一種農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，包括低功耗單片機(jī)、溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、氧氣檢測(cè)部分、日光輻照傳感器、繼電器、ZigBee射頻透明傳輸模塊、供電部分及定向天線。本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是提供了一種上述的農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)監(jiān)控及控制方法。本發(fā)明提出了一種可用于農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可為農(nóng)業(yè)大棚種植提供一種新的管理途徑。該節(jié)點(diǎn)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚常見(jiàn)種植參數(shù)的采集，而且還提供了可以遠(yuǎn)程對(duì)大棚種植設(shè)備進(jìn)行控制的手段。節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能供電及定向天線傳輸增強(qiáng)的方式，使節(jié)點(diǎn)布設(shè)更加靈活。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠，利于在我國(guó)大棚農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域推廣。
【專利說(shuō)明】一種農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可以通過(guò)ZigBee無(wú)線技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)及方法。通過(guò)該節(jié)點(diǎn)及方法可以實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)溫濕度、土壤溫度、土壤水分、氧氣含量及光照數(shù)據(jù)，并可通過(guò)繼電器與脈寬調(diào)制輸出為大棚灌溉、通風(fēng)以及大棚卷簾機(jī)等機(jī)電設(shè)備提供控制信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大棚種植技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的推廣應(yīng)用。大棚種植的優(yōu)點(diǎn)在于其可以人為地控制棚內(nèi)溫度、濕度等種植參數(shù)，并可抵御外界不良?xì)夂颦h(huán)境對(duì)作物造成的影響。但是我國(guó)大棚種植領(lǐng)域普遍存在的問(wèn)題是種植模式粗曠、勞動(dòng)力密集、多采用人工管理方式。這造成了在大棚種植過(guò)程中單位產(chǎn)出人工成本占比高、種植效果難以優(yōu)化。傳統(tǒng)大棚種植模式已不能適應(yīng)未來(lái)精細(xì)化農(nóng)業(yè)的需求。如果能通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控方式對(duì)大棚種植過(guò)程管理模式進(jìn)行升級(jí)，則可以在較大程度上彌補(bǔ)我國(guó)傳統(tǒng)粗曠型大棚種植方式的缺陷，尤其是在恒溫溫室大棚、育苗溫室大棚等對(duì)環(huán)境參數(shù)要求較高的應(yīng)用中，其將發(fā)揮更為重要的作用。
[0003]近年來(lái)隨著無(wú)線傳輸與數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活、功耗低、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，十分適合在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)這一具有分布式、低成本監(jiān)測(cè)需求的領(lǐng)域推廣應(yīng)用。ZigBee技術(shù)是一種適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率和低成本的特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域所關(guān)注的種植數(shù)據(jù)多為緩變數(shù)據(jù)，另外田間地頭或大棚等應(yīng)用場(chǎng)合通常難以提供有線連接，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)十分適合在以上場(chǎng)合使用。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，新一代單片機(jī)低功耗、高性能與高可靠性的特點(diǎn)十分突出，非常適合在戶外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用。使用ZigBee技術(shù)與新一代單片機(jī)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低成本、多功能、低功耗及高可靠性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。利用其進(jìn)行組網(wǎng)可望實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)種植的分布式監(jiān)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種適用于農(nóng)業(yè)大棚種植的無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)及采用該無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的方法。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案是提供了一種農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，包括低功耗單片機(jī)、溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、氧氣檢測(cè)部分、日光輻照傳感器、繼電器、ZigBee射頻透明傳輸模塊、供電部分及定向天線，其特征在于:
