CN103955187A - 一种农业大棚无线监控节点及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种农业大棚无线监控节点，包括低功耗单片机、温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、氧气检测部分、日光辐照传感器、继电器、ZigBee射频透明传输模块、供电部分及定向天线。本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的农业大棚无线监控节点的农业大棚数据监控及控制方法。本发明提出了一种可用于农业大棚无线远程监控的节点。该节点可为农业大棚种植提供一种新的管理途径。该节点不仅实现了对大棚常见种植参数的采集，而且还提供了可以远程对大棚种植设备进行控制的手段。节点采用太阳能供电及定向天线传输增强的方式，使节点布设更加灵活。节点结构简单、成本低廉、工作可靠，利于在我国大棚农业种植领域推广。

Description

一种农业大棚无线监控节点及方法

技术领域

本发明涉及一种可以通过ZigBee无线技术进行远程监测与控制的农业大棚无线监控节点及方法。通过该节点及方法可以实时采集农业大棚内温湿度、土壤温度、土壤水分、氧气含量及光照数据，并可通过继电器与脉宽调制输出为大棚灌溉、通风以及大棚卷帘机等机电设备提供控制信号。

背景技术

随着我国农业的发展，大棚种植技术已经得到了广泛的推广应用。大棚种植的优点在于其可以人为地控制棚内温度、湿度等种植参数，并可抵御外界不良气候环境对作物造成的影响。但是我国大棚种植领域普遍存在的问题是种植模式粗旷、劳动力密集、多采用人工管理方式。这造成了在大棚种植过程中单位产出人工成本占比高、种植效果难以优化。传统大棚种植模式已不能适应未来精细化农业的需求。如果能通过远程监控方式对大棚种植过程管理模式进行升级，则可以在较大程度上弥补我国传统粗旷型大棚种植方式的缺陷，尤其是在恒温温室大棚、育苗温室大棚等对环境参数要求较高的应用中，其将发挥更为重要的作用。

近年来随着无线传输与数据采集技术的发展，无线传感器网络得到了广泛的应用。无线传感器网络设置灵活、功耗低、节点结构简单，十分适合在农业监测这一具有分布式、低成本监测需求的领域推广应用。ZigBee技术是一种适用于无线传感器网络的通信协议，具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率和低成本的特点。农业监测领域所关注的种植数据多为缓变数据，另外田间地头或大棚等应用场合通常难以提供有线连接，基于ZigBee技术的无线传感器网络十分适合在以上场合使用。随着嵌入式技术的发展，新一代单片机低功耗、高性能与高可靠性的特点十分突出，非常适合在户外无线传感器网络中使用。使用ZigBee技术与新一代单片机技术可实现低成本、多功能、低功耗及高可靠性的无线传感器网络节点设计。利用其进行组网可望实现对农业种植的分布式监控。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于农业大棚种植的无线监控节点及采用该无线监控节点实现监控的方法。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种农业大棚无线监控节点，包括低功耗单片机、温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、氧气检测部分、日光辐照传感器、继电器、ZigBee射频透明传输模块、供电部分及定向天线，其特征在于：

低功耗单片机，用于接收处理上位机发来的控制指令；对温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、氧气检测部分及日光辐照传感器，实时监测农业大棚内的环境信息，若某一监测参数超过预先设定的危险阈值，则发出告警信号；操作ZigBee射频透明传输模块；向继电器给出控制信号；用于输出脉宽调制信号，通过该脉宽调制信号对农业大棚内设备进行控制；

