【基于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)10000字（論文）】

PAGE1基于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄TOC\o"1-3"\h\u32287摘要 13772引言 226841第1章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 370601.1溫室環(huán)境感知層 3208271.2數(shù)據(jù)傳輸層 3211331.3系統(tǒng)應(yīng)用層 3532第2章溫室系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4189722.1控制及無線通信模塊硬件設(shè)計(jì) 4241542.2傳感器模塊硬件設(shè)計(jì) 7194712.2.1溫濕度傳感器模塊采用 7300312.2.2光照度傳感器模塊 934292.2.3二氧化碳濃度傳感器模塊 1022572.3開關(guān)執(zhí)行模塊硬件設(shè)計(jì) 113572第3章溫室系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 1243603.1協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì) 1297963.2系統(tǒng)通信設(shè)計(jì) 13187733.3傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 1415690第4章溫室系統(tǒng)的測試與分析 15311384.1溫室基本功能測試 15114924.2傳感器模塊性能測試 1519034.3系統(tǒng)控制性能測試與分析 1721317結(jié)束語 21177參考文獻(xiàn) 23

摘要隨著科學(xué)技術(shù)的更新，我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展也在不斷進(jìn)步。目前，農(nóng)業(yè)溫室大棚的數(shù)量在不斷增多，但仍采用較為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理形式，使得溫室大棚控制效果不理想，具有網(wǎng)絡(luò)化程度較低等問題。因此，對智能化溫室大棚控制過程的研究具有深遠(yuǎn)意義。本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)總方案。采用CC2530作為無線通信模塊的微處理器，對無線通信、傳感器和協(xié)調(diào)器等相應(yīng)模塊進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，并在ZStack協(xié)議棧環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的上位機(jī)界面。對物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚控制系統(tǒng)進(jìn)行測試與分析，對傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性進(jìn)行了測試驗(yàn)證，并針對系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的要求，進(jìn)行了系統(tǒng)WEB發(fā)布功能的測試。實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到溫室大棚的預(yù)期效果。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；溫室大棚；ZigBee引言農(nóng)產(chǎn)業(yè)在中國有著悠久的歷史及相應(yīng)的技術(shù)傳統(tǒng)，在地緣中國國家意識誕生之初和各產(chǎn)業(yè)發(fā)展的進(jìn)程中農(nóng)業(yè)就占據(jù)了相當(dāng)重要的位置。共和國建立初期，強(qiáng)調(diào)“工農(nóng)為綱”的政治路線及共產(chǎn)主義設(shè)想下的“烏托邦”式富足生活的目標(biāo)，我國農(nóng)業(yè)相較于封建社會發(fā)生了從制度至技術(shù)的全方位的革新及發(fā)展。1978年（改革開放的政策提出時(shí)間）改革開放的30年間里我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展更是取得了令人矚目的成績：重量上滿足國內(nèi)需求并讓優(yōu)勢作物出口成為可能；品類和技術(shù)上更是屢屢創(chuàng)新如袁隆平團(tuán)隊(duì)的雜交水稻等技術(shù)讓中國人“吃飽飯”不再成為問題。我國人口體量龐大，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展人們的生活水平也在不斷提高，而農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)速度上遠(yuǎn)比人口增長的速度要高，所以普通大眾在食物的可獲性上有了很大改善。我國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展雖然取得了令人喜悅的成績，即便我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展所依托的農(nóng)業(yè)資源在總量上是位于世界前線的，然而我國人均可支配（享有）的農(nóng)業(yè)資源卻遠(yuǎn)落后于世界平均水平。在未來，隨著我國人口的繼續(xù)增長和市場經(jīng)濟(jì)的不斷深化，相應(yīng)農(nóng)業(yè)資源的利用會逐步擴(kuò)大，對中國農(nóng)業(yè)資源約束也將加強(qiáng)[1]。如今，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式仍然是我國現(xiàn)階段的主流模式，“自給自足”的自然農(nóng)業(yè)思想至今影響著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展。