基于北斗卫星系统的大棚环境监测系统的研究

于泓博 李静辉 陶佰睿

摘要：随着智能农业与精细农业的迅速发展，特别是物联网+农业的提出，针对目前在大棚中对各种环境参数实时监测就要进行复杂繁琐的布线的情况，为了实现农作物能够在大棚中有适宜的生长环境，同时还要达到对温室环境进行实时监测的目的，提出1种基于北斗和ZigBee技术的温大棚环境无线监测系统。该系统采用无线传感网实现对温室大棚的空气温度、土壤湿度和光照度等指标进行数据采集，并由LCD显示器实时显示出测量的数据，并通过北斗通信技术实现实时远程监测的目的。经试验测试，该系统可以实时采集和远程传输大棚内的参数信息，达到了对温室花房环境实时监控的作用，为人们管理大棚提供了很大的方便，具有广阔的推广价值。

关键词：大棚监测；北斗卫星导航系统；传感器网络；ZigBee

中图分类号： TP274文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0398-05

目前农业生物环境监测工程十分普及，它已经成为可使农作物快速生长、提高质量和产量的重要手段，更是实现农业现代化的重要目标之一。大棚是现代农业设施上为各种农作物提供最佳生长环境的基础场所，它能够促进农作物快速生长，提高农作物质量，我国高档农作物大多采用的是大棚栽培技术[1]，空气温湿度，土壤湿度、光照度等都是影响农作物生长的重要因素[2]，大棚的监测技术与无线传感器网络技术相融合，尤其是与ZigBee技术的结合，完成采集大棚中的多种环境参数的系统，成为未来“物联网+农业”的主流。本研究设计的系统利用ZigBee无线传感器网络技术实时监测大棚局部的环境参数[3]，最后将这些参数通过我国自行研制的北斗无线通信卫星实时传送到监控中心，大棚管理员就可以根据接收到的数据对大棚的各种指标进行及时处理，以确保温室中的农作物尽可能处在一个良好的生长环境中，这样便能够有效提高农作物的成品质量[4]，从而使农作物产品在市场竞争中变得更加有利，提高市场占有率，进而增加生产者的经济收入。

1系统网络总体设计方案

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，继美国全球定位系统GPS、俄罗斯和欧盟卫星导航系统之后第4个成熟的卫星导航系统。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统，向全球用戶提供高质量的定位、导航和授时服务。系统网络主要包括北斗卫星系统和ZigBee网络。由北斗与ZigBee网络组成的监测系统框架如图1所示。ZigBee 网络主要由协调器节点、路由节点与终端节点组成。结合此系统的具体使用环境场合，可以多种形式组网，协调器节点将作为网络系统的主要节点，完成对网络的建立与管理、环境数据收集管理及连接北斗终端发送数据。其他路由、支路节点与终端节点负责环境数据采集并发送数据至协调器节点。

[FK（W13][TPYHB1.tif][FK）]

该系统内的协调器节点还有一个重要任务，就是在系统网络中其他节点第1次与协调器节点通信时，如果出现该通信节点不在其路由列表中，此时协调器节点依据不同路径情况，将选择最佳匹配的网络路由路径。通过协调器节点将信息汇总，通过北斗终端模块发送给北斗卫星通信系统，再通过地面接收站接收，在监控中心就可以实时收到被监测的环境信息。

2系统硬件设计

2.1系统总体设计方案

本系统主要包括：光照传感器模块、土壤湿度监测模块、土壤温度检测模块、ZigBee终端节点和协调器节点、ARM主控模块、北斗定位模块和LCD显示模块组成，系统具体方案如图2所示。

主控模块采用ARM7中STM32模块，该芯片属于32位的[CM（25]微控制器，主要先负责对北斗模块和显示模块进行相关初[CM）]

[FK（W13][TPYHB2.tif][FK）]