温湿度传感器，用于采集农业大棚内的环境温湿度，根据具体监测的对象灵活选择温湿度传感器在农业大棚内的布设位置；

土壤温度传感器，用于监测植物根系附近的土壤温度，在布设土壤温度传感器时需要考虑植物根系深度与覆盖范围；

土壤水分传感器，用于检测土壤中水分含量，在使用时，土壤水分传感器置于平坦且与农业大棚内的喷灌装置有一定距离的地面上；

氧气检测部分包括相连的氧气传感器与放大器，氧气传感器基于氧气电池结构，由放大器对氧气传感器与的输出信号进行放大以提高采样精度；

日光辐照传感器，用于检测日光在穿透农业大棚的覆盖物后的强度，日光辐照传感器布设在作物枝叶上方垂线0.5-1米位置处；

通过继电器的通/断及低功耗单片机输出的脉宽调制信号的占空比，分别对农业大棚内相应的机电设备进行控制，低功耗单片机与继电器之间通过光耦电路进行隔离；

ZigBee射频透明传输模块，用于实现无线数据收发功能；

定向天线，用于增加ZigBee射频透明传输模块向外发射及接收无线信号的传输距离，同时也可以部分克服障碍物对无线信号造成的遮挡；

供电部分采用铅酸电池结合DC-DC模块的方式，将铅酸电池的输出通过DC-DC变换，为系统电路部分提供稳定的供电，该铅酸电池使用太阳能进行充电；

低功耗单片机、继电器、放大器、ZigBee射频透明传输模块及供电部分封装在防水箱内。

优选地，所述温湿度传感器选用有一定防水能力、超低能耗、传输距离远、已经预校准的数字式温湿度传感器；所述土壤温度传感器选用不锈钢封装的接触式温度传感器；所述土壤水分传感器选用FDR插针式土壤水分传感器；所述日光辐照传感器选用出厂预校准、适用于户外环境的辐照传感器；所述ZigBee射频透明传输模块选用工业级高增益透明传输模块，所述ZigBee射频透明传输模块与所述低功耗单片机之间的接口为RS-232接口；所述定向天线选用八木天线或平板天线；采用蜂鸣器发出所述告警信号。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的农业大棚无线监控节点的农业大棚数据监控及控制方法，其特征在于，步骤为：

第一步、在农业大棚无线监控节点上电工作之前，将触发告警信号的危险阈值写在农业大棚无线监控节点的存储空间中，将农业大棚无线监控节点的定向天线方向指向上位机天线所在位置；

第二步、农业大棚无线监控节点上电后，低功耗单片机读取温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、日光辐照传感器及氧气传感器，如果没有发现有种植参数的监测值超过危险阈值，则进入第三步，如果有，则进入第四步；

第三步、低功耗单片机每隔固定的时间间隔A周期性地对温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、日光辐照传感器及氧气传感器进行读取，获得相应的种植参数的监测值，完成每一次新的测量后，就将存储空间中原有的监测值覆盖；若农业大棚无线监控节点在工作中发现某一监测值超过阈值，则进入第四步；

若农业大棚无线监控节接收到上位机的查询指令后，则将最近一次获得的监测值及由该农业大棚无线监控节控制的农业大棚内的机电设备的工作状态发送到上位机；

若农业大棚无线监控节接收到上位机的设置指令后，则依照指令设置继电器的导通状态及低功耗单片机输出的脉宽调制信号的占空比；

第四步、农业大棚无线监控节点触发环境参数异常告警，低功耗单片机开始以时间间隔B周期性地对温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、日光辐照传感器及氧气传感器进行读取，时间间隔B≤时间间隔A，同时设定一个固定长度、用于存储监测值的数组，当数组内的数据第一次填满后进行平均，如果平均值仍旧超过危险阈值，则触发蜂鸣器告警，并将告警信息通过ZigBee透传模块发送到上位机。

第五步、发出告警后，低功耗单片机继续依照时间间隔B周期性地对温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、日光辐照传感器及氧气传感器进行读取，并将监测值继续写入数组，每一次写入操作后对数组内数据进行平均，如果数组平均值超越危险阈值则继续通过蜂鸣器进行报警；如果没有超越危险阈值，则停止蜂鸣器的报警；

在进行第四步及第五步的过程中，若农业大棚无线监控节接收到上位机的查询指令，则对查询指令响应的中断优先级高于告警信息发送的中断优先级，将最近一次获得的监测值及由该农业大棚无线监控节控制的农业大棚内的机电设备的工作状态发送到上位机；