大量的勞動力投入成為前提，但并未改變低效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，更不利于我國的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)發(fā)展，就農(nóng)民個(gè)體視角觀察，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式獲利并不能快速提升農(nóng)民群眾的生活水平。物聯(lián)網(wǎng)（IOT）是一種新型信息技術(shù)的綜合運(yùn)用，對我國全產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域的變革、會經(jīng)濟(jì)智能化和綠色及可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的意義。目前，物聯(lián)網(wǎng)思維及技術(shù)正快速滲透到公司的生產(chǎn)、行銷、推廣及反饋的各個(gè)環(huán)節(jié)。網(wǎng)聯(lián)設(shè)備大規(guī)模化爆發(fā)式的快速增長，推動了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來。在我國，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了從中央到地方、從集團(tuán)企業(yè)到使用者個(gè)體的廣泛關(guān)注。2017年1月國家發(fā)布的，《物聯(lián)網(wǎng)的信息通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016年-2020年）》當(dāng)中設(shè)定了產(chǎn)業(yè)沖破1.5億元的任務(wù)[2]，并提出了“加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)布局”的關(guān)鍵任務(wù)。近些年來，在中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來越快，據(jù)調(diào)查顯示2015年底起物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)總量估值將近7500億元，在“十二五”期間內(nèi)每年平均符合增長率能夠達(dá)到25%[3]?，F(xiàn)如今，中國的機(jī)械連接數(shù)量已經(jīng)超過1億，成為世界上最大的市場，占全球的32%。在“十三五”期間內(nèi)隨著物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)高速發(fā)展，預(yù)估計(jì)在2017年里其規(guī)模估值將達(dá)到萬億級別。當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)上的物聯(lián)網(wǎng)更集中于感知層和傳輸層，隨著物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)領(lǐng)域深化及一體化應(yīng)用，工業(yè)重心將朝著軟件和數(shù)據(jù)服務(wù)方向發(fā)展[4]。從全球互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的整體發(fā)展的趨勢來看，中國該行業(yè)的規(guī)模在未來幾年將有巨大的增長空間，“物聯(lián)網(wǎng)”提出的“更大的選擇”和“更嚴(yán)重的后果”，在“晚行業(yè)將超過1.5億萬元”。第1章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)溫室大棚控制的有效性與大棚內(nèi)各環(huán)境因素有著密切聯(lián)系，針對溫室大棚中的主要控制參數(shù)特點(diǎn)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，從而使系統(tǒng)能夠完成全方位感知環(huán)境變化、數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃缘忍匦裕箍刂七^程達(dá)到智能化、網(wǎng)絡(luò)化和科學(xué)化等目標(biāo)[5]。溫室大棚控制系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)，主要包括溫室環(huán)境的感知層、數(shù)據(jù)傳輸層以及系統(tǒng)應(yīng)用層[6]。1.1溫室環(huán)境感知層是由具有自組網(wǎng)能力的無線通信節(jié)點(diǎn)所組成，部署于溫室內(nèi)的各個(gè)角落。其中，無線通信節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中主要包括采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器以及路由器節(jié)點(diǎn)等。采集節(jié)點(diǎn)主要用于收集來自溫度、濕度、二氧化碳濃度以及光照度傳感器所收集到的信息，集中傳送到協(xié)調(diào)器中，然后對信息進(jìn)行整理后，發(fā)送至上層的PC機(jī)；協(xié)調(diào)器主要用于存儲與整理節(jié)點(diǎn)信息、建立通信網(wǎng)絡(luò)、管理通信網(wǎng)絡(luò)信息等；路由節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)將新申請加入網(wǎng)絡(luò)的無線通信節(jié)點(diǎn)添加至網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，并對其與其它節(jié)點(diǎn)之間的通信進(jìn)行管理和維護(hù)。1.2數(shù)據(jù)傳輸層建立在局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了不同應(yīng)用層和遠(yuǎn)程用戶之間對環(huán)境感知層數(shù)據(jù)的獲取過程，主要用于溫室大棚中的現(xiàn)場LAN網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程控制WAN網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)信息交互。