[0006]低功耗單片機(jī)，用于接收處理上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制指令；對(duì)溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、氧氣檢測(cè)部分及日光輻照傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境信息，若某一監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的危險(xiǎn)閾值，則發(fā)出告警信號(hào)；操作ZigBee射頻透明傳輸模塊；向繼電器給出控制信號(hào)；用于輸出脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)該脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)設(shè)備進(jìn)行控制；[0007]溫濕度傳感器，用于采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境溫濕度，根據(jù)具體監(jiān)測(cè)的對(duì)象靈活選擇溫濕度傳感器在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的布設(shè)位置；
[0008]土壤溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)植物根系附近的土壤溫度，在布設(shè)土壤溫度傳感器時(shí)需要考慮植物根系深度與覆蓋范圍；
[0009]土壤水分傳感器，用于檢測(cè)土壤中水分含量，在使用時(shí)，土壤水分傳感器置于平坦且與農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的噴灌裝置有一定距離的地面上；
[0010]氧氣檢測(cè)部分包括相連的氧氣傳感器與放大器，氧氣傳感器基于氧氣電池結(jié)構(gòu)，由放大器對(duì)氧氣傳感器與的輸出信號(hào)進(jìn)行放大以提高采樣精度；
[0011]日光輻照傳感器，用于檢測(cè)日光在穿透農(nóng)業(yè)大棚的覆蓋物后的強(qiáng)度，日光輻照傳感器布設(shè)在作物枝葉上方垂線0.5-1米位置處；
[0012]通過(guò)繼電器的通/斷及低功耗單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比，分別對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)相應(yīng)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制，低功耗單片機(jī)與繼電器之間通過(guò)光耦電路進(jìn)行隔離；
[0013]ZigBee射頻透明傳輸模塊，用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)功能；
[0014]定向天線，用于增加ZigBee射頻透明傳輸模塊向外發(fā)射及接收無(wú)線信號(hào)的傳輸距離，同時(shí)也可以部分克服障礙物對(duì)無(wú)線信號(hào)造成的遮擋；
[0015]供電部分采用鉛酸電池結(jié)合DC-DC模塊的方式，將鉛酸電池的輸出通過(guò)DC-DC變換，為系統(tǒng)電路部分提供穩(wěn)定的供電，該鉛酸電池使用太陽(yáng)能進(jìn)行充電；
[0016]低功耗單片機(jī)、繼電器、放大器、ZigBee射頻透明傳輸模塊及供電部分封裝在防水箱內(nèi)。
[0017]優(yōu)選地，所述溫濕度傳感器選用有一定防水能力、超低能耗、傳輸距離遠(yuǎn)、已經(jīng)預(yù)校準(zhǔn)的數(shù)字式溫濕度傳感器；所述土壤溫度傳感器選用不銹鋼封裝的接觸式溫度傳感器；所述土壤水分傳感器選用FDR插針式土壤水分傳感器；所述日光輻照傳感器選用出廠預(yù)校準(zhǔn)、適用于戶外環(huán)境的輻照傳感器；所述ZigBee射頻透明傳輸模塊選用工業(yè)級(jí)高增益透明傳輸模塊，所述ZigBee射頻透明傳輸模塊與所述低功耗單片機(jī)之間的接口為RS-232接口 ；所述定向天線選用八木天線或平板天線；采用蜂鳴器發(fā)出所述告警信號(hào)。
[0018]本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是提供了一種上述的農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)監(jiān)控及控制方法，其特征在于，步驟為:
[0019]第一步、在農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上電工作之前，將觸發(fā)告警信號(hào)的危險(xiǎn)閾值寫在農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間中，將農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的定向天線方向指向上位機(jī)天線所在位置；
[0020]第二步、農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上電后，低功耗單片機(jī)讀取溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、日光輻照傳感器及氧氣傳感器，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有種植參數(shù)的監(jiān)測(cè)值超過(guò)危險(xiǎn)閾值，則進(jìn)入第三步，如果有，則進(jìn)入第四步；