始化，并接收和处理ZigBee协调节点发送来的数据信息，处理好的信息将在LCD屏中显示，同时北斗卫星模块将这些数据实时发送至大棚环境监控中心。由于ZigBee具有自动组网功能，所以系统采用多个ZigBee终端节点组成大规模监控网络，使监控范围增加，多个终端节点采集的数据最终汇聚到ZigBee协调器节点，协调器节点在整个网络中只有1个，负责ZigBee无线传感网的建立及维护[5]。同时接收各终端节点发来的数据，并通过串口转发给主控模块。终端节点负责采集所需的测量参数。每个节点都与光照传感器模块、空气温度传感器模块和土壤湿度传感器相连接，实现对空气中的悬浮颗粒物浓度、空气的温度以及土壤湿度进行实时监测和传输。本系统采用UM220北斗芯片模块，完成地理坐标定位，得到所在点的经纬度，在主控模块的控制下，将定位信息和传感器采集大棚环境参数发送至监控中心[6]，同时这些信息将显示到LCD屏幕上。

2.2北斗模块接口电路设计

本研究采用基于双系统多频率高性能SOC芯片和芯星通UM220-Ⅲ N双系统高性能GNSS模塊，能够同时支持BD2、B1、GPS L1这2个频点。UM220是针对车辆监控、气象探测和电信电力授时等应用推出的BD2/GPS双系统模块，其工作电压为2～3.7 V直流电，工作温度为-40～+85 ℃，定位精度为2.5 m，是市场上尺寸最小的BD2/GPS模块，集成度高，功耗低，非常适合北斗系统大规模应用的需求。作为相互通信需要，将北斗UM220的TXD2引脚连接嵌入式ARM 7模块STM32的PA10引脚发送数据，将北斗UM220的RXD2引脚连接嵌入式STM32的PA9引脚接收数据。UM220的接口电路设计示意图如图3所示。

2.3光照度采集模块接口电路设计

光照度采集模块使用GY-30模块，它采用ROHM原装BH1750FVI芯片，供电电源为3～5 V，光照度范围为0～655 35 lx，传感器内置16bitAD转换器，直接数字输出，不区分环境光源，接近于视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行1 lx的高精度测定，标准NXP Ⅱ C通信协议，模块内部包含通信电平转换，其接口电路如图4所示。

电路中的10 kΩ电阻主要起到分压的作用，放大器和 10 kΩ 滑动电阻主要是放大信号源信号，104电容主要起到去耦的作用。

2.4ZigBee模块硬件接口设计

本设计中，CC2530终端节点作为测量终端，也是任务的真正执行者，除了具有基本的最小电路外，必须要同任务相关的DS18b20温度传感器、光照空气质量传感器、YL-69土壤湿度传感器相连接。终端节点接口电路图如图5所示，其中P05与YL-69的模拟输出AO相连接，P06与光照传感器的模拟输出AO相连接，P07与DS18B20的数据输出DQ相连接。在本设计中均采用采集其模拟量的办法，并通过CC2530内部的ADC（数模转换）功能模块，进行采集量从模拟量到数字量的转换。DS18B20采用1-WIRE通信方式，其余CC2530仅通过DQ-P07连接。节点通过DQ根据协议发出不同的电平变化即可操作相关寄存器，进行初始化及读取测量值。

CC2530协调器节点因为其主要任务是建立和维护网络，并与ARM主控模块进行串口通信，所以协调器上并未安置其他传感器，本设计中选用其最小系统电路来作为CC2530协调器节点的基本电路设计。

2.5湿度采集模块接口电路设计

YL-69土壤湿度传感器可用于检测土壤的水分含量，接口电路图如图6所示。當土壤水分含量低到预先设定的阈值时，传感器输出一个高电平，反之输出低电平。传感器的比较器采用LM393芯片，工作稳定，其工作电压为3.3～5.0 V，灵敏度可调。

本研究中YL-69的探头将探测到的数据传由LM393比较芯片进行电压的比较，将比较的结果通过OUT1引脚输出至ZigBee CC2530的P0引脚。

3系统软件设计

3.1系统的软件设计方案

系统的软件分为三大部分，分别是ZigBee、ARM和北斗。从上电开始，系统分别进入初始化，传感器节点将监测到的温度、湿度、可燃气体浓度和光照度等数据发送至协调器节点，协调器节点将数据发送至ARM进行数据解析，同时，北斗也将其定位信息发送到ARM，ARM在解析数据后，将其显示在LCD显示屏幕上，系统的软件流程如图7所示。