其中現(xiàn)場局域網(wǎng)主要采用的是ZigBee協(xié)議自組網(wǎng)，而遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)絡(luò)采用的是互聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，通過瀏覽Web網(wǎng)頁便可以隨時(shí)隨地獲得溫室環(huán)境變化的實(shí)時(shí)消息[7]。1.3系統(tǒng)應(yīng)用層是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決方案的集合，主要是對環(huán)境感知層協(xié)調(diào)器發(fā)送至上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊自適應(yīng)PID控制算法的處理，并將處理過的信息編成控制命令再下發(fā)到溫室大棚控制系統(tǒng)中，為溫室大棚的智能監(jiān)控提供基礎(chǔ)。根據(jù)溫室大棚控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)是由不同功能的無線通信節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器所構(gòu)建成的，無線通信節(jié)點(diǎn)能夠?qū)刂颇繕?biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，并將收集到的環(huán)境信息通過ZigBee技術(shù)無線傳送給協(xié)調(diào)器。由于ZigBee技術(shù)只能進(jìn)行短距離通信，因此采用路由節(jié)點(diǎn)作為控制系統(tǒng)的中繼節(jié)點(diǎn)使用，以擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。協(xié)調(diào)器和串口連接，以有線的方式將從感知層收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)PC中，應(yīng)用LabVIEW軟件對PC機(jī)的界面進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]。通過LabVIEW中的WEB插件發(fā)布收集到的信息，而管理者只需要在瀏覽器上登入指定的IP地址便可進(jìn)行管理，從而實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)訪問功能[9]。若監(jiān)測到溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因子不適宜作物生長的條件時(shí)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)向各終端電氣設(shè)備發(fā)送控制命令，并自動控制相關(guān)設(shè)備的開關(guān)按鈕，對溫室內(nèi)的環(huán)境情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行有效的無線監(jiān)管。圖1.1系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖第2章溫室系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分主要是下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，即為整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中最底層感知層面的設(shè)計(jì)，其中包過了無線通信和各類傳感器以及協(xié)調(diào)器等部分硬件的設(shè)計(jì)[10]。以ZigBee模塊為無線通信的核心部件，進(jìn)行感知層的數(shù)據(jù)信息的收集。2.1控制及無線通信模塊硬件設(shè)計(jì)無線通模塊的硬件設(shè)計(jì)主要是由ZigBee通信模塊中的CC2530芯片、外接接口單元以及電源組成。其中，CC2530芯片是無線通信模塊的核心組成部分，其主要作用是驅(qū)動繼電器和不同類型的傳感器，對自身獲取到的數(shù)據(jù)信息以及傳感器傳輸過來的信息進(jìn)行存儲與處理，并能夠保證與其它控制節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信或者交換數(shù)據(jù)的可信性[11]。傳感器的種類主要有溫度濕度、二氧化碳以及光照度等；外接接口單元可以對各類傳感器或繼電器進(jìn)行模塊擴(kuò)展，并將采集到的溫室現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺C2530芯片的處理器模塊中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理；電源部分主要是為無線通信模塊提供所需能源，保證運(yùn)行過程的有效性。則無線通信模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示。圖2.1無線通信模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖CC2530芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以CC2430結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將ZigBeeRFID前部即RF、物理內(nèi)存和微型控制器進(jìn)行結(jié)合，并將其整合嵌入在同一個(gè)芯片上。其內(nèi)部使用的是1個(gè)8位MCU（8051），具有256KB可編程閃存和8KBRAM；內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還含有數(shù)字模擬量轉(zhuǎn)換器（ADC）、4個(gè)不同定時(shí)器、AES128協(xié)調(diào)處理器、常用的看門狗定時(shí)器、睡眠模式下的32Khz晶振體定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個(gè)可編程I/O引腳[12]。