[0021]第三步、低功耗單片機(jī)每隔固定的時(shí)間間隔A周期性地對(duì)溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、日光輻照傳感器及氧氣傳感器進(jìn)行讀取，獲得相應(yīng)的種植參數(shù)的監(jiān)測(cè)值，完成每一次新的測(cè)量后，就將存儲(chǔ)空間中原有的監(jiān)測(cè)值覆蓋；若農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在工作中發(fā)現(xiàn)某一監(jiān)測(cè)值超過(guò)閾值，則進(jìn)入第四步；
[0022]若農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)接收到上位機(jī)的查詢指令后，則將最近一次獲得的監(jiān)測(cè)值及由該農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)控制的農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī)；[0023]若農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)接收到上位機(jī)的設(shè)置指令后，則依照指令設(shè)置繼電器的導(dǎo)通狀態(tài)及低功耗單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比；
[0024]第四步、農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)觸發(fā)環(huán)境參數(shù)異常告警，低功耗單片機(jī)開(kāi)始以時(shí)間間隔B周期性地對(duì)溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、日光輻照傳感器及氧氣傳感器進(jìn)行讀取，時(shí)間間隔B <時(shí)間間隔A，同時(shí)設(shè)定一個(gè)固定長(zhǎng)度、用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)值的數(shù)組，當(dāng)數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)第一次填滿后進(jìn)行平均，如果平均值仍舊超過(guò)危險(xiǎn)閾值，則觸發(fā)蜂鳴器告警，并將告警信息通過(guò)ZigBee透?jìng)髂K發(fā)送到上位機(jī)。
[0025]第五步、發(fā)出告警后，低功耗單片機(jī)繼續(xù)依照時(shí)間間隔B周期性地對(duì)溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、日光輻照傳感器及氧氣傳感器進(jìn)行讀取，并將監(jiān)測(cè)值繼續(xù)寫入數(shù)組，每一次寫入操作后對(duì)數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，如果數(shù)組平均值超越危險(xiǎn)閾值則繼續(xù)通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警；如果沒(méi)有超越危險(xiǎn)閾值，則停止蜂鳴器的報(bào)警；
[0026]在進(jìn)行第四步及第五步的過(guò)程中，若農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)接收到上位機(jī)的查詢指令，則對(duì)查詢指令響應(yīng)的中斷優(yōu)先級(jí)高于告警信息發(fā)送的中斷優(yōu)先級(jí)，將最近一次獲得的監(jiān)測(cè)值及由該農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)控制的農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī)；
[0027]在進(jìn)行第四步及第五步的過(guò)程中，若農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)接收到上位機(jī)的設(shè)置指令后，則對(duì)設(shè)置指令響應(yīng)的中斷優(yōu)先級(jí)高于告警信息發(fā)送的中斷優(yōu)先級(jí)，依照指令設(shè)置繼電器的導(dǎo)通狀態(tài)及低功耗單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比。
[0028]優(yōu)選地，在所述第五步中，將監(jiān)測(cè)值繼續(xù)寫入數(shù)組的方法為:將數(shù)組中最舊的一個(gè)數(shù)據(jù)清零，后面的數(shù)據(jù)依次前移，最后將最新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)放在移位空出的位置上。
[0029]本發(fā)明提出了一種可用于農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可為農(nóng)業(yè)大棚種植提供一種新的管理途徑。該節(jié)點(diǎn)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚常見(jiàn)種植參數(shù)的采集，而且還提供了可以遠(yuǎn)程對(duì)大棚種植設(shè)備進(jìn)行控制的手段。節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能供電及定向天線傳輸增強(qiáng)的方式，使節(jié)點(diǎn)布設(shè)更加靈活。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠，利于在我國(guó)大棚農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域推廣。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為一種農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖；
