CN102999017A - 设施农业智能闭环控制传感器网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设施农业中关键环境因子的控制方法，以及模型的制作和在现实中的应用。设施农业智能闭环传感器网络系统是一种自动化采集数据，处理数据并进行控制的智能系统。可用于现实环境的模拟，让农作物处于最适合生长的环境。能够为植物生长的研究提供理论和现实的参考依据。由传感器采集的环境参数(空气温度、空气湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤湿度)，通过无线网络传输系统送到主控端，由计算机进行加工处理，首先能够实时的显示环境参数，其次能根据程序设定或手动控制来调节环境参数。整个系统如图1所示，该系统是融计算机技术、通讯技术、控制技术和编程技术为一体的高科技产品，为科研人员提供有效的研究手段。

Description

设施农业智能闭环控制传感器网络系统

技术领域

本发明涉及设施农业中关键环境因子的控制方法，以及模型的制作和在现实中的应用。 

背景技术

国外对设施农业环境控制技术的研究始于20世纪70年代，先是采用模拟式的组合仪表采集现场信息并进行指示、记录和控制，80年代末出现了分布式控制系统。目前正在开发和研制计算机数据采集、控制的多因子综合控制系统。现在世界各国设施农业控制技术的发展都非常快，一些国家的控制技术在实现自动化得基础上，正朝着完全自动化、无人化的方向发展。 

我国对设施农业控制技术的研究较晚，20世纪80年代，我国先后从欧美和日本等发达国家引进了大量的连栋温室，揭开了我国现代化温室生产、研究和普及的序幕。 

从国内外对设施农业环境控制的研究来看，目前基于有线的测量控制系统相对比较成熟，但是有线通信方式导致温室内的信号线、动力线错综复杂，安装维护难度大，而且温室环境易导致线缆老化，使系统可靠性降低。 

本发明根据以上论述，在综合前人工作的基础上，创造性的提出了设施农业智能闭环控制传感器网络系统以及一套控制技术和解决方案。针对有线方式的缺点，采用无线传感器网络，具有无需布线、组网灵活、易升级等相对明显的优点。 

发明内容

本发明的目的是制作一个设施农业的微模型，用来模拟现实环境中的一些关键因子(温度、湿度、光照、二氧化碳、土壤湿度)，并研究这些环境因子的变化对作物生长的影响。 

本发明的另一个目的是一种环境因子的控制方法，解决现有技术中存在的问题，使用本发明的这种方法可以有效的调控环境因子，使作物处于最适合生长的环境，从而提高产量，增加经济效益。 

本发明的总体结构如图1所示。图中矩形方框表示一个大棚模型。尺寸为(1m*2m)。3个终端节点布置其中，分别携带温度、湿度、光照、二氧化碳以及土壤湿度传感器，实时的获取环境参数，通过汇聚节点转送到监控中心，供管理员查看。管理员可以手动或者通过程序设定预值来控制环境。例如当土壤湿度传感器探测到土壤较干燥时，可以通过控制芯片 发出信号来打开滴灌设备的阀门，灌溉多长时间，需要根据土壤的干燥程度和作物的生长环境来调节。 

附图说明 

图1是设施农业模型总体图

图2是无线通信节点结构图

图3是控制芯片总体结构图

图4是设施农业模型架构概略图

图5是上位机软件结构图

具体实施方式

系统主要模块功能 

下面分模块的具体说明本发明的内容。本发明可以分为上位机软件的设计与实现、无线环境监测网络的构建、农业信息获取以及设备控制三个方面。

上位机软件的主要功能有： 

(1)环境数据以及各种农业设备状态的实时显示。

(2)对一些重要数据进行保存并能够随时查看历史数据以屏幕显示，打印等方式。 

(3)当某些环境参数超过预定值时，自动报警，并向信息感知节点发出控制信号，感知节点收到控制信号后，将命令传送给与它连接的控制芯片，通过控制芯片来控制农业设备的状态，如水阀的闭合，灯光的强弱等。 

无线环境监测网络的主要功能就是为设施农业信息控制提供通讯载体。通讯频率2.4Ghz。整个网络由5个无线节点(0-4)构成。0号节点为主控节点。1号节点为汇聚节点。2、3、4、分别是3个信息信息感知节点。分别携带温湿度、光照、二氧化碳和土壤湿度传感器，并实时的将这些数据发送到1号汇聚节点，继而发送到0号主控节点。主控节点通过RS232串口与计算机连接。上位机软件对接收到的数据包进行有效性检查、存储等一系列操作，实时显示监测区域的环境参数。 