當(dāng)CC2530芯片在0.18μm互補(bǔ)CMOS工藝生產(chǎn)過程模式下時(shí)，運(yùn)行電流損耗為27mA；在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，工作電流損耗低于27mA；在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射模式下，工作電流損耗會低于25mA。CC2530芯片具有1個(gè)32MHz單指令運(yùn)行周期且功耗較低的8051微型控制器，2個(gè)強(qiáng)大的通用同步/異步串行接收發(fā)送器（USART）；擁有符合標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.15.4協(xié)議的2.4GHzRF無線電接收機(jī)和MAC計(jì)時(shí)器；能夠支持CSMA/CA、數(shù)字化的RSSI/LQI以及強(qiáng)大的DMA等功能，并能夠集成14位的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器與AES安全協(xié)處理器；具有較寬的電壓范圍（2.0~3.6V）、較強(qiáng)的抗干擾性以及靈敏性較高的無線接收等特點(diǎn)。并且，CC2530芯片能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成從睡眠模式轉(zhuǎn)換到運(yùn)作模型，可用于電池壽命較長的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[13]。其CC2530內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。圖2.2CC2530內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖所以用CC2530芯片作為無線通信節(jié)點(diǎn)的核心模塊，用以驅(qū)動傳感器和接發(fā)數(shù)據(jù)。如圖2.3所示為其核心模塊電路原理圖2.3CC2530硬件電路原理圖其電源電路原理圖如圖2.4所示。圖2.4電源電路原理圖電源電路主要是為Zigbee控制節(jié)點(diǎn)提供所需工作電量。針對無線通信模塊硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用鋰電池為控制節(jié)點(diǎn)供電，并通過LDO進(jìn)行穩(wěn)壓供電控制。為使外部數(shù)字I/O端口與其他器件間的互相融合，使用3.3V工作電壓。選用HT7533芯片作為電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。2.2傳感器模塊硬件設(shè)計(jì)2.2.1溫濕度傳感器模塊采用DHT11溫濕度傳感器對溫室內(nèi)環(huán)境的溫度與濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，其能夠在0-50攝氏度、20%-90%相對濕度（RH）、3-5V工作電壓的環(huán)境中進(jìn)行測量，并且檢測濕度的精確值約為5%RH，檢測溫度的精確值為2℃，滿足溫室控制指標(biāo)。DHT11是一種能夠?qū)?shù)字信號進(jìn)行精確輸出、并將溫濕度結(jié)合在一起控制的傳感器，其能夠?qū)貪穸葌鞲衅髋c數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行技術(shù)融合，使數(shù)據(jù)在傳送中具有良好的穩(wěn)定和較高的安全性能。DHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括了電阻式感應(yīng)濕度元件和NTC測量溫度元件，主要通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，具有響應(yīng)時(shí)間快、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。DHT11傳感器內(nèi)部設(shè)置了1個(gè)校準(zhǔn)單元，能夠準(zhǔn)確的對濕度進(jìn)行檢驗(yàn)，這當(dāng)中校準(zhǔn)取值的范圍以程序式編程語言存儲在OTP當(dāng)中，通過調(diào)用OTP存儲的校準(zhǔn)系數(shù)值，對傳感器檢測到的信號進(jìn)行精確驗(yàn)證[14]。DHT11傳感器內(nèi)部還含有單線制串行接口，該串行接口具有體積小、功耗低、傳輸信號距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，適合較為復(fù)雜的集成控制系統(tǒng)。DHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示。圖2.5DHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DHT11傳感器的電路設(shè)計(jì)中含有4個(gè)引腳，主要是電源引腳VCC，提供3.3V工作電壓；串口引腳DQ，主要的作用就是與其它傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)男诺?；接地引腳GND，主要與地線進(jìn)行相連；空腳NC，實(shí)際工程中空腳必須呈現(xiàn)懸空狀態(tài)。其中，當(dāng)DHT11傳感器通電后，需要等待1s后在發(fā)送指令，避免這1s內(nèi)的不穩(wěn)定狀態(tài)影響系統(tǒng)整體控制過程。則DHT11傳感器電路如圖2.6所示。圖2.6DHT11電路圖2.2.2光照度傳感器模塊太陽光是影響作物進(jìn)行光合作用和呼吸作用的主要因素，其中作物的產(chǎn)量、生長速度以及發(fā)育情況等都與太陽光有著密不可分的聯(lián)系。若光照太強(qiáng)，會對作物的表面產(chǎn)生灼傷，相反的，作物便不能夠進(jìn)行充分的光合呼吸[15]，遏制作物的發(fā)育。溫室光照度傳感器模塊主要是用于對測量現(xiàn)場的光照強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的收集，為此本文選用BH1750FVI型光照度傳感器，其能夠檢測到范圍較廣的光強(qiáng)度變化情況，具有較高的分辨率，而且對400nm-700nm波段的可見光具有極好的可辨度。則BH1750傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如2.7所示。