程 平
(咸宁市咸安区马桥镇农机服务中心,湖北 咸宁 437020)
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中[1],明确将“传感器网络及智能信息处理”作为“重点领域及优先主题”,智能农业必将在未来具有广阔的应用。而传统农业生产过程中,农户只能凭借经验来判断作物生长环境,无法精确地获得农业环境的数据,无法有效预防灾害。例如,干旱、水污染、虫灾等。针对上述问题,本文设计了基于ZigBee技术的大棚环境监测系统,该系统是通信、计算机技术在农业领域的应用,它将信息的采集、传输、处理和控制融为一体,使人们更容易获得农作物生产生长各个阶段的信息。
农业大棚环境监测系统主要由大棚数据采集端、大棚数据发送端和大棚数据监控端3部分组成。系统的总体架构如图1所示:
图1 系统的总体架构
传感器模块采集大棚内部环境数据,经由ZigBee无线传感器模块传输至STM32主控制器进行处理,然后将数据通过GPRS无线模块传输至PC端监控中心。
大棚数据采集端采集的数据主要是影响农作物生长的主要环境因子,有以下5个:
(1)温度。农作物必须要在适宜的温度下才能生长,一切的生物化学反应都是在一定的温度下进行的。
(2)湿度。湿度是指温室空气的相对湿度,湿度影响作物的光合作用,从而影响作物的生产质量。
(3)CO2浓度。大气中的CO2浓度一般控制在0.03%,在密封的温室内CO2浓度变化较大,植物进行光合作用的原料之一就是空气中的CO2。
(4)光照强度。长期的缺光会导致作物生长不健康甚至死亡,光照充足能使作物很好地生长。
(5)土壤湿度。土壤湿度过大,会导致作物的根系腐烂。土壤湿度过小,会导致作物缺水而死。
因此,该系统采用温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照强度传感器和土壤湿度传感器采集上述5个环境因子。
由于农业大棚内部数据传输范围较小,传输速率要求不高,环境复杂不易布线,非常适合采用ZigBee无线网络技术。ZigBee技术是一种低功耗、近距离、低成本的无线网络技术,ZigBee节点可采用干电池供电,易于移动,灵活方便。采集节点模块如图2所示:
图2 采集节点模块
该节点主要是由CC2530模块、电源模块、传感器模块和射频天线构成,电源模块为节点提供稳定的电压,终端节点上传传感器采集的数据,通过射频天线提供的通信接口接入ZigBee网络,将数据发送至协调器进行整合,协调器将各节点上传的数据整合后通过串口传输至主控制器采集节点模块[2]。
无线数据传输能克服传统控制系统传输距离短、移动性差的问题,也应具备稳定可靠、高速、低成本等特点。基于以上因素考虑,可以通过在主控制器拓展外设GPRS模块,与PC端监控中心建立TCP/IP通信连接,再由监控中心设置环境数据报警阈值,达到远程监控大棚环境的目的。远程数据交互框架如图3所示:
图3 远程数据交互框架
GPRS模块内嵌TCP/IP协议,主控制器通过无线网络可以把数据实时传送到用户监控端。由于成熟的蜂窝数据通信方式被GPRS模块采用[3],提高了通信的可靠性,降低了数据传输中的干扰,保证了数据传输的范围。用户监控端收到环境数据后,即可查看环境数据,也可通过设置的环境数据报警阈值,收到报警信息。
本文设计的基于ZigBee技术的大棚环境监测系统实现了在农业生产过程中对大棚内部环境的实时监测,提高农业生产精细化管理水平,达到合理使用农业资源、降低生产成本、改善生态环境、提高农产品产量和品质的目的。