《基于嵌入式平台的智慧大棚开发》
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摘 要：加强农业与信息技术融合,发展智慧农业是农业现代化发展的潮流,智慧大棚作为智慧农业的一部分,对促进农业现代化建设起了重要作用.智慧大棚系统基于智云物联平台设计,选取嵌入式微处理器,以CC2530作为底层硬件平台,利用采集类传感器实时采集环境参数,利用可燃气体,烟雾传感器和声光报警传感器,保障大棚的安全.采用ZigBee无线网络通信技术,实现对大棚环境的监测和设备的远程控制,为农业工作者提供一个实用、高效和便捷的工作环境,为农作物生长提供一个舒适、安全的大棚环境.
关键词：农业现代化;嵌入式;智慧大棚;ZigBee;CC2530
中图分类号：TP315 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）01-0220-03
1概述
近年来,耕地数量的减少,资源的浪费等问题使得农业问题越发突出,加快补齐农业现代化建设短板成为全党和全社会的共识.智慧大棚的研发也迎来了黄金发展期.随着物联网的发展,智慧大棚也开始进入了人们的视线.它的出现极大地提高了生产效率,降低了劳动力成本,还减少了环境所带来的经济和生产损失.普通的大棚技术将被更加高效、便捷与安全的智慧大棚所取代.智慧大棚是将智能化控制系统应用到大棚种植上,利用最先进的生物模拟技术,模拟出最适合棚内植物生长的环境,各类传感器采集大棚环境数据：空气温湿度,C02浓度,光照强度等.实现根据各项数据的分析与比较,通过手机APP或web方式控制大棚内的设备,对大棚进行智能化控制.
农业现代化是国家现代化的基础和支撑,农业信息化是农业现代化的重要技术手段,智慧大棚作为农业现代化建设极其重要的一部分,将成为最具前景的农业种植与管理技术之一.
2系统功能需求分析
传统农业种植方式下,农民进行浇水、施肥、打药时大多依靠经验,没有量化指标,单纯依靠人为判断,往往存在误差,产量和质量也会大打折扣.而使用智慧大棚系统,用户可以实时监控环境数据,并可以根据采集到的环境数据,通过手动模式、智能模式两种方式管理大棚内的各类设备,为农作物生产提供良好的生长环境,提高农作物的产量和质量,给用户带来更高的经济效益.
该系统基于智云物联平台设计,通过温湿度传感器,C02传感器等多种传感器采集环境数据,利用声光报警模块识别大棚内的突发情况进行报警,底层采用的是单片机cc2530,同时采用了ZigBee无线网络通信技术.顶层采用了HTML5、CSS3、Ja-va、Android等技术.实现通过web或android手机app对智慧大棚的监测与管理功能.
智慧大棚可以实现如下功能：
（1）实时数据采集功能：实时监控和采集大棚环境数据：空气温湿度、土壤温湿度、CO2浓度和光照强度.被采集到的环境数据显示在手机APP或web端.
（2）执行控制功能：在手机App或web端点击湿帘风机、滴灌、遮阳板等设备图标,实现对设备运行状态的管理.
（31智能化控制功能：智慧农业大棚监控系统对大棚中的设备进行智能监控,根据大棚实时环境数据和系统设定的参数阈值比较的结果,触发智能化控制设备.
（4）数据记录功能：实现对光照强度、CO2浓度、土壤水分等各种环境数据的长期记录.
（5）报警功能：对大棚环境进行可燃气体监测,当可燃气体值达到某一界限时,声光报警模块报警.
3系统设计
3.1系统总体结构设计
智慧大棚的总体设计思路是利用温湿度传感器采集空气中的温湿度、利用土壤温湿度传感器采集土壤的温湿度、利用光敏传感器采集光强值,利用CO2传感器监测大棚内的CO2浓度,还可利用声光报警模块识别大棚内的突发情况,进行报警.将各种无线传感器采集的信息通過zigbee无线网络与协调器节点通信,协调器节点通过串口与网关通信,网关通过Internet接入互联网,在web端或者在智能手机上运行app对大棚进行监控和管理.智慧大棚系统的总体架构图如图1所示.
3.2传感器硬件驱动
3.2.1 Zigbee节点电路
Zigbee节点硬件电路采用TI公司的CC2530F256芯片实现无线通信方案.CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、Zig-Bee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（soc）解决方案.它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点.CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能,业界标准的增强型8051CPU,系统内可编程闪存,8-KB RAM和许多其他强大的功能.CC2530具有不同的运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统.运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗.CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元Zig-Bee协议栈（Z-StackTM）,提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案.CC2530系统硬件电路包括稳压电源、时钟电路、复位电路等（见图2）.
3.2.2光敏传感器
智慧大棚系统中,要采集并记录光照强度,结合农作物生长情况,调节遮阳板和补光灯.因此需要用到光敏传感元器件.
光敏传感器是一种利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器,主要采集光照值.它的敏感波长在可见光波长附近,包括红外线波长和紫外线波长.
光敏传感器属于采集类传感器,驱动程序逻辑如图3所示：
光敏传感器属于定时采集类传感器,设定每隔30s主动上报传感器数值.
3.2.3温湿度传感器
在智慧大棚应用中,需要采集空气和土壤温湿度,因此需要温湿度传感器.
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,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性.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8位单片机相连接.使用4针单排引脚封装,连接方便.
4运行结果
4.1网关配置
智云网关实现无线传感网与互联网的数据联通,支持zig-Bee、Wi-n、BT、RF433、IPv6等多种传感协议的数据解析,支持网络路由转发,实现M2M数据交互.智云网关配置如下：
（1）将一个ZigBee协调器节点通过串口与电脑连接,并通电建立无线传感网络.
（2）运行电脑端智云网关服务程序WSN Service,选择连接的串口和无线模块类型,在用户、用户密钥栏输入正确的用户ID和秘钥以及服务器地址.
（3）点击“开启远程服务”按钮,成功连接智云服务后则支持数据传输到智云数据中心;点击“开启本地服务”按钮,成功连接后智云服务将向本地进行数据推送.配置界面如图4所示.
图5所示的是温湿度传感器节点、CO2浓度传感器节点、声光报警传感器节点等传感器节点以及网关节点.
4.2Android客户端设计
智慧大棚android手机客户端采用Hbuilder+MUI设计与实现.
（1）人工控制模块的手动模式,用户可以根据大棚环境自行开启或关闭大棚设备.
（2）图6显示的是智能模式下的操作界面,系统会将当前的温湿度等数据与设定阈值进行比较,自动控制设备的运行状态.
（3）图7是环境监测界面,显示了当前大棚的温湿度,土壤的温度和土壤的水分,CO2浓度,光照度和风速.
5总结
基于嵌入式平台和ZigBee技术设计开发智慧大棚,其中,传感器传送信号、cc2530单片机作为主要的控制元器件,并且应用了按键.应用cc2530单片机的优势减少了硬件的复杂性,传感器接收外界信号,经过A、D转换后,传送给单片机一个电信号,单片机经过处理后,控制设备做出相应的动作.用户通过web或Android智能手机app对智慧大棚进行自动或智能两种方式控制,加上声光报警功能,使得操作高效便捷,带来更高的经济效益.
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