在进行第四步及第五步的过程中，若农业大棚无线监控节接收到上位机的设置指令后，则对设置指令响应的中断优先级高于告警信息发送的中断优先级，依照指令设置继电器的导通状态及低功耗单片机输出的脉宽调制信号的占空比。

优选地，在所述第五步中，将监测值继续写入数组的方法为：将数组中最旧的一个数据清零，后面的数据依次前移，最后将最新的监测数据放在移位空出的位置上。

本发明提出了一种可用于农业大棚无线远程监控的节点。该节点可为农业大棚种植提供一种新的管理途径。该节点不仅实现了对大棚常见种植参数的采集，而且还提供了可以远程对大棚种植设备进行控制的手段。节点采用太阳能供电及定向天线传输增强的方式，使节点布设更加灵活。节点结构简单、成本低廉、工作可靠，利于在我国大棚农业种植领域推广。

附图说明

图1为一种农业大棚无线监控节点系统组成结构框图；

图2为PIC16F690单片机的电路原理图；

图3为下载器连接及按键复位部分的电路原理图；

图4为温湿度传感器AM2306部分对应的电路原理图；

图5为土壤温度传感器DS18B20部分对应的电路原理图；

图6为土壤水分传感器部分对应的电路原理图；

图7为氧气传感器部分对应的电路原理图；

图8为ZigBee模块连接部分对应的电路原理图；

图9为节点继电器控制部分对应的电路原理图；

图10为PMW控制部分电路对应的电路原理图；

图11为DC-DC部分对应的电路原理图；

图12为蜂鸣器报警部分对应的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，本发明涉及一种农业大棚无线监控节点，包括低功耗单片机、温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、氧气检测部分、日光辐照传感器、外部设备控制部分、ZigBee射频透明传输模块、供电部分及定向天线。节点采用太阳能供电方式，并采用防水箱来杜绝水汽、凝露或喷灌等对节点核心电路部分造成的不良影响。

低功耗单片机是节点的核心部分，其负责接收处理上位机发来的控制指令、对各传感器进行采样、操作ZigBee射频透明传输模块及输出继电器控制命令或脉宽调制信号。另外，低功耗单片机还需要实时监测农业大棚内环境信息，如果发现某一监测参数超过危险阈值，则发出告警信号。

本实施例中，低功耗单片机选用微芯公司推出的PIC16F690单片机，该单片机为采用纳瓦技术的20引脚8位CMOS闪存单片机。PIC16F690具有稳定性高、功耗较低、成本低廉且功能丰富的特点。尤其是在其内部集成了对脉宽调制的支持，令使用十分便利。实施例中，PIC16F690采用20引脚的塑封双列直插式封装(PDIP-20)，在其电源输入引脚上使用一个1206封装的0.1μF去耦陶瓷电容CM1。由于本实施例中对时序的要求并不十分严格，在实施例中采用PIC16F690内部振荡器作为主时钟。PIC16F690内部振荡器频率选择位IRCF<2:0>配置为111，生成8MHz内部时钟，由其同步系统时序。PIC16F690内部的系统时钟选择位SCS需要置1。实现中PIC16F690使用MPLAB8开发环境，并利用PICKIT下载器下载程序。系统采用按键复位方式。PIC16F690的19号与18号管脚与下载器ICSPDAT及ICSPCLK端口相连。PIC16F690的4号管脚与MCLR相连用于复位。需要指出的是为了提高系统的抗干扰性及降低误操作的概率，以上三个管脚在功能设计中尽量不要进行功能复用。本实施例中PIC16F690单片机及周边器件的电路原理图如图2所示。下载器连接及按键复位部分的电路原理图如图3所示。

温湿度传感器用于采集农业大棚内的环境温湿度。推荐使用有一定防水能力、超低能耗、传输距离远、已经预校准的数字式温湿度传感器。在大棚内布设温湿度传感器时还需根据具体监测的对象灵活选择位置。如在葡萄大棚中该温湿度传感器应布设在葡萄枝叶附近；而草莓育苗温室大棚中则应布置在与火炉有一定距离的地面附近。

