基于WSN的農作物光環境調節系統設計

張校磊，陳俊麗

(山西華澳商貿職業學院 計算機科學系，山西 太原 030000)

基于WSN的農作物光環境調節系統設計

張校磊，陳俊麗

(山西華澳商貿職業學院 計算機科學系，山西 太原 030000)

溫室技術是反季節作物培養的重要手段，是我國農業生產中不可或缺的組成部分。但在溫室生產過程中，常遇到光照不足的問題。而傳統的補光系統控制方式粗放，常導致補光過量或補光不足。針對于此，擬設計一套農作物光環境調節系統。系統可以根據作物的光合需求進行精量化的補光，可最大程度地滿足任務的光合需求，對促進作物生長和提高作物產量有較大的幫助。

WSN；光環境調節；ZigBee

隨著農業科技的發展，溫室大棚得到了廣泛的應用。這使得農作物可以在本不適合生長的季節生長。但在現階段，我國溫室大棚的科技含量普遍不高，多數溫室設施只能滿足作物對溫度的需求，在對光照環境的調控方面卻有著明顯的不足，許多大棚中沒有安裝補光設施，部分安裝了補光設施的也存在照度不合理、能耗過高及控制方式單一等多方面問題[1]。而光照是農作物光合作用的基礎，是作物生長的重要條件。適宜的光照條件對作物的產量和品質都有著極其重要的作用。本文設計了一套農作物光環境調節系統，可對環境光數據進行實時采集并對采集到的數據進行分析，再按照作物對光子能量密度的需求進行精準的補光。

1 需求分析

1.1 差異性需求

所謂差異性主要體現在兩個方面，即溫室個體差異及作物種類差異。

1.1.1 溫室個體差異

溫室的材質、結構、環境等因素都會造成其光環境的差異，如溫室材質的差異會造成透光率的差異、溫室所處環境的差異會造成表面灰塵覆蓋的差異等。因此，本系統對環境光的感知和調節需要以溫室為單位進行，即不同溫室進行獨立的調節。

1.1.2 作物種類差異

不同種類作物對光照環境的需求有所不同，即光合作用特性差異。因此，系統要能夠根據不同作物對光線的需求進行決策模型和調節參數的調整，以實現最佳的補光效果。

1.2 靈活性需求

溫室內所種植的任務可能會因市場、季節等多方面的因素進行調整，故作物植株的高度及種植密度等都是不固定的。同種作物的不同生長階段的位置和高度等也是不固定的。因此要求系統可靈活方便地布設和調整，即補光設備的布放位置、布放高度及布放密度等都應足夠地靈活方便。

1.3 針對性需求

通過查閱文獻可知，不同波段的可見光對光合作用有著不同的影響。比較典型的是綠光會被葉綠體反射和透射，從而抑制光合作用；藍光可促進葉綠素和胡蘿卜素的吸收，使葉綠體更活躍，可促進光合作用；紅光對葉綠素的吸收率最低，對光合作用的效率有明顯的提升作用；其它波段的可見光對光合作用的影響相對較小[2]。針對光合作用的這一特性，本系統采用對光合作用有著明顯促進作用的紅光和藍光進行補光。在光源的選擇上，我們選擇了LED矩陣式光源。其具有窄帶和能量集中的特性，相較普通光源其發熱很小，對環境溫度的影響不大，在能耗方面也有著非常明顯的優勢；另外可通過多種方式對其亮度進行調節，適用于本系統。

2 系統總體設計

結合需求分析，我們對作物光環境調節系統采取了模塊化的設計，即將環境光信息采集、分析與決策和補光設備等獨立設計，這樣可根據實際的應用場景靈活地調節與部署。再根據不同作物的光合需求分別建模進行分析并將結果數據植入分析與決策系統的軟件中，實現針對不同作物的專屬智能控制。

網絡搭建方面，我們選擇了無線自組織網絡，即各模塊間通過ZigBee技術進行網絡聯接和數據傳輸，為系統模塊之間的信息傳輸提供了可靠的底層網絡支持。ZigBee網絡不但進一步提升了部署和調節的靈活性，相較其它類型的無線網絡，ZigBee在功耗、成本和可靠性方面也有著較強的優勢[3]。

我們將網絡架構與系統各模塊進行了整合設計，即系統各模塊除了具有自身的系統功能外還兼具組網與數據傳輸功能。這樣可以更好地滿足分區域監控和靈活性等方面的需求。系統由環境自然光監測模塊、智能補光模塊和智能控制模塊組合構成。各功能模塊均集成了CC2530作為網絡處理核心作為ZigBee網絡中的節點。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

系統中各類型節點的功能如下。

2.1 智能控制節點

網絡功能方面，智能控制節點是整個ZigBee網絡中的根節點?？赏瓿蒢igBee網絡協調器的功能，對網絡中的組網信息和網絡節點進行協調和管理。

系統功能方面，它是系統的服務器。其內置多種作物的光合需求模型數據，并能夠接收環境光監測節點發來的環境光信息，通過綜合分析運算得出作物當前應補充紅光、藍光的具體數據，再將其轉化為控制信息發送至相應的補光節點，由補光節點完成精確補光操作。

