基于物联网的温室环境智能控制系统研究

　　【摘要】本文设计了一种基于物联网技术的温室环境智能控制系统，该系统基于物联网技术实现对温室内主要环境因子的监测和智能控制。测试结果表明，农业温室环境控制系统应用物联网技术，使农产品高效生产，对农业的发展具有重要的现实意义。
　　【关键词】物联网 智能控制 CC2530 控制算法
　　当物联网的相关技术应用到农业后，给农业的信息化和产业化带来了从未有过的的机遇，将温室智能控制技术加入到农业生产中，能够为大棚的作物生长提供合适的温室环境，从而不但能提高产量，生产效率、生产质量也都更有相应的保证。通过对大棚环境数据的监测，及时采取有效的治理方法，对促进作物的生产和经济的发展都有着重大意义。基于此，本文以温室环境为主，构建了基于物联网的环境智能控制系统，实现对温室内温度、湿度、光照强度等环境参数的实时监测和记录，并实时显示和分析处理采集的相关数据，最终使温室的环境调控符合标准化、数字化、网络化的特征，以实现农作物的产量增加，从而提高农民经济效益的目的。另外，以温度为例，对控制算法进行了改进，以实现对温度的智能化控制。
　　1 系统总体架构
　　通过综合分析本系统的功能和技术需求，以温室大棚的主要环境参数为监测对象，设计了基于物联网的温室环境智能控制系统。该系统采用 ZigBee 簇状拓扑网络结构，具有分布式检测与显示、无线通信等主要特点。无线传感器网通过各个采集终端和路由器节点进行数据采集，主要是采集温室内的各个环境参数；路由器节点负责将采集的数据发送至协调器节点，再由协调器负责将处理好的数据上传至上位机并转发上位机下达的命令。当前环境参数是否适宜作物生长的生长由上位机先进行分析，然后实时发出指令控制相应的继电器，通过继电器的开关来控制电器设备（如遮阳帘等），实现对现场温室环境的调节和改变。同时，协调器可将处理后的数据上传至上位机，接收和处理用户发送来的命令，从而实现远程监测与控制。
　　2 系统硬件电路设计
　　系统的硬件电路是以TI公司生产的CC2530作为本系统的核心微处理器，选择了温室内的温度、湿度、光照度三个主要环境因子作为监测的对象，利用相应的传感器来采集各个环境参数，还可根据一些特殊需求扩展监测其它环境因子，如土壤水分、CO2浓度等对作物生长影响较大的因子。另外，本系统设置了三个继电器接口以实现对三个电器设备的远程控制。
　　2.1 协调器节点硬件电路总体架构
　　协调器节点硬件设计主要分为七个模块：供电电源、振荡器晶振电路、RF无线电收发射频电路、LED 指示灯、按键复位控制电路、串口/USB转换电路和仿真电路。其总体架构图如下图1所示，在本系统中，CC2530 芯片的工作电压为3.3V，供电电源主要负责为其提供稳定的3.3V电压。节点之间采用RF无线通信，LED指示灯电路的作用是提供通信指示，如是否连接、等待连接。微处理器要处理内部程序使电路正常运行，需要晶振电路产生内部时钟信号。复位电路的主要作用是对CC2530 内部程序的复位重启，并利用按键的组合来实现RF无线通信的物理连接。同时，要求收发同频段实现有效的物理连接，达到传送监测数据的目的，还需要由RF无线电收发电路完成传感器和协调器两节点之间RF无线通信；转换电路主要是将USB 接口连接到上位机PC里面，实现串行通信；仿真电路主要是利用专门的接口实现在线编程CC2530，并通过调试电路板，显示电路的功能和效果。
　　2.2 路由器及终端节点总体架构
　　如图2所示为本系统的路由器及终端节点硬件总体架构。从图中可以看出路由器及终端节点主要由七个模块组成，分别是电源模块、终端设备控制模块、传感器数据采集模块（温度传感器、光照传感器、湿度传感器）、LCD显示模块和扩展监测模块等组成。其中数据采集模块主要是对温度、湿度、光照度的采集，选用的温度传感器为DS18B20，温湿度传感器选用了数字式SHT71，CC2530自带12位ADC采集传感器输出电压作为光照强度传感器。这三个传感器的硬件电路较为简单，在此不再描述。另外，为了满足用户的不同需求及不同农作物的生长特点，本电路还设计了可以进行传感器扩展的扩展监测模块，从而提高系统的灵活性。
　　3 系统软件设计
　　本系统软件设计开发环境选用IAR Embedded Workbench，能够支持各种微处理器，其编译器有很多优点，如编译速率快、代码可移植、可优化SOC集成芯片等，很大程度上体现了对硬件资源的节省。限于篇幅要求，本系统软件设计流程图不再给出。