基于无线传感器网络的智能大棚控制系统
毛潭 张勇杰 李玏一 周帮平 吕垒平
【摘 要】介绍了一种基于无线传感技术的数据采集和控制系统方案，实现农业大棚的自动化控制，对大棚环境中的各种信息进行采集。设计了基于ARM的主控模块、信号处理模块、电源模块、LCD模块、无线通信模块等硬件平台。开发了节点设备程序、嵌入式系统应用软件和上位机组态软件。系统通过模拟测试，结果验证了方案设计的可靠性和实时性，可满足农业信息化建设要求。
【關键词】无线传感；ARM处理器；组态监控软件；农业大棚；嵌入式系统
【Abstract】A data collection and control system solutions based on wireless sensor technology was proposed， to achieve automatic control of agricultural greenhouses and a variety of information gathering greenhouse environment. The hardware platform of terminal control system was designed， including central control unit， signal processing module， power modules， LCD modules， and wireless communication module. A node device， embedded system application software and PC configuration software was developed. Through the simulation test results verified the real-time performance and reliability of the system design， in order to satisfy the requirement of the construction of agricultural information.
【Key words】Wireless sensor； ARM processor； Configuration and monitoring software； Agricultural greenhouses； Embedded systems
0 引言
我国各地的经济发展水平、环境条件差异较大，存在农业机械信息化生产能力落后、土地利用程度不高等方面的问题，导致农业发展水平落后。同时，我国农业生态环境状况逐步扩大恶化范围、资源配置不合理。鉴于在农业生产过程中严重浪费资源和破坏生态环境的现象，人们越来越关注农业发展的模式。随着时代发展，农业科技技术不断创新，充分利用理论和科学技术，是缓解农业与资源及生态环境矛盾的有效途径。建立无线网络监控平台，对农业监测点进行全面监管和精准调控，可以组建农业的规范化和网络化管理模式，形成农业物联网的综合信息管理系统[1]。促进农业发展方式的转变，不但可改善生态环境，而且各类农业资源可以得到有效利用，实现可持续发展目标。本文主要根据项目建设的要求，设计一种结合嵌入式单片机和组态监控软件两种工程装备技术的平台，对农业大棚影响的几个因素进行精准管理和统计。
1 系统硬件结构
系统硬件组成如图1所示，主要包括一个主控模块、信号处理模块、电源模块、LCD模块、无线通信模块等。
1.1 主控模块
嵌入式控制系统选用的主控芯片为16位ARM Cortex-M3处理器STM32F103RET6。引脚为64位、内存容量512KB，封装类型为LQFP，工作温度达到-45℃～80℃。
1.2 信号处理模块
传感器输出4mA-20mA电流信号，I/V转换过程采用精密电流环接收方式，选用RCV420芯片，转换成0-5V电压输出信号。D/A数模转换芯片选用AD421，实现16位的数字输入信号转换成模拟4mA～20mA的电流输出信号。电磁阀由于是线圈组成，在通断过程中产生感应电压，为防止断电后对电路构成冲击破坏，增加一个反向二极管IN4001，构成回路，防止对电路电压产生干扰，提高系统的稳定性。
温室大棚中的蔬菜，需要一定强度的光照促进光合作用，提高产量。在大棚中适当增强光照能促进其生长。根据选用光照灯的型号和电压要求，设计最大电流为1A的PWM控制电路。选用具有PWM脉宽调光功能的SD42511芯片，设计最大输出1A的驱动电流电路。电路原理图如图2所示：
1.3 电源模块
STM32处理器内部具有多路A/D模数转换扩展功能，其输入电压转换信号范围为0～3.3V，使用12V锂电池供电电源，要实现对它的电压监控，需要采用间接方式，使用高精度的电阻串联分压方法。选用MC34063芯片采用开关反压电路提供-12V电压给RCV420。选用封装为SOT-223的LM1117系列芯片，转换得到5V和3.3 V电压。放在芯片的输出端置一个10uF的钽电容，改善电路中的瞬态响应和稳定性。旁路中增加0.1uF的瓷片电容，去耦消弱电路毛刺。电路原理图如图3图4所示：
1.4 LCD模块
LCD显示采用1602显示输出数据，采用基于HD44780字符型液晶芯片。电路原理图如图5所示：
1.5 无线通信模块
根据设计要求，无线传输网络选用为自动化控制数据传输而建立的短距离ZigBee无线网络，ZigBee无线短距离传输模块具有低功耗、操作灵活、等电位测量数据无线传输、组网方便、响应速度快等突出特点[2]，适合应用在农业大棚的数据传输。ZigBee射频技术利用2.4G频段来进行传递数据信息，安全可靠的实现终端发送或响应指令。采用符合IEEE802.15.4标准的CC2530无线射频收发模块，使用免申请2.4G的频段，采用加密的标准为AES 128，直接序列扩频。
2 系统软件设计
控制系统软件包括节点设备程序、嵌入式系统应用软件和上位机组态软件。节点设备主要完成系统中的执行命令和数据采集传输的作用。嵌入式系统应用软件主要实现数据存储、系统通信、人机交互、自动控制等功能。上位机组态软件主要实现用户登录、数据查询、图像展示、运行状态监测等功能。系统数据信息处理流程如图6所示。节点设备采用的操作系统为μC/OS-II，监控组态软件开发使用组态王Kingview6.55[3-7]，核心板STM32F103RET6处理器编程软件采用KeiluVision4。
3 系统调试
为实现工程目标，利用在线仿真调试工具，对系统各子功能分别进行调试，监测软件工程中的关键变量值。上位机组态软件通过和节点设备采集数据通信应用验证，系统运行稳定可靠。软件运行截图如图7所示：
4 结论
基于无线传感技术开发了农业大棚智能监控系统，通过数据采集和信息传输，实时监控终端设备的运行状态，有效的对资源进行管理和统计分析。通過上位机KingView组态软件对系统中的终端设备监控，可以有效的掌握现场的信息；通过嵌入式硬件设备、工作台和上位机KingView组态软件的联合测试实验，该系统具有低功耗，信息传输稳定，操作简单等优点，对农业大棚信息化建设具有一定的现实意义。
【参考文献】
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[责任编辑：朱丽娜]