[0031]圖2為PIC16F690單片機(jī)的電路原理圖；
[0032]圖3為下載器連接及按鍵復(fù)位部分的電路原理圖；
[0033]圖4為溫濕度傳感器AM2306部分對(duì)應(yīng)的電路原理圖；
[0034]圖5為土壤溫度傳感器DS18B20部分對(duì)應(yīng)的電路原理圖；
[0035]圖6為土壤水分傳感器部分對(duì)應(yīng)的電路原理圖；
[0036]圖7為氧氣傳感器部分對(duì)應(yīng)的電路原理圖；
[0037]圖8為ZigBee模塊連接部分對(duì)應(yīng)的電路原理圖；
[0038]圖9為節(jié)點(diǎn)繼電器控制部分對(duì)應(yīng)的電路原理圖；
[0039]圖10為PMW控制部分電路對(duì)應(yīng)的電路原理圖；
[0040]圖11為DC-DC部分對(duì)應(yīng)的電路原理圖；
[0041]圖12為蜂鳴器報(bào)警部分對(duì)應(yīng)的電路原理圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0042]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0043]如圖1所示，本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，包括低功耗單片機(jī)、溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、氧氣檢測(cè)部分、日光輻照傳感器、外部設(shè)備控制部分、ZigBee射頻透明傳輸模塊、供電部分及定向天線。節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能供電方式，并采用防水箱來(lái)杜絕水汽、凝露或噴灌等對(duì)節(jié)點(diǎn)核心電路部分造成的不良影響。
[0044]低功耗單片機(jī)是節(jié)點(diǎn)的核心部分，其負(fù)責(zé)接收處理上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制指令、對(duì)各傳感器進(jìn)行采樣、操作ZigBee射頻透明傳輸模塊及輸出繼電器控制命令或脈寬調(diào)制信號(hào)。另外，低功耗單片機(jī)還需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境信息，如果發(fā)現(xiàn)某一監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)危險(xiǎn)閾值，則發(fā)出告警信號(hào)。
[0045]本實(shí)施例中，低功耗單片機(jī)選用微芯公司推出的PIC16F690單片機(jī)，該單片機(jī)為采用納瓦技術(shù)的20引腳8位CMOS閃存單片機(jī)。PIC16F690具有穩(wěn)定性高、功耗較低、成本低廉且功能豐富的特點(diǎn)。尤其是在其內(nèi)部集成了對(duì)脈寬調(diào)制的支持，令使用十分便利。實(shí)施例中，PIC16F690采用20引腳的塑封雙列直插式封裝(PDIP-20)，在其電源輸入引腳上使用一個(gè)1206封裝的0.1 μ F去耦陶瓷電容CM1。由于本實(shí)施例中對(duì)時(shí)序的要求并不十分嚴(yán)格，在實(shí)施例中采用PIC16F690內(nèi)部振蕩器作為主時(shí)鐘。PIC16F690內(nèi)部振蕩器頻率選擇位IRCF〈2:0>配置為111，生成8MHz內(nèi)部時(shí)鐘，由其同步系統(tǒng)時(shí)序。PIC16F690內(nèi)部的系統(tǒng)時(shí)鐘選擇位SCS需要置I。實(shí)現(xiàn)中PIC16F690使用MPLAB8開(kāi)發(fā)環(huán)境，并利用PICKIT下載器下載程序。系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位方式。PIC16F690的19號(hào)與18號(hào)管腳與下載器ICSPDAT及ICSPCLK端口相連。PIC16F690的4號(hào)管腳與MCLR相連用于復(fù)位。需要指出的是為了提高系統(tǒng)的抗干擾性及降低誤操作的概率，以上三個(gè)管腳在功能設(shè)計(jì)中盡量不要進(jìn)行功能復(fù)用。本實(shí)施例中PIC16F690單片機(jī)及周邊器件的電路原理圖如圖2所示。下載器連接及按鍵復(fù)位部分的電路原理圖如圖3所示。
[0046]溫濕度傳感器用于采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境溫濕度。推薦使用有一定防水能力、超低能耗、傳輸距離遠(yuǎn)、已經(jīng)預(yù)校準(zhǔn)的數(shù)字式溫濕度傳感器。在大棚內(nèi)布設(shè)溫濕度傳感器時(shí)還需根據(jù)具體監(jiān)測(cè)的對(duì)象靈活選擇位置。如在葡萄大棚中該溫濕度傳感器應(yīng)布設(shè)在葡萄枝葉附近；而草莓育苗溫室大棚中則應(yīng)布置在與火爐有一定距離的地面附近。
[0047]本實(shí)施例中，溫濕度傳感器選擇AM2306型數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器在出廠時(shí)就已校準(zhǔn)，平均工作電流約300 μ A。AM2306對(duì)濺水有較好的防護(hù)效果，適合在大棚中使用。選用該傳感器的另外一個(gè)原因是其采用單總線接口，十分便于與PIC16F690連接。AM2306的單總線端(2號(hào)引腳)與PIC16F690的16號(hào)引腳RCO連接，并使用阻值為5.1K的0805封裝貼片電阻RAM上拉。AM2306的供電端(I號(hào)引腳)使用0.1 μ F陶瓷電容CAM去耦。ΑΜ2306部分對(duì)應(yīng)的電路原理圖如圖4所示。