圖2.7BH1705內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖其中，PD是接近肉眼反應(yīng)的光敏二極管；AMP是集成電路中的運(yùn)算放大器，其作用是將PD電流信號轉(zhuǎn)換為PD電壓信號；ADC的作用主要是將模擬信號量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號量，并獲取一個(gè)16位數(shù)字信息；Logic+I2CInterface是光強(qiáng)度計(jì)算和I2C總線接口；OSC是內(nèi)部振蕩器，振蕩器內(nèi)還含有1個(gè)頻率為320KHz的邏輯時(shí)鐘。BH1750FVI是一個(gè)數(shù)字型的集成電路，其采用兩線式串行總線接口的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過降低功率使光照度傳感器具有低電流消耗、誤差范圍波動在標(biāo)準(zhǔn)范圍的20%上下以及不會受到紅外線影響等特點(diǎn)。其電路原理圖如圖2.8所示。圖2.8BH1750電路圖2.2.3二氧化碳濃度傳感器模塊二氧化碳對溫室中作物的產(chǎn)量具有重要影響，它是作物生存環(huán)境中的“氧氣”，即作物只有通過二氧化碳進(jìn)行呼吸才能生長。因此，對作物的施肥量需要相關(guān)傳感器檢測到的濃度數(shù)據(jù)信息提供支持。TGS4161是一類體積小、低功耗的固態(tài)電解質(zhì)類型的二氧化碳傳感器，其可以測量350—10000PPM之間內(nèi)的二氧化碳濃度，對二氧化碳具有極強(qiáng)的感知能力，但對濕度的控制要求不高，具有成本低、耐用性高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、防濕效果優(yōu)良、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。TGS4161傳感器通過電解液產(chǎn)生兩個(gè)電極，同時(shí)，通過它自身攜帶的已印刷加熱基（RUO2）對兩個(gè)電極之間產(chǎn)生的電動勢變化趨勢進(jìn)行監(jiān)測，從而測量二氧化碳濃度的量值，其中，TGS4161所輸出的電壓變化趨勢與二氧化碳含量之間成一個(gè)對數(shù)比值的關(guān)系。TGS4161傳感器參數(shù)變化如圖2.9所示，圖2.10代表了TGS4161的濕度依賴性。圖2..9TGS4161的靈敏度特性圖2.10TGS4161的濕度依賴性其中X軸表示氣體濃度，Y軸表示電壓差△EMF=EMF1-EMF2，EMF1是氣體濃度值為350ppm時(shí)電壓，EMF2是氣體濃度為測量值時(shí)對應(yīng)的電壓。則△EMF與氣體濃度之間存在著正比的關(guān)系，即△EMF會隨著其氣體濃度含量的增大而變大。因此，可以通過測量電壓△EMF正負(fù)電極之間的變化趨勢，計(jì)算出二氧化碳濃度值大小。TGS4161二氧化碳傳感器電路如圖2.11所示。圖2.11TGS4161二氧化碳傳感器電路圖2.3開關(guān)執(zhí)行模塊硬件設(shè)計(jì)本文采用繼電器來進(jìn)行對溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟停的控制，繼電器能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行主動控制和被動控制，其具有自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全保護(hù)以及電路轉(zhuǎn)換靈活等功能，它還具有體積較小、響應(yīng)的時(shí)間短、開銷低等特點(diǎn)。當(dāng)溫度、濕度等輸入信號滿足控制指標(biāo)時(shí)，輸入電路會自動進(jìn)行導(dǎo)通或斷開等操作。其中，繼電器模塊與無線通信模塊的連接能夠?qū)崿F(xiàn)無線控制功能，上位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，形成相應(yīng)的控制指令，并發(fā)送至控制節(jié)點(diǎn)，再通過ZigBee通信接收控制命令，實(shí)現(xiàn)對溫室設(shè)備的控制操作。其電路原理圖如圖2.12所示。圖中P1_3端口接CC2530的并行輸入/輸出接口，P3接口用于驅(qū)動被控設(shè)備（如加熱器、遮陽網(wǎng)等）的啟停。圖2.12繼電器電路原理圖第3章溫室系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的部分有：ZigBee無線通信節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、系統(tǒng)通信模式、傳感器節(jié)點(diǎn)以及上位PC機(jī)界面的設(shè)計(jì)。下位機(jī)中通過ZigBee組網(wǎng)的方式進(jìn)行溫室內(nèi)環(huán)境的采集，通過協(xié)調(diào)器與計(jì)算機(jī)之間相互傳遞數(shù)據(jù)。在上位機(jī)中進(jìn)行WEB的發(fā)布便能通過瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)端的監(jiān)控（此內(nèi)容在下章進(jìn)行詳細(xì)說明）。軟件部分的設(shè)計(jì)在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中屬于上兩層，即傳輸層和應(yīng)用層中的設(shè)計(jì)3.1協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器中的節(jié)點(diǎn)是通信網(wǎng)絡(luò)中最為重要的組成部分，其主要作用是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建設(shè)與管理。但它不能對環(huán)境因子的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行直接采集，只能間接的對有關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和傳輸，因此在控制系統(tǒng)中僅具有數(shù)據(jù)信息的整合和傳輸功能。