农业信息获取以及设备的控制主要是通过一块集成芯片。片上系统主要靠MCU控制与协调。集成4种传感器，通过命令将获取的数据保存在MCU的存储器中。通过RS232接口，可以将这些数据传送给无线通讯节点，继而通过无线信号发射到上位机。继电器的作用主要是用来控制滴灌设备，当控制芯片接收到打开水阀的命令时，就会通过继电器来控制一个电磁阀的开关，达到控制灌溉的目的。数字电位器的作用主要是用来控制灯光和风扇。由于这两个设备不能是简单的开关，需要根据环境适当的调整灯光的明暗和风扇的转速。数字电位器就是可以通过命令改变其电阻大小来控制电路中电流的大小。达到控制灯光和风扇的功能。 

系统硬件设计 

系统的硬件结构主要包括3个方面。无线通信节点的硬件设计、控制芯片的硬件设计、模型的架构。

无线通信节点通信节点的硬件有以下几个主要部分组成：MC13213控制芯片、信号 放大器、天线、串口通信模块等。如图2所示，控制芯片用来控制和协调整个片上系统，信号放大器将控制芯片输出的信息放大转化通过射频天线发射出去，串口通信模块用来连接辐射传感器与上位机。 

控制芯片就是一个简单的51单片机系统，结构图如图3所示。主要分为：MCU控制芯片(51芯片)、RS232通信口(与无线通信节点相连)、传感器、控制器件(继电器、数字电位器)。 

表1是控制芯片中各种电子元器件的型号及描述。 

模型的架构图如下所示。模型尺寸初步设定为长2m，宽1m，高0.8m。盒状结构，用绝缘材料制作。整个系统统一供电，输入220V，经过电源转换成5V供无线节点和控制芯片使用，另一路供补光灯和排风扇使用。控制芯片在图中未表现出。 

系统软件设计 

本系统的软件设计主要包括3方面，上位机软件的设计，无线通信节点软件设计，控制芯片软件设计。上位机软件采用VC编写，无线通信节点和控制芯片的程序采用c语言编写。

上位机软件的功能图如下所示。软件主要功能分为环境数据的显示，历史数据的显示，农业设备的控制三个方面。通过传感器采集环境数据，定时的将这些数据传送到上位机，通过软件显示出来，供使用人员查看。当上位机通过RS232串口收到数据包时，一方面，会将数据显示在屏幕上，另一方面会将数据保存到数据库中，以便使用人员查看历史数据，考虑到简单实用的要求，本系统的数据库采用acess编写。历史数据的显示方式有曲线和列表两种。可以通过设定初值来控制农业设备，比如设定光照强度的下限是4000lux。当测量到光照强度小于4000lux时，程序会发送一个指令给感知节点(2、3、4)要求它们把补光灯的开关(通过继电器)打开。也可以不用设定初值，直接手动发送一个指令给感知节点，从而控制农业设备。 

无线通信节点的主要功能就是提供通讯的载体。程序用c语言编写，开发环境为 codewarrior。主要分为主控端、中继节点、感知节点。 

主控端的功能： 

1，接受上位机命令并将该命令发送到正确的感知节点。

2，接受数据，并将这些数据回馈给上位机。 

中继节点的功能： 

1，主控节点和感知节点之间的跳板，增加通信距离。

感知节点的功能： 

1，等待接受命令，进入相应的处理程序，发送相应的命令给控制芯片。

2，从控制芯片中读取所需要的数据，传回给主控节点。 

控制芯片程序也用c语言编写。开发环境keil。主要功能如下： 

1，接受命令读取各种传感器的数据，数字式的直接读取，模拟信号的要经过模数转换。并将数据传给感知节点。

2，接受命令，控制继电器以及数字电位器来控制农业设备。 

Claims (6)

1.一种及设施农业中关键环境因子的控制方法，以及模型的制作和在现实中的应用。

2.硬件上主要有无线通信节点、控制感知芯片和物理模型组成。

3.软件上主要有上位机软件、控制感知芯片嵌入式程序以及无线节点自组网程序。

4.按照权利要求1所述的无线通信节点，其中主控芯片为Freescale产的MC13213，配合外围电路(232电平转换、射频模块)。

5.按照权利要求1所述的控制感知芯片，其特征在于主控芯片采用51系列单片机，集成温度、湿度、光照、二氧化碳、土壤湿度传感器，控制器件采用继电器和数字电位器。

6.按照权利要求1所述无线节点自组网程序，其特征在于设计了适合无线传感器网络的动态路由路由，可以更好的适合无线传感器网络，在微型传感器系统中可以很好的正常工作，提高了网络性能。

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