本实施例中，温湿度传感器选择AM2306型数字温湿度传感器，该传感器在出厂时就已校准，平均工作电流约300μA。AM2306对溅水有较好的防护效果，适合在大棚中使用。选用该传感器的另外一个原因是其采用单总线接口，十分便于与PIC16F690连接。AM2306的单总线端(2号引脚)与PIC16F690的16号引脚RC0连接，并使用阻值为5.1K的0805封装贴片电阻RAM上拉。AM2306的供电端(1号引脚)使用0.1μF陶瓷电容CAM去耦。AM2306部分对应的电路原理图如图4所示。

土壤温度传感器用于监测植物根系附近的土壤温度，由于土壤中含有一定量的腐蚀性物质。推荐使用不锈钢封装的接触式温度传感器。而且在布设传感器时还需要考虑植物根系深度与覆盖范围。

本实施例中，土壤温度传感器选用不锈钢结合软管封装的DS18B20数字式温度传感器，该传感器体积小，易于放置在作物根系周围的土壤中。其也为单总线接口。设计中DS18B20的单总线端与PIC16F690单片机的17号引脚RA2连接，其数据线上使用阻值为4.7K的0805封装贴片电阻Rt上拉。土壤温度传感器的供电端使用0.1μF陶瓷电容Ct去耦。DS18B20部分对应的原理图如图5所示。

土壤水分传感器用于检测土壤中水分含量，在使用中可选用FDR插针式土壤水分传感器。它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤容积含水量。在使用时，水分传感器应置于平坦、且与喷灌装置有一定距离的地面上，以避免由于局部积水等原因造成的测量误差。

本实施例中，土壤水分传感器使用浩讯信息科技出品的MS10土壤水分传感器，该传感器0～100％量程对应0～2V的电压输出。土壤水分传感器的输出端(MS10的棕色线)与PIC16F690的15号管脚(RC1)连接。MS10的供电端(MS10的红色线)使用0.1μF陶瓷电容CEH去耦。土壤水分传感器部分的电路原理图如图6所示。

大棚内氧气检测部分由氧气传感器与放大器组成。由于基于氧气电池结构的氧气传感器体积小、性能稳定，可作为节点所配氧气传感器的首选。由于氧气电池的输出幅度较小，为了提高采样精度需后接高精度放大器对其信号进行放大。可根据低功耗单片机所支持的AD输入模式，择优选取高精度放大器(如LT6001、LT6003、AD8602等)构建单端或者差分输出。

本实施例中，氧气传感器选用英国城市技术公司出品的4OXV氧气传感器。4OXV的输出为电流信号，需要外接一精密电阻将其转化为电压信号。此处选择100欧姆1％精度的精密电阻RoL1作为4OXV的负载。由于经过上述过程产生的电压信号较为微弱，还需要对其进行放大。设计中使用AD公司生产的AD8602运算放大器对其进行放大，该放大器具有低失调、极低的输入偏置电流和高速度特性。实施例中AD8602为SOIC-8封装，放大倍数设定为1∶101。用于设定放大倍数所采用的电阻都为1％精度、0805封装的精密电阻RoL2、RoL3。AD8602的供电输入端按一个0805封装的0.1μF的去耦电容Ca，AD8602的输出端与PIC16F690的14号管脚(RC2)连接。氧气传感器部分的电路原理图如图7所示。

日光辐照传感器用于检测日光在穿透大棚覆盖物(如农用薄膜等)后的强度。设计中推荐选用出厂预校准、适用于户外环境的辐照传感器。布设的位置为在作物枝叶上方垂线0.5-1米位置处。

本实施例中，日光透过大棚后残余的辐照强度通过Davis-6450日光辐照传感器进行采集。该传感器具有较好的线性响应率，且其输出与日光入射角符合余弦响应规律。Davis-6450日光辐照传感器出厂时已经校准，且内部集成了放大电路。所以实施例中直接通过PIC16F690对Davis-6450进行采样即可。Davis-6450的输出端通过RJ-11接头与PIC16F690的7号管脚(RC3)进行连接。

ZigBee射频透明传输模块用于为节点实现无线数据收发功能。推荐使用工业级高增益透明传输模块。模块-MCU接口为RS-232将会在较大程度上方便系统设计及模块维修更换。

