易導致通信電纜的老化，從而降低系統的可靠性，故障發生率和誤報警率較高；二是大棚農業領域的數據采集大多在廣闊的空間內進行，在農業大棚生產的實際應用中，需要密布傳感器節點，才能實現對監測區域的有效覆蓋，導致農業設施內部的線纜縱橫交錯，靈活性和擴展性能差，系統安裝及維護成本高［1－3］。ZigBee［4］是一種新興的短距離、低功耗、低成本、低速率的無線網絡技術，主要應用在近距離無線連接。筆者等針對目前大棚農業環境在線監測的需要，設計出基于ZigBee無線傳感器網絡的大棚農業監測系統的方案，可快速、可靠地實現對目標監測區域的溫度、濕度和光照強度等影響農作物生長的因素進行遠程采集、傳輸，提高農業管理的網絡化和智能化水平，降低大棚管理工作量，在生產應用上具有重要意義。

1農業大棚監測系統

基于ZigBee大棚農業監測系統的總體結構主要包括網關節點、匯聚節點、傳感器節點、遠程客戶端和服務器5個部分組成（圖1）。無數網絡節點機布施在大棚監測區域內，節點之間通過自組織的方式快速形成一個無線傳感器網絡。在傳感器網絡內部，每個傳感器節點既是信息的采集者和發送者，又是信息的路由者［5－6］。比如監測大棚內的溫度、濕度和光照強度。節點每2min進行一次環境信息的采集和監測。匯聚節點將無線網絡發送的數據進行處理后經過網關將數據輸送給主服務器，主服務器完成對數據的分析、存儲。

2系統的硬件設計

2．1無線傳感器網絡節點設計

傳感器節點是整個監測系統的核心部分，負責采集環境參數，并將采集到的可靠數據轉發到監測網絡中。無線傳感器網絡節點主要由微處理器模塊、數據采集模塊、電源及擴展接口模塊和無線通信模塊組成［7］。其系統結構圖如圖2所示。

2．1．1微處理器模塊傳感器網絡節點是用電池供電，而且不能頻繁地更換電池。因此，從低功耗、高性能的角度考慮，設計時選用市面上最先進的由英國JENNIC公司生產的JN5139。JN5139系列使用硬件MAC和安全性極高的AES編碼加速器，大大降低了功耗和處理器的費用，同時提供了內置休眠計時器和節能設備以降低系統功耗［8－10］。

2．1．2數據采集模塊大棚農業監測系統主要是對大棚的溫度、濕度以及光照強度進行采集。通過對目前市場上現有各種傳感器的精度、量程、功耗以及供電電壓等性能的分析與比較，系統選用瑞士Sensirion公司生產的新一代基于CMOSensTM技術，可實現數字量輸出、免調試、免標定及全呼喚功能的溫濕度傳感器SHT10來采集大棚環境的溫濕度。SHT10的供電電壓標準是2．4～5V，若用5V供電，測得消耗電流為550μA。在休眠時期電流消耗為0．3～1μA，具有功耗低、體積小、抗干擾能力強等優點。太陽光照強度采集部分采用TAOS公司生產的TSL2561［11］光強度數字轉換芯片。具有低功耗、高速度和寬量程等優點。

2．1．3供電模塊由于該系統中各個模塊要求供電電壓都比較低，2．4～3．6V就能夠達到系統正工作的要求，只需選用兩節5號干電池作為電源給系統中的各個模塊進行供電。按15000mA／h的電池容量且每2min進行一次環境參數采集，即每隔2min對溫度、濕度以及光照強度進行一次采集測量，大概工作時間為12個月，即一年內無需考慮傳感器節點因供電不足而帶來的其他問題。

2．2匯聚節點設計

匯聚節點的主要功能［12－13］：1）采集該點的土壤環境信息（如溫度、濕度）；2）接受來自其他節點的信號；3）對信息進行整合，并根據用戶需求實時顯示和大容量的存儲。無線傳感器節點采集到大鵬室內的溫度、濕度經信號調理電路預處理后，再經A／D轉換器轉換后送入JN5139微處理器，利用USB進行儲存，且根據需要進行顯示。

3軟件設計

3．1Zigbee協議棧

Zigbee協議棧由一組子層構成，每層為其上層提供一組特定的服務，即一個數據實體提供數據傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務，每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為其上層提供服務接口，并且每個SAP提供一系列的基本服務指令來完成相應的功能。IEEE802．15．4－2003標準定義了最下面兩層：物理層（PHY）和介質接入控制子層（MAC），Zigbee聯盟提供了網絡層和應用層（APL）框架的設計。其中，應用層的框架包括應用支持子層（APS）、Zigbee設備對象（ZDO）以及由制造商設定的應用對象。

3．2溫濕度采集程序

SHT10監測大棚農業環境溫、濕度信息的流程如圖3所示。測量農業環境溫濕度分幾個步驟：1）發送“啟動傳輸時序”，對SHT10進行初始化。2）發送控制命令字。3）等待測量轉換結束，SHT10對下拉DATA數據線至低電平表示測量結束。4）傳輸數據的高字節。5）傳輸數據的低字節。6）傳輸校驗字節。

3．3TSL2561軟件設計流程及PC機程序

無線傳感器網絡節點將采集到的環境信息（溫度、濕度、光照強度等）通過無線傳感器網絡傳輸到協調節點，再通過協調節點上的RS232串口傳輸給PC機（圖4）。PC機在收到信息后進行運算，將運算后的結果與擬合曲線上的計算值做比較，當超出了設定的范圍，PC機發出報警信號，驅動執行機構動作后自動調節大棚室內的環境（圖5）。

4結論

該系統設計方案經阜新市四合區阜新農業大棚的生產應用表明，系統運行正常，未出現任何問題。驗證了該設計的合理性，解決了對目標監測區域的溫度、濕度和光照強度等影響農作物生長的因素進行遠程采集和傳輸，大大減少人力的投入、降低了成本和提高了農作物產量，具有較好的生產應用價值。