[0048]土壤溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)植物根系附近的土壤溫度，由于土壤中含有一定量的腐蝕性物質(zhì)。推薦使用不銹鋼封裝的接觸式溫度傳感器。而且在布設(shè)傳感器時(shí)還需要考慮植物根系深度與覆蓋范圍。
[0049]本實(shí)施例中，土壤溫度傳感器選用不銹鋼結(jié)合軟管封裝的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，該傳感器體積小，易于放置在作物根系周圍的土壤中。其也為單總線接口。設(shè)計(jì)中DS18B20的單總線端與PIC16F690單片機(jī)的17號(hào)引腳RA2連接，其數(shù)據(jù)線上使用阻值為4.7K的0805封裝貼片電阻Rt上拉。土壤溫度傳感器的供電端使用0.1 μ F陶瓷電容Ct去耦。DS18B20部分對(duì)應(yīng)的原理圖如圖5所示。
[0050]土壤水分傳感器用于檢測(cè)土壤中水分含量，在使用中可選用FDR插針式土壤水分傳感器。它利用電磁脈沖原理、根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來(lái)測(cè)量土壤的表觀介電常數(shù)，從而得到土壤容積含水量。在使用時(shí)，水分傳感器應(yīng)置于平坦、且與噴灌裝置有一定距離的地面上，以避免由于局部積水等原因造成的測(cè)量誤差。
[0051]本實(shí)施例中，土壤水分傳感器使用浩訊信息科技出品的MSlO 土壤水分傳感器，該傳感器O?100%量程對(duì)應(yīng)O?2V的電壓輸出。土壤水分傳感器的輸出端(MS10的棕色線)與PIC16F690的15號(hào)管腳(RCl)連接。MSlO的供電端(MS10的紅色線)使用0.1 μ F陶瓷電容CEH去耦。土壤水分傳感器部分的電路原理圖如圖6所示。
[0052]大棚內(nèi)氧氣檢測(cè)部分由氧氣傳感器與放大器組成。由于基于氧氣電池結(jié)構(gòu)的氧氣傳感器體積小、性能穩(wěn)定，可作為節(jié)點(diǎn)所配氧氣傳感器的首選。由于氧氣電池的輸出幅度較小，為了提高采樣精度需后接高精度放大器對(duì)其信號(hào)進(jìn)行放大?？筛鶕?jù)低功耗單片機(jī)所支持的AD輸入模式，擇優(yōu)選取高精度放大器(如LT6001、LT6003、AD8602等)構(gòu)建單端或者差分輸出。
[0053]本實(shí)施例中，氧氣傳感器選用英國(guó)城市技術(shù)公司出品的40XV氧氣傳感器。40XV的輸出為電流信號(hào)，需要外接一精密電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。此處選擇100歐姆1%精度的精密電阻RoLl作為40XV的負(fù)載。由于經(jīng)過(guò)上述過(guò)程產(chǎn)生的電壓信號(hào)較為微弱，還需要對(duì)其進(jìn)行放大。設(shè)計(jì)中使用AD公司生產(chǎn)的AD8602運(yùn)算放大器對(duì)其進(jìn)行放大，該放大器具有低失調(diào)、極低的輸入偏置電流和高速度特性。實(shí)施例中AD8602為S0IC-8封裝，放大倍數(shù)設(shè)定為1: 101。用于設(shè)定放大倍數(shù)所采用的電阻都為1%精度、0805封裝的精密電阻RoL2、RoL3。AD8602的供電輸入端按一個(gè)0805封裝的0.1 μ F的去耦電容Ca，AD8602的輸出端與PIC16F690的14號(hào)管腳(RC2)連接。氧氣傳感器部分的電路原理圖如圖7所示。
[0054]日光輻照傳感器用于檢測(cè)日光在穿透大棚覆蓋物(如農(nóng)用薄膜等)后的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)中推薦選用出廠預(yù)校準(zhǔn)、適用于戶外環(huán)境的輻照傳感器。布設(shè)的位置為在作物枝葉上方垂線0.5-1米位置處。
[0055]本實(shí)施例中，日光透過(guò)大棚后殘余的輻照強(qiáng)度通過(guò)Davis-6450日光輻照傳感器進(jìn)行采集。該傳感器具有較好的線性響應(yīng)率，且其輸出與日光入射角符合余弦響應(yīng)規(guī)律。Davis-6450日光輻照傳感器出廠時(shí)已經(jīng)校準(zhǔn)，且內(nèi)部集成了放大電路。所以實(shí)施例中直接通過(guò)PIC16F690對(duì)Davis-6450進(jìn)行采樣即可。Davis-6450的輸出端通過(guò)RJ-1l接頭與PIC16F690的7號(hào)管腳(RC3)進(jìn)行連接。
[0056]ZigBee射頻透明傳輸模塊用于為節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)功能。推薦使用工業(yè)級(jí)高增益透明傳輸模塊。模塊-MCU接口為RS-232將會(huì)在較大程度上方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模塊維修更換。
[0057]本實(shí)施例中，ZigBee透明傳輸模塊選擇DTK-2617，該模塊基于CC2530設(shè)計(jì)。在使用中PIC16F690通過(guò)RS-232接口對(duì)其進(jìn)行透?jìng)髡{(diào)用，而不需深入考慮具體ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式。PIC16F690與DTK-2617之間使用MAX232進(jìn)行連接。MAX232將PIC16F690的EUSART信號(hào)(TX，RX)轉(zhuǎn)換成符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，并與DTK-2617的對(duì)應(yīng)端口連接。為了方便防水箱內(nèi)布線，未在設(shè)計(jì)中使用DB9接頭，而是使用DG-500-6標(biāo)準(zhǔn)接頭連接MAX232與DTK-2617。PIC16F690與DTK-2617連接部分的電路原理圖如圖8所示。DTK-2617模塊在使用前需要對(duì)其進(jìn)行配置。