3.2北斗发送模块程序设计

北斗模块UM220在系统中通过串口与ARM上位机进行通信，并且根据要求将数据报文返回给ARM进行处理。软件中通过对报文进行逐字分析来获得对应所需要的坐标和发送信息，具体流程如图8所示。

其中初始化函数设计BD_init（），即为ARM对UM220模块进行初始化的函数。北斗模块初始化的关键是进行模块复位，模块复位需要通过串口对UM220发送复位命令，所以本设计调用串口命令，发送USART2_SendStr，来实现对UM220模块进行芯片级复位，以热启动的方式进行。

3.3路由与终端节点工作流程设计

由于系统外接模块较多，所以每个功能独立设计成子函数的形式，再由主程序依次调用每个子函数，从而实现不同的功能[7]。在编程语言上，本研究采用适合将程序模块化的C语言来实现，这样不但可以提高编程速率，也方便了各个程序之间的调用和嵌套，使整个应用系统能更稳定地运行下去。该系统中核心部分的就是路由与终端节点算法，此算法决定系统整个ZigBee网络通信的组成和信息的传输，算法流程如图9所示。

系统初始化主要是在上电后，对各个模块完成初始化，以便之后的程序加载，首先，加载头文件#include“MT_UART.h”来进行串口的初始化，#inclu de“ds18b20.h”来进行温度传感器DS18B20的初始化，#include“hal_adc.h”来进行芯片内部数模转换功能的初始化，#include“SampleApp.h”来进行 ZigBee 软件的初始化，对各个采集模块进行宏定义，

4结果与分析

选取不同时间段对大田的温度、土壤的湿度进行测量，验证系统准确度，该系统测得的测量值与标准化设备计量得的标准值进行比较，并进行误差分析，具体如表1所示。

从表1中可以看出，试验中分别测量了7个不同时刻的温、湿度，对测得数据分析，该系统测量的温湿度存在一定的误差，温度的相对误差值在±2%的范围之内，测量值比实际值偏小；湿度误差值小于2%，测量值比实际值偏大，在传感器的允许的范围之内。由以上的试验数据说明，系统误差值在允许的误差范围之內，系统的准确性达到要求。

5结论

本研究设计的监测系统实现了远距离无线大棚环境主要数据的采集，其中ZigBee终端可以自由组成无线传感器网，该网络具有容量大、传输距离远和可扩展等特点，可以对大面积大棚的土壤湿度、空气温度、空气质量以及光照进行实时性

远程监测。与传统的监测方式相比，不受时间和空间的限制，从而提高管理人员的工作效率，更加及时地了解农作物的生长环境。本研究采用的北斗通信技术是我国未来卫星通信业务的主流，不受地域、时域和周边环境限制，实现对大棚的远程监测，系统具有测量误差小、数据通信稳定以及效率高等特点，其应用领域和前景广阔。

[HS21][HT8.5H]参考文献：

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[2]Yuan G L. An intelligent monitoring system for agriculture based on Zigbee wireless sensor networks[J].Advanced Materials Research 2012，383：4358-4364.

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[4]Sun S，CHen Z，Kou C. The developing and application of the new generation of embedded MPU-STM32F103[J]. Microcomputer Applications，2010，12：9.

[5]Jean-Francois W，Laurent S. Implementation of an IEEE 802.15.4-2006 protocol stack on the Texas instrument CC2430[J]. Performance Evaluation of Wireless Ad Hoc，Sensor，and Ubiquitous Networks，2010，10（9）：33-39.

[6]Anlce H. Wireless street lamp control system based on STM32 and BH17S0[J].Enterprise Science and Technology & Development，2011，20：9-11.

[7]De Almeida A，Santos B，Paolo B，et al. Solidstatelightingreview-potential and challenges in Europe[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，34：30-48.