并且，其能夠與溫室現(xiàn)場不同區(qū)域內(nèi)的其他分散傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，共同組成了ZigBee無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)溫室控制系統(tǒng)通電后，首先需要對硬件設(shè)備和協(xié)議棧進(jìn)行初始化，協(xié)調(diào)器會根據(jù)初始化工作的完成后，建立符合控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)運(yùn)行工作時(shí)，會有不同的設(shè)備持續(xù)地申請加入網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會接收各設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，且協(xié)調(diào)器會根據(jù)設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型指定相應(yīng)的地址，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。當(dāng)系統(tǒng)組網(wǎng)建立完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)能夠通過USB接口將設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，從而進(jìn)行系統(tǒng)控制的下一步操作。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖3.1所示。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作內(nèi)容主要包括Z-Stack協(xié)議棧初始化、信道掃描、配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、新建網(wǎng)絡(luò)、分配地址以及收發(fā)數(shù)據(jù)等。圖3.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖3.2系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)溫室控制系統(tǒng)采用Zigbee組網(wǎng)方式，通過協(xié)調(diào)器自動建立通信網(wǎng)絡(luò)和路由節(jié)點(diǎn)，將無線通信模塊中不同類型功能節(jié)點(diǎn)自動添加到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，從而建立整個(gè)溫室系統(tǒng)的無線通訊網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)下位機(jī)系統(tǒng)通電后，協(xié)調(diào)器設(shè)備會對申請的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接收，并將其納入到系統(tǒng)總網(wǎng)絡(luò)中，此時(shí)用戶可以通過無線通信模塊中的LED1的亮滅情況，來獲取網(wǎng)絡(luò)連接是否組建成功。其中，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互是通過USB接口來完成的，用戶可以通過上位機(jī)串口在中心監(jiān)控室直接向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令。如果無線通信模塊與協(xié)調(diào)器之間的距離較遠(yuǎn)，此時(shí)無線通信模塊就會與其距離最近的路由器進(jìn)行通信，成為這個(gè)路由設(shè)備的子設(shè)備，再由路由器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器。在進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令傳輸時(shí)，該無線通信模塊組成的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和來自協(xié)調(diào)器的控制命令就需要用路由器來實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，對來自無線通信模塊組成的節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器的控制信息提供轉(zhuǎn)發(fā)和緩存功能。3.3傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)能夠?qū)厥椰F(xiàn)場建立多個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，并對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，從而了解溫室現(xiàn)場環(huán)境因子的變化情況。網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由一個(gè)協(xié)調(diào)器、多個(gè)無線通信傳感器節(jié)點(diǎn)以及多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其中無線通信傳感器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)信息需要協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互傳輸，并通過協(xié)調(diào)器請求加入到ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)僅負(fù)責(zé)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建，當(dāng)無線通信傳感器節(jié)點(diǎn)申請加入到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，便能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動接收與發(fā)送環(huán)節(jié)，將采集到的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，并對數(shù)據(jù)發(fā)送過程進(jìn)行驗(yàn)證，保證系統(tǒng)通信傳感器節(jié)點(diǎn)的安全性。