本实施例中，ZigBee透明传输模块选择DTK-2617，该模块基于CC2530设计。在使用中PIC16F690通过RS-232接口对其进行透传调用，而不需深入考虑具体ZigBee网络协议的实现方式。PIC16F690与DTK-2617之间使用MAX232进行连接。MAX232将PIC16F690的EUSART信号(TX，RX)转换成符合RS-232标准的信号，并与DTK-2617的对应端口连接。为了方便防水箱内布线，未在设计中使用DB9接头，而是使用DG-500-6标准接头连接MAX232与DTK-2617。PIC16F690与DTK-2617连接部分的电路原理图如图8所示。DTK-2617模块在使用前需要对其进行配置。其需要配置的参数如下：PAN ID、频道、节点地址、上位机地址及波特率。在本实施例中各参数的配置值如下(十六进制)：PAN网络ID-EEAA、频道-16、节点地址-01EE、上位机地址-00 01、波特率-9600。由于用户通过可变长度容器的方式实现对DTK-2617的调用，所以用户在编写程序时可以省略结束码。本实施例中，传输节点控制指令及告警信息时所用的容器长度统一定为6字节。监测数据传输采用的容器长度为20字节。

实施例中定向天线采用D-LENP出品的2.4G八木定向天线，该天线工作频率范围为2.4GHz-2.5GHz。天线增益18dBi。功率角度在水平与垂直方向上都为18度。天线安装时使用U码抱柱式安装。安装高度距离地面2.5米。

常见大棚机电设备可使用继电器与脉宽调制输出进行控制。通过继电器的通/断、脉宽调制输出的占空比，即可对灌溉、通风、卷帘等设备进行控制。继电器由于是电磁干扰较大的元件，所以在系统中需要在其与低功耗单片机之间使用光耦进行隔离。另外从节约成本、减小系统体积及增加可靠性的角度出发，本实施例中的低功耗单片机附带脉宽调制输出。

继电器控制部分电路原理图如图9所示。PIC16F690单片机的RC6与RC7管脚(8、9)分别控制一路继电器。通过在RC6与RC7管脚上逻辑电平的变化，即可实现对外部继电器开/关状态的控制。为了避免继电器对单片机造成干扰，RC6与RC7的输出通过光耦HCPL2630进行隔离。RC6与RC7通过光耦隔离后的信号分别与一个8050三极管Q1、Q2的基极连接。通过控制该8050三极管Q1、Q2，即可控制流经继电器控制端的电流，实现继电器的开合功能。每一路中的1N4007二极管DR1、DR2作为续流二极管对电路进行保护。该无线监控节点与外部继电器通过RA+/RA-与RB+/RB-接头进行连接。实施例中对于每一路接头(RA或RB)，使用了一个DG-500-2接头用于端接。

由于PIC16F690单片机内部已经集成了PWM功能，所以可以直接将具有该功能的管脚的输出信号引出。本实施例中选用5号管脚(CCP1/P1A)作为PWM控制管脚。其输出信号通过一DG-500-2接头输出供外部设备控制时使用。PMW控制部分电路原理图如图10所示。

节点供电部分由太阳能电池板、太阳能控制器、铅酸蓄电池及DC-DC部分组成。太阳能电池板选用光合太阳能生产的40W单晶硅太阳能电池板。太阳能控制器选用斯普威尔SML-05型太阳能控制器。蓄电池选用赛特T-12M7.0AT铅酸免维护蓄电池，其容量为12V7AH。具体使用中分别将太阳能电池板与铅酸电池接在SML-05太阳能控制器的对应端口。SML-05的输出端输出电压(V_Bat)为蓄电池的输出电压。本实施例中该电压值通常在12V以上，所以需后接DC-DC模块进行电压转换。实施例中选用LM2596-5V型降压开关型集成稳压芯片构建DC-DC部分，LM2596最大可提供3A电流输出，完全满足设计要求。设计中选用TO-263表贴封装的LM2596S-5V。DC-DC部分的电路原理图如图11所示。图中CBil、Co1和Co2选择耐压为50V的铝电解电容。L1选择带磁屏蔽的MS127-330MT型33μH表帖电感，其最大工作电流值为3A。