其需要配置的參數(shù)如下:PAN ID、頻道、節(jié)點(diǎn)地址、上位機(jī)地址及波特率。在本實(shí)施例中各參數(shù)的配置值如下(十六進(jìn)制):PAN網(wǎng)絡(luò)ID-EEAA、頻道-16、節(jié)點(diǎn)地址-01EE、上位機(jī)地址-OO 01、波特率-9600。由于用戶通過(guò)可變長(zhǎng)度容器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)DTK-2617的調(diào)用，所以用戶在編寫程序時(shí)可以省略結(jié)束碼。本實(shí)施例中，傳輸節(jié)點(diǎn)控制指令及告警信息時(shí)所用的容器長(zhǎng)度統(tǒng)一定為6字節(jié)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸采用的容器長(zhǎng)度為20字節(jié)。
[0058]實(shí)施例中定向天線采用D-LENP出品的2.4G八木定向天線,該天線工作頻率范圍為2.4GHZ-2.5GHz。天線增益18dBi。功率角度在水平與垂直方向上都為18度。天線安裝時(shí)使用U碼抱柱式安裝。安裝高度距離地面2.5米。
[0059]常見(jiàn)大棚機(jī)電設(shè)備可使用繼電器與脈寬調(diào)制輸出進(jìn)行控制。通過(guò)繼電器的通/斷、脈寬調(diào)制輸出的占空比，即可對(duì)灌溉、通風(fēng)、卷簾等設(shè)備進(jìn)行控制。繼電器由于是電磁干擾較大的元件，所以在系統(tǒng)中需要在其與低功耗單片機(jī)之間使用光耦進(jìn)行隔離。另外從節(jié)約成本、減小系統(tǒng)體積及增加可靠性的角度出發(fā)，本實(shí)施例中的低功耗單片機(jī)附帶脈寬調(diào)制輸出。
[0060]繼電器控制部分電路原理圖如圖9所示。PIC16F690單片機(jī)的RC6與RC7管腳(8,9)分別控制一路繼電器。通過(guò)在RC6與RC7管腳上邏輯電平的變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部繼電器開(kāi)/關(guān)狀態(tài)的控制。為了避免繼電器對(duì)單片機(jī)造成干擾，RC6與RC7的輸出通過(guò)光耦HCPL2630進(jìn)行隔離。RC6與RC7通過(guò)光耦隔離后的信號(hào)分別與一個(gè)8050三極管Ql、Q2的基極連接。通過(guò)控制該8050三極管Ql、Q2，即可控制流經(jīng)繼電器控制端的電流，實(shí)現(xiàn)繼電器的開(kāi)合功能。每一路中的1N4007 二極管DR1、DR2作為續(xù)流二極管對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。該無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與外部繼電器通過(guò)RA+/RA-與RB+/RB-接頭進(jìn)行連接。實(shí)施例中對(duì)于每一路接頭(RA或RB)，使用了 一個(gè)DG-500-2接頭用于端接。
[0061]由于PIC16F690單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)集成了 PWM功能，所以可以直接將具有該功能的管腳的輸出信號(hào)引出。本實(shí)施例中選用5號(hào)管腳(CCP1/P1A)作為PWM控制管腳。其輸出信號(hào)通過(guò)一 DG-500-2接頭輸出供外部設(shè)備控制時(shí)使用。PMW控制部分電路原理圖如圖10所示。
[0062]節(jié)點(diǎn)供電部分由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、鉛酸蓄電池及DC-DC部分組成。太陽(yáng)能電池板選用光合太陽(yáng)能生產(chǎn)的40W單晶硅太陽(yáng)能電池板。太陽(yáng)能控制器選用斯普威爾SML-05型太陽(yáng)能控制器。蓄電池選用賽特T-12M7.0AT鉛酸免維護(hù)蓄電池，其容量為12V7AH。具體使用中分別將太陽(yáng)能電池板與鉛酸電池接在SML-05太陽(yáng)能控制器的對(duì)應(yīng)端口。SML-05的輸出端輸出電壓(V_Bat)為蓄電池的輸出電壓。本實(shí)施例中該電壓值通常在12V以上，所以需后接DC-DC模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。實(shí)施例中選用LM2596-5V型降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片構(gòu)建DC-DC部分，LM2596最大可提供3A電流輸出，完全滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)中選用T0-263表貼封裝的LM2596S-5V。DC-DC部分的電路原理圖如圖11所示。圖中CBil、Col和Co2選擇耐壓為50V的鋁電解電容。LI選擇帶磁屏蔽的MS127-330MT型33 μ H表帖電感，其最大工作電流值為3Α。
[0063]節(jié)點(diǎn)中還設(shè)置蜂鳴器用于報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警部分對(duì)應(yīng)的電路原理圖如圖12所示，當(dāng)PIC16F690發(fā)現(xiàn)某一監(jiān)測(cè)信號(hào)超過(guò)其告警閾值，則利用6號(hào)管腳(C20UT)輸出一 PWM信號(hào)作用于一 8050三極管Qb的基極。8050三極管Qb的基極受到調(diào)制后，使蜂鳴器LSl發(fā)出鳴叫聲，由此向大棚管理者提供直觀的聲音告警。圖12中1N4007 二極管Db用于防止蜂鳴器電流對(duì)系統(tǒng)造成的損害。