2.2 環境光監測節點

網絡功能方面，環境光監測節點是整個ZigBee網絡中的路由節點。負責網絡狀態的維護、與其它路由節點的信息交互、監測數據與控制數據的雙向轉發等。

系統功能方面，其上集成有光傳感器，能夠周期性地采集溫室內的環境光信息，并將環境光信息發送至智能控制節點供其分析。

2.3 補光節點

網絡功能方面，補光節點是整個ZigBee網絡中的葉子節點?？勺詣铀阉鱖igBee網絡并發送入網信息以加入網絡。

系統功能方面，其上集成有驅動控制器和專用的LED補光設備。驅動控制器可將智能控制節點發送來的控制信息進行解析并發出驅動信號，以驅動LED補光設備進行精確的補光。

3 硬件設計

3.1 智能控制節點的硬件設計

智能控制節點主要負責網絡的ZigBee協調器功能和系統的服務器功能，需要管理全部網絡節點、存儲作物光合需求模型、運算分析以及生成并發送控制指令等。綜上，我們選擇了CC2530作為智能控制節點的核心，CC2530是德州儀器生產的一款片上系統，其結合了業界較為先進的ZigBee協議棧，可以充分滿足智能控制節點作為ZigBee協調器的功能需求。另外，CC2530還內置了增強型8051CPU、可編程閃存以及豐富的I/O接口等[4]?？梢猿浞譂M足智能控制節點在系統功能方面的需求。智能控制節點的硬件結構如圖2所示。

圖2 智能控制節點硬件結構示意圖

為了更方便進行人機交互，我們在CC2530模塊接入液晶顯示屏和人工控制按鍵。顯示屏接入P0_0、P1_2、P1_5、P1_6數字I/O接口，人工控制按鍵接入P0_1、P0_6和P2_0等數字I/O接口。其中P0_1接入控制模式切換按鍵，可進行自動控制模式和人工控制模式的狀態切換。P0_6和P2_0接入系統控制熱鍵，系統一般處于自動控制模式，當按下該模式切換按鍵后，用戶便可根據自身工作經驗通過系統控制熱鍵來進行手動補光操作，顯示屏顯示相應信息。

為了能夠準確獲取系統時間，我們在P0_2、P0_4和P0_5接口上聯接了DS1302時鐘芯片。DS1302具有涓流充電和低功耗等顯著優勢。

3.2 環境光監測節點硬件設計

環境光監測節點是ZigBee網絡中的路由節點，負責補光節點和ZigBee協調器間的數據轉發。同時其也負責環境光數據的采集，并將數據發送至智能控制節點進行分析。因此，我們同樣選擇CC2530模塊作為環境光監測節點的核心處理模塊，并在其上加入環境光傳感器進行環境光信息采集。另外，由于作物光合作用同時需要二氧化碳的參與并在一定的溫度下進行，在作物光合需求模型也需要二氧化碳濃度和溫度數據。因此，我們在環境光監測節點上集成了二氧化碳深度傳感器和溫度數據器，為系統功能的進一步擴展打好基礎。硬件結構如圖3所示。

圖3 環境光監測節點硬件結構示意圖

其中，環境光傳感器方面我們選擇了美國戴維斯儀器公司(Davis Station)生產的太陽輻射傳感器，型號為6450VantagePro。我們將其接入CC2530模塊的P0_7數字I/O接口，完成環境光的數據采集。此款傳感器被廣泛應用于氣象站等氣象監測系統中，具有監測范圍大和分辨率較高等特點，在滿量程狀態下其探測精度可達正負5%。其各項技術指標均符合本系統需求。二氧化碳傳感器我們選用了GSS-COZIR傳感器，其為英國GSS公司生產的第三代產品。功耗僅為3.5mW，有效測量范圍卻可達5000ppm，是一款超低功耗的高精度二氧化碳傳感器。溫度傳感器方面，我們選用了DS18B20數字溫度傳感器。其體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強且探測精度較高[5]。這是一款被廣泛使用的溫度傳感器，可靠性和耐久性都久經市場檢驗，非常適用于本系統。

3.3 補光節點的硬件設計

補光節點是ZigBee網絡中的葉子節點，負責接收智能控制節點發來的補光控制信號。另外其集成有補光燈具和驅動控制模塊，驅動控制模塊執行相應的控制信號來控制補光燈組。

由需求分析可知，紅光和藍光是對作物光合作用產生積極影響的兩種光線。因此，我們選擇了紅藍兩色LED光源作為補光燈組。紅藍兩色LED燈珠按等距陳列方式均勻排列于基板之上。補光節點的硬件結構如圖4所示。