节点中还设置蜂鸣器用于报警。蜂鸣器报警部分对应的电路原理图如图12所示，当PIC16F690发现某一监测信号超过其告警阈值，则利用6号管脚(C2OUT)输出一PWM信号作用于一8050三极管Qb的基极。8050三极管Qb的基极受到调制后，使蜂鸣器LS1发出鸣叫声，由此向大棚管理者提供直观的声音告警。图12中1N4007二极管Db用于防止蜂鸣器电流对系统造成的损害。

为了防止大棚内由于灌溉、喷洒等作业对节点电路部分造成影响，需使用防水箱将节点除天线和传感器以外的电路部封装。推荐使用IP66等级以上的防水箱，防水箱开孔接线端需使用PG型防水接头封闭。本实施例中，防水箱采用斯普威尔外形尺寸为250cm×360cm×150cm的合页型带扣防水盒。该防水箱具有IP66的放水与防尘等级。温湿度传感器、土壤温度传感器、氧气传感器、土壤水分传感器与日光辐照传感器通过在防水箱侧壁上的开孔引出。在开孔处使用PG11防水接头固定。节点其余部分放置于防水箱之中。

节点控制命令及监测数据传输的格式如下所示：

查询指令

FD

容器长度

节点地址

FF 00 FF 00 FF 00

设置指令

FD

容器长度

节点地址

继电器A控制

继电器B控制

PWM设置(周期、占空比)

数据传输

如果节点发现大棚内环境参数异常，则通过ZigBee透传模块向上位机发送告警信息，并驱动蜂鸣器报警。节点告警信息的格式如下所示：

告警信息

本实施例所对应的大棚无线监控节点在安装时，需将ZigBee无线收发所使用的八木天线依照其方向图的主瓣方向面向上位机接收天线进行安装。节点在使用前还需要接通其系统供电部分令节点所配备的铅酸电池充分完成充电，以避免由于其供电不足造成的节点故障。

在实施例中节点在使用之前，先将告警触发阈值写入PIC16F690的内部寄存器当中。告警触发阈值在本实施例中定义如下：空气温度低报阈值-10℃、高报阈值40℃；土壤温度低报阈值0℃、高报阈值30℃；土壤水分低报阈值20％、高报阈值90％；氧气低报阈值18％。由于大棚内日光辐射、环境湿度及较高的氧气含量不会对作物与作业者造成直接伤害，日光辐照与环境湿度不设报警阈值，氧气不设高报阈值。上述报警触发阈值作为常数量写在PIC16F690的存储空间中。

当PIC16F690上电后，进入正常工作模式。节点此时无PWM输出，节点两路继电器控制端也为断路状态。PIC16F690依次读取AM2306、DS18820、MS10、4OXV、Davis-6450的监测结果。如果种植参数监测结果无异常，则将监测结果存储在PIC16F690的内部存储空间中。之后节点每隔30秒(时间间隔A)再按照之前的读取顺序获得种植参数。当完成一次采样后，就将前一次的种植监测数据覆盖掉。当节点收到上位机发来的查询指令后，将最新一次采集到的种植监测数据及此时的外部设备控制状态发往上位机，完成监测数据发送流程。

如果节点收到上位机发来的控制指令，则按照控制指令指定的状态设置外部设备控制部分。完成设置后进入一个长度为8秒的延时程序。在该延时程序结束后对外部设备控制部分的设置状态进行检测，将检测结果发往上位机，最终完成外部设备配置流程。数据发送完成之前或外部设备控制部分完成配置之前不进行下一次的采样或响应上位机信息。

