基于北斗衛星系統的大棚環境監測系統的研究

于泓博 李靜輝 陶佰睿

摘要：隨著智能農業與精細農業的迅速發展，特別是物聯網+農業的提出，針對目前在大棚中對各種環境參數實時監測就要進行復雜繁瑣的布線的情況，為了實現農作物能夠在大棚中有適宜的生長環境，同時還要達到對溫室環境進行實時監測的目的，提出1種基于北斗和ZigBee技術的溫大棚環境無線監測系統。該系統采用無線傳感網實現對溫室大棚的空氣溫度、土壤濕度和光照度等指標進行數據采集，并由LCD顯示器實時顯示出測量的數據，并通過北斗通信技術實現實時遠程監測的目的。經試驗測試，該系統可以實時采集和遠程傳輸大棚內的參數信息，達到了對溫室花房環境實時監控的作用，為人們管理大棚提供了很大的方便，具有廣闊的推廣價值。

關鍵詞：大棚監測；北斗衛星導航系統；傳感器網絡；ZigBee

中圖分類號： TP274文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0398-05

目前農業生物環境監測工程十分普及，它已經成為可使農作物快速生長、提高質量和產量的重要手段，更是實現農業現代化的重要目標之一。大棚是現代農業設施上為各種農作物提供最佳生長環境的基礎場所，它能夠促進農作物快速生長，提高農作物質量，我國高檔農作物大多采用的是大棚栽培技術[1]，空氣溫濕度，土壤濕度、光照度等都是影響農作物生長的重要因素[2]，大棚的監測技術與無線傳感器網絡技術相融合，尤其是與ZigBee技術的結合，完成采集大棚中的多種環境參數的系統，成為未來“物聯網+農業”的主流。本研究設計的系統利用ZigBee無線傳感器網絡技術實時監測大棚局部的環境參數[3]，最后將這些參數通過我國自行研制的北斗無線通信衛星實時傳送到監控中心，大棚管理員就可以根據接收到的數據對大棚的各種指標進行及時處理，以確保溫室中的農作物盡可能處在一個良好的生長環境中，這樣便能夠有效提高農作物的成品質量[4]，從而使農作物產品在市場競爭中變得更加有利，提高市場占有率，進而增加生產者的經濟收入。

1系統網絡總體設計方案

北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星導航系統，繼美國全球定位系統GPS、俄羅斯和歐盟衛星導航系統之后第4個成熟的衛星導航系統。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統，向全球用戶提供高質量的定位、導航和授時服務。系統網絡主要包括北斗衛星系統和ZigBee網絡。由北斗與ZigBee網絡組成的監測系統框架如圖1所示。ZigBee 網絡主要由協調器節點、路由節點與終端節點組成。結合此系統的具體使用環境場合，可以多種形式組網，協調器節點將作為網絡系統的主要節點，完成對網絡的建立與管理、環境數據收集管理及連接北斗終端發送數據。其他路由、支路節點與終端節點負責環境數據采集并發送數據至協調器節點。

[FK（W13][TPYHB1.tif][FK）]

該系統內的協調器節點還有一個重要任務，就是在系統網絡中其他節點第1次與協調器節點通信時，如果出現該通信節點不在其路由列表中，此時協調器節點依據不同路徑情況，將選擇最佳匹配的網絡路由路徑。通過協調器節點將信息匯總，通過北斗終端模塊發送給北斗衛星通信系統，再通過地面接收站接收，在監控中心就可以實時收到被監測的環境信息。

2系統硬件設計

2.1系統總體設計方案

本系統主要包括：光照傳感器模塊、土壤濕度監測模塊、土壤溫度檢測模塊、ZigBee終端節點和協調器節點、ARM主控模塊、北斗定位模塊和LCD顯示模塊組成，系統具體方案如圖2所示。

主控模塊采用ARM7中STM32模塊，該芯片屬于32位的[CM（25]微控制器，主要先負責對北斗模塊和顯示模塊進行相關初[CM）]