[0064]為了防止大棚內(nèi)由于灌溉、噴灑等作業(yè)對(duì)節(jié)點(diǎn)電路部分造成影響，需使用防水箱將節(jié)點(diǎn)除天線和傳感器以外的電路部封裝。推薦使用IP66等級(jí)以上的防水箱，防水箱開(kāi)孔接線端需使用PG型防水接頭封閉。本實(shí)施例中，防水箱采用斯普威爾外形尺寸為250cmX360cmX150cm的合頁(yè)型帶扣防水盒。該防水箱具有IP66的放水與防塵等級(jí)。溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、氧氣傳感器、土壤水分傳感器與日光輻照傳感器通過(guò)在防水箱側(cè)壁上的開(kāi)孔引出。在開(kāi)孔處使用PGll防水接頭固定。節(jié)點(diǎn)其余部分放置于防水箱之中。
[0065]節(jié)點(diǎn)控制命令及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷饺缦滤?
[0066]查詢指令
[0067]
【權(quán)利要求】
1.一種農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，包括低功耗單片機(jī)、溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、氧氣檢測(cè)部分、日光輻照傳感器、繼電器、ZigBee射頻透明傳輸模塊、供電部分及定向天線，其特征在于: 低功耗單片機(jī)，用于接收處理上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制指令；對(duì)溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、氧氣檢測(cè)部分及日光輻照傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境信息，若某一監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的危險(xiǎn)閾值，則發(fā)出告警信號(hào)；操作ZigBee射頻透明傳輸模塊；向繼電器給出控制 信號(hào)；用于輸出脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)該脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)設(shè)備進(jìn)行控制； 溫濕度傳感器，用于采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境溫濕度，根據(jù)具體監(jiān)測(cè)的對(duì)象靈活選擇溫濕度傳感器在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的布設(shè)位置； 土壤溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)植物根系附近的土壤溫度，在布設(shè)土壤溫度傳感器時(shí)需要考慮植物根系深度與覆蓋范圍； 土壤水分傳感器，用于檢測(cè)土壤中水分含量，在使用時(shí)，土壤水分傳感器置于平坦且與農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的噴灌裝置有一定距離的地面上； 氧氣檢測(cè)部分包括相連的氧氣傳感器與放大器，氧氣傳感器基于氧氣電池結(jié)構(gòu)，由放大器對(duì)氧氣傳感器與的輸出信號(hào)進(jìn)行放大以提高采樣精度； 日光輻照傳感器，用于檢測(cè)日光在穿透農(nóng)業(yè)大棚的覆蓋物后的強(qiáng)度，日光輻照傳感器布設(shè)在作物枝葉上方垂線0.5-1米位置處； 通過(guò)繼電器的通/斷及低功耗單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比，分別對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)相應(yīng)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制，低功耗單片機(jī)與繼電器之間通過(guò)光耦電路進(jìn)行隔離； ZigBee射頻透明傳輸模塊，用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)功能； 定向天線，用于增加ZigBee射頻透明傳輸模塊向外發(fā)射及接收無(wú)線信號(hào)的傳輸距離，同時(shí)也可以部分克服障礙物對(duì)無(wú)線信號(hào)造成的遮擋； 供電部分采用鉛酸電池結(jié)合DC-DC模塊的方式，將鉛酸電池的輸出通過(guò)DC-DC變換，為系統(tǒng)電路部分提供穩(wěn)定的供電，該鉛酸電池使用太陽(yáng)能進(jìn)行充電； 低功耗單片機(jī)、繼電器、放大器、ZigBee射頻透明傳輸模塊及供電部分封裝在防水箱內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述溫濕度傳感器選用有一定防水能力、超低能耗、傳輸距離遠(yuǎn)、已經(jīng)預(yù)校準(zhǔn)的數(shù)字式溫濕度傳感器；所述土壤溫度傳感器選用不銹鋼封裝的接觸式溫度傳感器；所述土壤水分傳感器選用FDR插針式土壤水分傳感器；所述日光輻照傳感器選用出廠預(yù)校準(zhǔn)、適用于戶外環(huán)境的輻照傳感器；所述ZigBee射頻透明傳輸模塊選用工業(yè)級(jí)高增益透明傳輸模塊，所述ZigBee射頻透明傳輸模塊與所述低功耗單片機(jī)之間的接口為RS-232接口 ；所述定向天線選用八木天線或平板天線；采用蜂鳴器發(fā)出所述告警信號(hào)。