假如PIC16F690完成监测数据采集后发现某参数超越了预先设定的告警触发阈值，则会进入到告警模式。节点首先以较短的时间间隔(时间间隔B)对传感器数据进行监测，本实施中该时间间隔设为1秒。每完成一次监测后，则将数据存储到预先在PIC16F690存储空间中开辟的一个以数组形式规格化好的存储区域中，并设定一个数据指针用于实现数组FIFO操作。本实施例中该数组可容纳16次数据监测的结果。在该数组第一次完成填充后，对数组内引起告警的对应参数进行平均，如果平均值还是超越阈值，则使用PWM信号使蜂鸣器LS1鸣叫，并依照前述格式向上位机发出告警信息。之后节点继续按照时间间隔B对传感器进行监测，并不断进行平均-告警操作。利用数据指针的FIFO操作，每一次采集到新的监测数据后就将其写入数组中最旧数据的存储位置。之后再进行新一次的平均。只有当该数组中所有监测参数的平均值都不符合告警阈值触发条件后，节点才会回到正常工作模式下。

节点在发出告警信息的同时还需要监听ZigBee信道以便获得最新的上位机控制指令，并依据上位机新的指令来设置外部设备控制部分。为了防止节点由于发送告警产生的锁死情况，告警模式下节点对上位机控制指令的响应方式与正常工作模式相同。且对上位机控制指令响应的中断优先级高于告警信息发送的中断优先级。

DTK-2617在进行传输时，采用十六进制的FD作为前导码，之后接包容器长度及目的地址。实施例在查询指令容器中，使用FF 00 FF 00 FF 00作为对节点监测数据进行查询的请求。在设置指令容器中，继电器A控制与继电器B控制分别占用1字节的长度。在对应的继电器控制字节中使用FF或00代表对特定继电器的开启与关断。设置指令中的PWM设置部分分别使用2字节用于容纳对PWM周期与占空比的设定值。在数据传输指令的容器中，使用了2字节用于容纳监测节点的地址，使用12字节用于容纳种植参数。环境温湿度数据占用4字节、土壤温度占用2字节、土壤水分占用2字节、氧气占用2字节、日光辐照占用2字节。数据传输指令的容器中另外的6字节用于容纳外部设备控制部分配置信息。

告警信息容器中首先用2字节标出发出告警信息的节点地址，之后使用2字节标出告警来源：十六进制的00 00代表环境温度；00 11代表土壤温度；11 00代表土壤水分；11 11代表氧气。报警的上下阈值也用2字节表示，00 00表示监测量超越了下阈值，11 11表示监测量超越了上阈值。告警信息最后用十六进制FF AA结束。

Claims (4)

1.一种农业大棚无线监控节点，包括低功耗单片机、温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、氧气检测部分、日光辐照传感器、继电器、ZigBee射频透明传输模块、供电部分及定向天线，其特征在于：

低功耗单片机，用于接收处理上位机发来的控制指令；对温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、氧气检测部分及日光辐照传感器，实时监测农业大棚内的环境信息，若某一监测参数超过预先设定的危险阈值，则发出告警信号；操作ZigBee射频透明传输模块；向继电器给出控制信号；用于输出脉宽调制信号，通过该脉宽调制信号对农业大棚内设备进行控制；