[FK（W13][TPYHB2.tif][FK）]

始化，并接收和處理ZigBee協調節點發送來的數據信息，處理好的信息將在LCD屏中顯示，同時北斗衛星模塊將這些數據實時發送至大棚環境監控中心。由于ZigBee具有自動組網功能，所以系統采用多個ZigBee終端節點組成大規模監控網絡，使監控范圍增加，多個終端節點采集的數據最終匯聚到ZigBee協調器節點，協調器節點在整個網絡中只有1個，負責ZigBee無線傳感網的建立及維護[5]。同時接收各終端節點發來的數據，并通過串口轉發給主控模塊。終端節點負責采集所需的測量參數。每個節點都與光照傳感器模塊、空氣溫度傳感器模塊和土壤濕度傳感器相連接，實現對空氣中的懸浮顆粒物濃度、空氣的溫度以及土壤濕度進行實時監測和傳輸。本系統采用UM220北斗芯片模塊，完成地理坐標定位，得到所在點的經緯度，在主控模塊的控制下，將定位信息和傳感器采集大棚環境參數發送至監控中心[6]，同時這些信息將顯示到LCD屏幕上。

2.2北斗模塊接口電路設計

本研究采用基于雙系統多頻率高性能SOC芯片和芯星通UM220-Ⅲ N雙系統高性能GNSS模塊，能夠同時支持BD2、B1、GPS L1這2個頻點。UM220是針對車輛監控、氣象探測和電信電力授時等應用推出的BD2/GPS雙系統模塊，其工作電壓為2～3.7 V直流電，工作溫度為-40～+85 ℃，定位精度為2.5 m，是市場上尺寸最小的BD2/GPS模塊，集成度高，功耗低，非常適合北斗系統大規模應用的需求。作為相互通信需要，將北斗UM220的TXD2引腳連接嵌入式ARM 7模塊STM32的PA10引腳發送數據，將北斗UM220的RXD2引腳連接嵌入式STM32的PA9引腳接收數據。UM220的接口電路設計示意圖如圖3所示。

2.3光照度采集模塊接口電路設計

光照度采集模塊使用GY-30模塊，它采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，供電電源為3～5 V，光照度范圍為0～655 35 lx，傳感器內置16bitAD轉換器，直接數字輸出，不區分環境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1 lx的高精度測定，標準NXP Ⅱ C通信協議，模塊內部包含通信電平轉換，其接口電路如圖4所示。

電路中的10 kΩ電阻主要起到分壓的作用，放大器和 10 kΩ 滑動電阻主要是放大信號源信號，104電容主要起到去耦的作用。

2.4ZigBee模塊硬件接口設計

本設計中，CC2530終端節點作為測量終端，也是任務的真正執行者，除了具有基本的最小電路外，必須要同任務相關的DS18b20溫度傳感器、光照空氣質量傳感器、YL-69土壤濕度傳感器相連接。終端節點接口電路圖如圖5所示，其中P05與YL-69的模擬輸出AO相連接，P06與光照傳感器的模擬輸出AO相連接，P07與DS18B20的數據輸出DQ相連接。在本設計中均采用采集其模擬量的辦法，并通過CC2530內部的ADC（數模轉換）功能模塊，進行采集量從模擬量到數字量的轉換。DS18B20采用1-WIRE通信方式，其余CC2530僅通過DQ-P07連接。節點通過DQ根據協議發出不同的電平變化即可操作相關寄存器，進行初始化及讀取測量值。

CC2530協調器節點因為其主要任務是建立和維護網絡，并與ARM主控模塊進行串口通信，所以協調器上并未安置其他傳感器，本設計中選用其最小系統電路來作為CC2530協調器節點的基本電路設計。