則無線通信傳感器節(jié)點(diǎn)的流程圖如圖3.2所示。圖3.2無線通信傳感器節(jié)點(diǎn)的流程圖其中，無線通信傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制器初始化、數(shù)據(jù)查詢、網(wǎng)絡(luò)申請管理以及數(shù)據(jù)采集與發(fā)送等功能。第4章溫室系統(tǒng)的測試與分析4.1溫室基本功能測試在完成溫室遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)后，對其進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)試。將運(yùn)行成功的上位機(jī)軟件界面與相應(yīng)的硬件設(shè)備進(jìn)行連接，以便對溫室內(nèi)的各個(gè)控制功能模塊進(jìn)行測試，驗(yàn)證系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的可行性。首先對各類無線通信模塊進(jìn)行供電，協(xié)調(diào)器通過USB接口與上位機(jī)PC進(jìn)行連接，將各類傳感器節(jié)點(diǎn)放置在實(shí)驗(yàn)室的不同位置，然后對室內(nèi)的溫度、濕度和照明強(qiáng)度以及CO2濃度等參數(shù)值進(jìn)行采集。其中，在各模塊之間設(shè)置了一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，其主要可以看作是一個(gè)“數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站”，當(dāng)模塊與協(xié)調(diào)器之間的距離較遠(yuǎn)，這可能會導(dǎo)致沒有辦法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，此時(shí)路由節(jié)點(diǎn)便起到一個(gè)中轉(zhuǎn)的作用，通過該節(jié)點(diǎn)提供便捷的數(shù)據(jù)傳輸渠道，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w性。因此，該節(jié)點(diǎn)的設(shè)置不僅能夠保證系統(tǒng)控制過程的穩(wěn)定性，還能夠增加數(shù)據(jù)的傳輸距離。系統(tǒng)控制開關(guān)部分，以無線控制節(jié)點(diǎn)上的LED燈的亮滅情況來表現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，若LED燈亮那么相關(guān)的執(zhí)行裝置處于運(yùn)行狀態(tài)；若LED燈滅那么相關(guān)的執(zhí)行裝置處于停止?fàn)顟B(tài)；通過上位機(jī)的下發(fā)的控制命令，無線控制節(jié)點(diǎn)會根據(jù)接收到的程序指令做出相應(yīng)的動作，則相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的LED燈亮，代表控制開關(guān)打開。通過對系統(tǒng)各功能模塊的測試，能夠保證其在運(yùn)行的過程，保證數(shù)據(jù)傳輸過程的可靠性和有效性，從而滿足溫室環(huán)境因子的控制要求。4.2傳感器模塊性能測試對溫室環(huán)境因子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了保證其數(shù)值參考的準(zhǔn)確性，需要對各傳感器模塊進(jìn)行精確測試。將各種不同類型的傳感器，安裝在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的不同角落，以保證對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)任意位置數(shù)據(jù)采集的完整性。對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測時(shí)，為了能夠更加直觀的觀察到數(shù)據(jù)的變化趨勢，選取其中一個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)的接口，將該接口獲取到的檢測值與實(shí)際工程儀表采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集的有效性。通過運(yùn)行IAR軟件工具，向各個(gè)不同類型的傳感器模塊，燒錄符合自身數(shù)據(jù)采集過程的控制指令，與協(xié)調(diào)器模塊中燒錄的操作指令過程采用的是相同原理。當(dāng)調(diào)用協(xié)調(diào)器模塊進(jìn)行通信時(shí)，LED1二極管能夠在各節(jié)點(diǎn)申請加入無線網(wǎng)絡(luò)通信后，始終保持常亮狀態(tài)。采用便攜式加熱及加濕裝置，逐漸調(diào)升室內(nèi)附近的空氣溫度值以及濕度值。在每隔半小時(shí)的時(shí)間間隔內(nèi)，采集5組不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，取其數(shù)據(jù)平均值與實(shí)際工程溫濕度儀表所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。則數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表4.1、表4.2所示。表4.1溫度數(shù)據(jù)對比結(jié)果序號傳感器采集到的溫度℃溫度儀表測量到的溫度℃溫度誤差值℃117.517.7-0.2218.418.5-0.1319.118.90.2419.820.0-0.2520.520.6-0.1621.421.5-0.1721.821.9-0.1822.42220.2表4.2濕度數(shù)據(jù)對比結(jié)果序號傳感器采集到的濕度％RH溫度儀表測量到的濕度％RH濕度誤差值％RH141.540.21.3249.348.60.7356.755.71459.658.90.7564.163.60.5668.467.80.6770.371.2-0.9876.677.2-0.6根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析表可以看出，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用的溫度傳感器比工業(yè)儀表測量的溫度誤差范圍在±0.2℃之間，而實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用的濕度傳感器比工業(yè)儀表檢測到的濕度誤差范圍在-0.6%RH~1.3%RH之間。