温湿度传感器，用于采集农业大棚内的环境温湿度，根据具体监测的对象灵活选择温湿度传感器在农业大棚内的布设位置；

土壤温度传感器，用于监测植物根系附近的土壤温度，在布设土壤温度传感器时需要考虑植物根系深度与覆盖范围；

土壤水分传感器，用于检测土壤中水分含量，在使用时，土壤水分传感器置于平坦且与农业大棚内的喷灌装置有一定距离的地面上；

氧气检测部分包括相连的氧气传感器与放大器，氧气传感器基于氧气电池结构，由放大器对氧气传感器与的输出信号进行放大以提高采样精度；

日光辐照传感器，用于检测日光在穿透农业大棚的覆盖物后的强度，日光辐照传感器布设在作物枝叶上方垂线0.5-1米位置处；

通过继电器的通/断及低功耗单片机输出的脉宽调制信号的占空比，分别对农业大棚内相应的机电设备进行控制，低功耗单片机与继电器之间通过光耦电路进行隔离；

ZigBee射频透明传输模块，用于实现无线数据收发功能；

定向天线，用于增加ZigBee射频透明传输模块向外发射及接收无线信号的传输距离，同时也可以部分克服障碍物对无线信号造成的遮挡；

供电部分采用铅酸电池结合DC-DC模块的方式，将铅酸电池的输出通过DC-DC变换，为系统电路部分提供稳定的供电，该铅酸电池使用太阳能进行充电；

低功耗单片机、继电器、放大器、ZigBee射频透明传输模块及供电部分封装在防水箱内。

2.如权利要求1所述的一种农业大棚无线监控节点，其特征在于：所述温湿度传感器选用有一定防水能力、超低能耗、传输距离远、已经预校准的数字式温湿度传感器；所述土壤温度传感器选用不锈钢封装的接触式温度传感器；所述土壤水分传感器选用FDR插针式土壤水分传感器；所述日光辐照传感器选用出厂预校准、适用于户外环境的辐照传感器；所述ZigBee射频透明传输模块选用工业级高增益透明传输模块，所述ZigBee射频透明传输模块与所述低功耗单片机之间的接口为RS-232接口；所述定向天线选用八木天线或平板天线；采用蜂鸣器发出所述告警信号。

3.一种如权利要求1所述的农业大棚无线监控节点的农业大棚数据监控及控制方法，其特征在于，步骤为：

第一步、在农业大棚无线监控节点上电工作之前，将触发告警信号的危险阈值写在农业大棚无线监控节点的存储空间中，将农业大棚无线监控节点的定向天线方向指向上位机天线所在位置；

第二步、农业大棚无线监控节点上电后，低功耗单片机读取温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、日光辐照传感器及氧气传感器，如果没有发现有种植参数的监测值超过危险阈值，则进入第三步，如果有，则进入第四步；

第三步、低功耗单片机每隔固定的时间间隔A周期性地对温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、日光辐照传感器及氧气传感器进行读取，获得相应的种植参数的监测值，完成每一次新的测量后，就将存储空间中原有的监测值覆盖；若农业大棚无线监控节点在工作中发现某一监测值超过阈值，则进入第四步；

若农业大棚无线监控节接收到上位机的查询指令后，则将最近一次获得的监测值及由该农业大棚无线监控节控制的农业大棚内的机电设备的工作状态发送到上位机；

若农业大棚无线监控节接收到上位机的设置指令后，则依照指令设置继电器的导通状态及低功耗单片机输出的脉宽调制信号的占空比；

第四步、农业大棚无线监控节点触发环境参数异常告警，低功耗单片机开始以时间间隔B周期性地对温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、日光辐照传感器及氧气传感器进行读取，时间间隔B≤时间间隔A，同时设定一个固定长度、用于存储监测值的数组，当数组内的数据第一次填满后进行平均，如果平均值仍旧超过危险阈值，则触发蜂鸣器告警，并将告警信息通过ZigBee透传模块发送到上位机。

第五步、发出告警后，低功耗单片机继续依照时间间隔B周期性地对温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、日光辐照传感器及氧气传感器进行读取，并将监测值继续写入数组，每一次写入操作后对数组内数据进行平均，如果数组平均值超越危险阈值则继续通过蜂鸣器进行报警；如果没有超越危险阈值，则停止蜂鸣器的报警；

在进行第四步及第五步的过程中，若农业大棚无线监控节接收到上位机的查询指令，则对查询指令响应的中断优先级高于告警信息发送的中断优先级，将最近一次获得的监测值及由该农业大棚无线监控节控制的农业大棚内的机电设备的工作状态发送到上位机；

在进行第四步及第五步的过程中，若农业大棚无线监控节接收到上位机的设置指令后，则对设置指令响应的中断优先级高于告警信息发送的中断优先级，依照指令设置继电器的导通状态及低功耗单片机输出的脉宽调制信号的占空比。

4.如权利要求3所述的一种农业大棚数据监控及控制方法，其特征在于，在所述第五步中，将监测值继续写入数组的方法为：将数组中最旧的一个数据清零，后面的数据依次前移，最后将最新的监测数据放在移位空出的位置上。