2.5濕度采集模塊接口電路設計

YL-69土壤濕度傳感器可用于檢測土壤的水分含量，接口電路圖如圖6所示。當土壤水分含量低到預先設定的閾值時，傳感器輸出一個高電平，反之輸出低電平。傳感器的比較器采用LM393芯片，工作穩定，其工作電壓為3.3～5.0 V，靈敏度可調。

本研究中YL-69的探頭將探測到的數據傳由LM393比較芯片進行電壓的比較，將比較的結果通過OUT1引腳輸出至ZigBee CC2530的P0引腳。

3系統軟件設計

3.1系統的軟件設計方案

系統的軟件分為三大部分，分別是ZigBee、ARM和北斗。從上電開始，系統分別進入初始化，傳感器節點將監測到的溫度、濕度、可燃氣體濃度和光照度等數據發送至協調器節點，協調器節點將數據發送至ARM進行數據解析，同時，北斗也將其定位信息發送到ARM，ARM在解析數據后，將其顯示在LCD顯示屏幕上，系統的軟件流程如圖7所示。

3.2北斗發送模塊程序設計

北斗模塊UM220在系統中通過串口與ARM上位機進行通信，并且根據要求將數據報文返回給ARM進行處理。軟件中通過對報文進行逐字分析來獲得對應所需要的坐標和發送信息，具體流程如圖8所示。

其中初始化函數設計BD_init（），即為ARM對UM220模塊進行初始化的函數。北斗模塊初始化的關鍵是進行模塊復位，模塊復位需要通過串口對UM220發送復位命令，所以本設計調用串口命令，發送USART2_SendStr，來實現對UM220模塊進行芯片級復位，以熱啟動的方式進行。

3.3路由與終端節點工作流程設計

由于系統外接模塊較多，所以每個功能獨立設計成子函數的形式，再由主程序依次調用每個子函數，從而實現不同的功能[7]。在編程語言上，本研究采用適合將程序模塊化的C語言來實現，這樣不但可以提高編程速率，也方便了各個程序之間的調用和嵌套，使整個應用系統能更穩定地運行下去。該系統中核心部分的就是路由與終端節點算法，此算法決定系統整個ZigBee網絡通信的組成和信息的傳輸，算法流程如圖9所示。

系統初始化主要是在上電后，對各個模塊完成初始化，以便之后的程序加載，首先，加載頭文件#include“MT_UART.h”來進行串口的初始化，#inclu de“ds18b20.h”來進行溫度傳感器DS18B20的初始化，#include“hal_adc.h”來進行芯片內部數模轉換功能的初始化，#include“SampleApp.h”來進行 ZigBee 軟件的初始化，對各個采集模塊進行宏定義，

4結果與分析

選取不同時間段對大田的溫度、土壤的濕度進行測量，驗證系統準確度，該系統測得的測量值與標準化設備計量得的標準值進行比較，并進行誤差分析，具體如表1所示。

從表1中可以看出，試驗中分別測量了7個不同時刻的溫、濕度，對測得數據分析，該系統測量的溫濕度存在一定的誤差，溫度的相對誤差值在±2%的范圍之內，測量值比實際值偏??；濕度誤差值小于2%，測量值比實際值偏大，在傳感器的允許的范圍之內。由以上的試驗數據說明，系統誤差值在允許的誤差范圍之內，系統的準確性達到要求。

5結論

本研究設計的監測系統實現了遠距離無線大棚環境主要數據的采集，其中ZigBee終端可以自由組成無線傳感器網，該網絡具有容量大、傳輸距離遠和可擴展等特點，可以對大面積大棚的土壤濕度、空氣溫度、空氣質量以及光照進行實時性

遠程監測。與傳統的監測方式相比，不受時間和空間的限制，從而提高管理人員的工作效率，更加及時地了解農作物的生長環境。本研究采用的北斗通信技術是我國未來衛星通信業務的主流，不受地域、時域和周邊環境限制，實現對大棚的遠程監測，系統具有測量誤差小、數據通信穩定以及效率高等特點，其應用領域和前景廣闊。

[HS21][HT8.5H]參考文獻：

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