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器測量誤差在合理的范圍之內(nèi)，可驗(yàn)證傳感器采集到的數(shù)據(jù)具有可靠性特點(diǎn)。對于光照傳感器的設(shè)計(jì)，采用全光譜LED燈設(shè)備，用于測量實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光照強(qiáng)度。由于光照強(qiáng)度的變化與測量距離的遠(yuǎn)近具有一定的關(guān)系，因此從較遠(yuǎn)距離開始進(jìn)行光照度檢測，并逐漸縮短檢測距離，保證距離間隔的一致性。取5組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對5組數(shù)據(jù)的平均值，與實(shí)際工程中的光照度測量儀器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，則光照度數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果如表4.3所示。表4.3光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)對比表序號傳感器采集到的光照強(qiáng)度Lx光照儀測量到的數(shù)據(jù)Lx誤差值Lx相對誤差％11103109940.36213561321352.65326892660291.09437803705752.025598158571242.12676437556871.15712453123431100.89824680243353451.42由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比結(jié)果分析表可以看出，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光照強(qiáng)度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，比實(shí)際工程的光照度設(shè)備采集到的光照強(qiáng)度相對誤差范圍在0.36%~2.65%之間。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的光照強(qiáng)度傳感器測量誤差能夠保持在合理的范圍之內(nèi)，表明了此傳感器采集數(shù)據(jù)的有效性。4.3系統(tǒng)控制性能測試與分析對模糊自適應(yīng)PID控制器的運(yùn)行效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，將預(yù)先設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)運(yùn)用到溫室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為吉林某高校的小型溫室。對溫室內(nèi)溫濕度的調(diào)控狀況，進(jìn)行為期一周的跟蹤測試，測試時(shí)間為每天的09:00-16:00。通過系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置模塊，對作物設(shè)置19℃-23℃的溫度范圍，60%RH-90%RH的濕度范圍。根據(jù)其在生長周期內(nèi)的變化規(guī)律，選取溫度理想設(shè)定值為20℃，濕度理想設(shè)定值為80%RH。在參數(shù)設(shè)置模塊中確定溫室度的取值大小，并將其數(shù)值輸入到系統(tǒng)中，進(jìn)行相應(yīng)的保存處理后，對智能控制模塊進(jìn)行運(yùn)行操作在一周的跟蹤測試中，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔是30分鐘，選取任意一天采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，則溫室環(huán)境因子參數(shù)值變化情況如表4.4所示。表4.4溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)值序號時(shí)間溫度值℃濕度值％RH光照度lxCO2濃度ppm19點(diǎn)19.083.74226132129點(diǎn)半19.581.245671128310點(diǎn)20.178.85341965410點(diǎn)半20.476.16012870511點(diǎn)19.979.89867680611點(diǎn)半20.877.711641892712點(diǎn)21.275.5135641037812點(diǎn)半20.279.5143251189913點(diǎn)19.682.51501212561013點(diǎn)半19.979.61247811001114點(diǎn)20478.21087410161214點(diǎn)半20.876.4902112041315點(diǎn)19.779.6791411001415點(diǎn)半19.582.5650211341516點(diǎn)19.184.751241240由表4.4可以看出，在不同時(shí)間段內(nèi)，溫室內(nèi)的溫度值始終保持在17.0℃-23.0℃范圍之內(nèi)，濕度值始終保持在70.2%RH-90.1%RH范圍之內(nèi)。根據(jù)室外采集的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行室內(nèi)與室外溫度、濕度對比，則室內(nèi)外溫度對比結(jié)果如圖4.1所示，室內(nèi)外濕度對比結(jié)果如圖4.2所示。圖4.1溫室內(nèi)外溫度變化曲線圖4.2溫室內(nèi)外濕度變化曲線由圖4.1可以看出，室內(nèi)溫度的變化趨勢與設(shè)定值之間的誤差范圍能夠保持在3℃之內(nèi)，而室外溫度的變