3.—種如權(quán)利要求1所述的農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)監(jiān)控及控制方法，其特征在于，步驟為: 第一步、在農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上電工作之前，將觸發(fā)告警信號(hào)的危險(xiǎn)閾值寫在農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間中，將農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的定向天線方向指向上位機(jī)天線所在位置；第二步、農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上電后，低功耗單片機(jī)讀取溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、日光輻照傳感器及氧氣傳感器，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有種植參數(shù)的監(jiān)測(cè)值超過(guò)危險(xiǎn)閾值，則進(jìn)入第三步，如果有，則進(jìn)入第四步； 第三步、低功耗單片機(jī)每隔固定的時(shí)間間隔A周期性地對(duì)溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、日光輻照傳感器及氧氣傳感器進(jìn)行讀取，獲得相應(yīng)的種植參數(shù)的監(jiān)測(cè)值，完成每一次新的測(cè)量后，就將存儲(chǔ)空間中原有的監(jiān)測(cè)值覆蓋；若農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在工作中發(fā)現(xiàn)某一監(jiān)測(cè)值超過(guò)閾值，則進(jìn)入第四步； 若農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)接收到上位機(jī)的查詢指令后，則將最近一次獲得的監(jiān)測(cè)值及由該農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)控制的農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī)； 若農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)接收到上位機(jī)的設(shè)置指令后，則依照指令設(shè)置繼電器的導(dǎo)通狀態(tài)及低功耗單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比； 第四步、農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)觸發(fā)環(huán)境參數(shù)異常告警，低功耗單片機(jī)開(kāi)始以時(shí)間間隔B周期性地對(duì)溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、日光輻照傳感器及氧氣傳感器進(jìn)行讀取，時(shí)間間隔B <時(shí)間間隔A，同時(shí)設(shè)定一個(gè)固定長(zhǎng)度、用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)值的數(shù)組，當(dāng)數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)第一次填滿后進(jìn)行平均，如果平均值仍舊超過(guò)危險(xiǎn)閾值，則觸發(fā)蜂鳴器告警，并將告警信息通過(guò)ZigBee透?jìng)髂K發(fā)送到上位機(jī)。 第五步、發(fā)出告警后，低功耗單片機(jī)繼續(xù)依照時(shí)間間隔B周期性地對(duì)溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、日光輻照傳感器及氧氣傳感器進(jìn)行讀取，并將監(jiān)測(cè)值繼續(xù)寫入數(shù)組，每一次寫入操作后對(duì)數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，如果數(shù)組平均值超越危險(xiǎn)閾值則繼續(xù)通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào) 警；如果沒(méi)有超越危險(xiǎn)閾值，則停止蜂鳴器的報(bào)警； 在進(jìn)行第四步及第五步的過(guò)程中，若農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)接收到上位機(jī)的查詢指令，則對(duì)查詢指令響應(yīng)的中斷優(yōu)先級(jí)高于告警信息發(fā)送的中斷優(yōu)先級(jí)，將最近一次獲得的監(jiān)測(cè)值及由該農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)控制的農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī)；在進(jìn)行第四步及第五步的過(guò)程中，若農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線監(jiān)控節(jié)接收到上位機(jī)的設(shè)置指令后，則對(duì)設(shè)置指令響應(yīng)的中斷優(yōu)先級(jí)高于告警信息發(fā)送的中斷優(yōu)先級(jí)，依照指令設(shè)置繼電器的導(dǎo)通狀態(tài)及低功耗單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比。
4.如權(quán)利要求3所述的一種農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)監(jiān)控及控制方法，其特征在于，在所述第五步中，將監(jiān)測(cè)值繼續(xù)寫入數(shù)組的方法為:將數(shù)組中最舊的一個(gè)數(shù)據(jù)清零，后面的數(shù)據(jù)依次前移，最后將最新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)放在移位空出的位置上。
【文檔編號(hào)】A01G9/24GK103955187SQ201410168620
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】楊義, 萬(wàn)雪芬, 鄭濤, 周紅偉, 楊彥中, 蔣學(xué)芹, 韓芳, 朱明達(dá) 申請(qǐng)人:東華大學(xué), 華北科技學(xué)院, 燕山大學(xué)