圖4 補光節點硬件結構示意圖

電阻調節和脈沖寬度調制是LED亮度調節的兩種主要方式。電阻調節即為通過調整電阻值的大小改變通過LED的電流，從而實現高度調節的目的。這種方式原理簡單，但難以實現高精度調節。這種亮度調節方式不能滿足系統對精度補光的需求，故不適用于本系統。脈沖寬度調制(PWM)是通過周期性的改變脈沖寬度(占空比)實現對LED亮度的調節。這種方式可以精確地控制LED的亮度，可以滿足本系統對于精確補光的需求。

我們將CC2530模塊的P1_5和P1_6接口設計為紅藍LED的開關接口，即輸出紅藍驅動模塊的電源通斷信號。P1_0和P1_1接口輸出紅藍LED的PWM控制波形信號至驅動控制模塊。我們在LED燈組的驅動控制模塊中集成了PT4115驅動控制芯片和PC817型光電耦合器。PWM波形信號經PC817光電耦合器完成信號隔離，再經PT4115 芯片調制后輸出相應的恒直流，達到精確控制LED燈組亮度的目的。

4 軟件設計

4.1 智能控制節點軟件設計

智能控制節點作為ZigBee協調器，其軟件執行的主要功能包括ZigBee網絡的組建與管理、監測數據的匯聚及數據處理、網絡節點的管理等。系統在加電運行后首先進行初始化操作，之后便開始進行信道選擇并組建ZigBee網絡。之后智能控制節點進入數據包接收狀態，根據所接收的數據包類型差別，調用相應的處理程序。如接收到監測數據，則調用相應的作物光合需求模塊程序進行數據分析，并根據分析結果發送相應的補光指令；如接收到節點入網請求，則調用相應的節點入網程序；如接收到指令執行的反饋信息，則調用反饋處理程序。如圖5所示。

圖5 智能控制節點軟件流程

4.2 環境光監測節點軟件設計

環境光監測節點的軟件任務主要為兩方面，第一是將傳感器采集到的環境光、二氧化碳濃度及溫度等信息進行解析并上傳；第二是轉發其它節點發來的數據，包括上傳和下傳。軟件流程如圖6所示。

其中掃描無線網絡、加入網絡和環境數據發送等三部分都設置有重發機制，即未掃描到無線網絡則重新掃描、入網請求未通過則重新發送入網請求以及環境數據發送后末接到確認信息則重新發送。環境數據由傳感器周期采集，到達采集周期時接收環境數據并解析，將解析結果發送至智能控制節點。

圖6 環境光采集節點軟件流程圖

4.3 補光節點軟件設計

補光節點軟件主要執行數據包的接收、傳輸以及驅動控制補光設備等功能。其中，數據包接收主要指由智能控制節點直接發送的和經路由節點轉發的控制指令數據；數據傳輸是指將指令執行結果的反饋信息發送至智能控制節點；驅動控制是指將控制指令轉化為PWM信號。軟件執行流程如圖7所示。

圖7 補光節點軟件流程圖

結束語

本文設計了一套基于無線傳感器網絡的農作物光環境調節系統，本系統由以CC2530為核心的智能控制節點、環境光采集節點和補光節點構成，采用ZigBee協議實現網絡自組建和數據的傳輸。系統內置了環境光分析軟件，可依據作物光合需求模型精確計算出作物對紅藍光的需求量，可以實現精量化補光。

[1]何蔚，楊振超，蔡華，王達菲，王曉旭.光質調控蔬菜作物生長和形態研究進展[J]. 中國農業科技導報，2016(02): 9-18.

[2]陳強，劉世琦，張自坤，等. 不同LED光源對番茄果實轉色期品質的影響[J].農業工程學報，2009，25(5): 156-161.

[3]何龍，聞珍霞，楊海清，等. 無線傳感網絡技術在設施農業中的應用[J]. 農機化研究，2010，32(12): 236-239.

[4]郭文川，程寒杰，李瑞明，等. 基于無線傳感器網絡的溫室環境信息監測系統[J]. 農業機械學報，2010，41(7): 181-185.

[5]Dam TV, Langendoen K. An adaptive energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks[J]. International Journal of Computer Applications, 2015,67(7):23-27.

ClassNo.:S126DocumentMark：A

(責任編輯：宋瑞斌)

AWSN-basedDesignofLightEnvironmentControlSystem

Zhang Xiaolei，Chen Junli

(Department of Computer Science，China Australia Business School of Shanxi,Taiyuan，Shanxi 030000, China)

Greenhouse technology is an important means to cultivate off-season crops, and is an indispensable part of agricultural production in china. But in the process of greenhouse production, the problem of insufficient illumination is often encountered. And the fill light system of traditional is extensive in control mode, often leads to excessive or insufficient fill fill. In view of this, we design a set of crop light environment adjustment system. The system can precise fill light according to the demand of crop photosynthesis of light, can satisfy the demand of the task of photosynthesis, promote crop growth and increase crop production has a great help.

WSN; light environment control; ZigBee

張校磊，碩士，講師，山西華澳商貿職業學院。

2096-3874(2017)11-0051-05

S126

A