基于多传感器的温室环境监测系统设计与实现_梁一啸.pdf

物联网技术 2022年 第 2期 全面感知 Comprehensive Perception 16 0 引 言 近年来 随着无线通信和数据传输的需求不断增长 ZigBee 技术也得到飞速发展 ZigBee 网络具有节能 可靠 成本低 容量大 安全性高等优点 广泛应用于工业自动化 农业自动化等领域 1 5 当 ZigBee 协调器与上位机通过串口 通信后 用户便可以通过上位机发出操控命令 让下位机将 命令解释成相应的时序信号 从而控制传感器 同时 它还 可以读取传感器状态数据 将其转换成数字信号 再反馈给 上位机 因此 用户可以联合上 下位机更方便地采集和处 理多传感器数据 从而获得一致的环境信息 研究表明 兰花的生长受温室环境的影响非常大 6 8 当室温过高时 会引起兰花气孔关闭 酶活性下降 呼吸 光合作用减弱 甚至出现焦尖 灼烧等现象 当气温过低时 又会使兰花代谢下降 蒸腾作用减弱 同化物质的运转和贮 存效率下降 当夏天温室湿度过大时 会抑制兰花蒸发散热 使兰花生长出现不适 当冬天温室湿度过大时 又会加速热 传导而使兰花受寒 温室光照强度也同样会影响兰花叶片乃 至整个植株的健康 光线太强会使兰花的叶片脱水蔫萎或枯 死 光线太弱会使兰花的叶片叶质薄弱 无力 叶柄易弯垂 不易开花 为了提醒管理者及早采取预防措施 实时采集温 室环境信息十分重要 为此 本文开发了一套基于多传感器的温室环境监测系 统 能够实时获取室内温湿度 光敏值 同时将温湿度和光 敏数据进行图形化显示 首先 通过温湿度传感器 光照传 感器与 ZigBee 协调器节点进行组网 并通过编写上位机程 序实现节点串口通信 然后 采用 ZigBee 协调器节点接收 串口指令 并发送指令给终端节点 ZigBee 终端节点接收指 令后 分别解析温湿度 光敏数据 再将数据返回给协调器 节点 最后 协调器节点将数据发送给上位机 并在上位机 进行图像化显示 1 系统设计 设计系统的目的在于监测温室的温湿度和光敏数据 并 实时反馈给用户 使用户能够及时采取措施 当温度过低或 过高时 适当调整温度 当光照过强时 打开遮阳膜等 本 系统主要通过 ZigBee 组网 传感器数据处理 编写上位机 程序实现 ZigBee 开发板对温室环境数据的采集 以及与上 位机的串口通信 主要思路如下 1 采用温湿度传感器 光照传感器分别接收协调器指 令信息 解析温湿度 光敏数据后 返回给协调器节点 2 ZigBee 协调器节点负责接收串口指令 并发送指令 给 2 个 ZigBee 终端节点 3 协调器节点通过串口与上位机通信 即上位机通过 串口发送指令给协调器 协调器通过串口发送温湿度 光敏 解析数据给上位机 上位机刷新界面并显示 2 系统开发与实现 2 1 系统组成 系统结构如图 1 所示 基于多传感器的温室环境监测系 基于多传感器的温室环境监测系统设计与实现 梁一啸 1 刘志欣 1 范 恩 2 蒋忠莉 2 邓贵妃 1 1 绍兴文理学院 生命科学学院 浙江 绍兴 312000 2 绍兴文理学院 机械与电气工程学院 浙江 绍兴 312000 摘 要 由于兰花对生长环境要求较高 温室内温湿度 光照强度均会对兰花的生长 繁殖造成严重影响 为 了满足和调节兰花的生长环境 文中开发了一套基于多传感器的温室环境监测系统 首先 利用温湿度传感器 光 敏传感器与 ZigBee 协调器进行组网 编写传感器的数据采集 数据传输代码 其次 端节点接收到协调器指令后 分别解析温湿度 光敏数据 并返回数据给协调器节点 协调器节点再将数据发送至上位机 最后 由上位机图形 界面实时显示监测数据 测试结果表明 该监测系统能够通过温湿度传感器和光敏传感器实时监测温室环境 并将 监测数据以曲线形式在上位机实时显示 关键词 CC2530 温湿度传感器 光敏传感器 多传感器数据融合 ZigBee 协调器 环境监测 中图分类号 TP316 文献标识码 A 文章编号 2095 1302 2022 02 0016 04 DOI 10 16667 j issn 2095 1302 2022 02 004 收稿日期 2021 06 09 修回日期 2021 07 12 基金项目 甘肃省自然科学基金 20JR5R378 绍兴文理学院科 研启动项目 20205048 2022年 第 2期 物联网技术 全面感知 Comprehensive Perception 17 统主要分为 3 大部分 ZigBee 协调器模块 ZigBee 终端模 块和上位机模块 ZigBee协调器节点主要负责接收串口指令 并发送指令给 ZigBee 终端节点 ZigBee 终端节点接收到指 令后 分别解析温湿度 光敏数据 然后返回给协调器节点 最后 协调器节点将数据发送给上位机 图 1 系统结构 2 2 系统各模块工作原理 2 2 1 ZigBee协调器模块工作原理 ZigBee 协调器是网络节点信息的汇聚点 也是网络的核 心节点 主要负责组建 维护和管理网络 并通过串口实现 各节点与上位机的数据传输 它具有较强的通信能力 处理 能力和发射能力 能够将数据发送至远程控制端 图 2 所示 为 CC2530 协调器 图 3 所示为协调器流程 图 2 CC2530 协调器 图 3 协调器流程 2 2 2 传感器模块工作原理 ZigBee 终端模块分别依靠温湿度传感器和光敏传感器进 行数据采集 解析和传输 在监测系统中 温湿度传感器型 号为 DHT11 它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度 复合传感器 采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技 术 确保数据的可靠性和稳定性 光敏传感器利用光敏元件 将光信号转换为电信号 ADC 引脚连接 CC2530 的 P0 1 口 通过此 I O 口输出控制信号 控制 ADC 转换得到相应数值 图 4 所示为温湿度传感器模块 图 5 所示为光敏传感器模块 图 4 温湿度传感器模块 图 5 光敏传感器模块 上位机主要借助 Visual Studio 采用 C 语言编写 连接 串口后 通过点击按钮触发事件 将命令通过串口发送给下 位机 下位机传送的数据通过上位机解析成 hex 码 并转换 成 int 类型值 然后将 int 类型的值 温度 湿度 光敏值 赋值给图形化控件 图形化控件自动渲染后刷新界面 点击 温度 按钮 发送获取温度指令 点击 湿度 按钮 发送 获取湿度指令 点击 温湿度 按钮 发送同时获取温湿度指令 点击 光敏 按钮 发送获取光敏的值 点击 温湿度光敏 发送同时获取温湿度 光敏值指令 上位机工作流程和界面 分别如图 6 和图 7 所示 图 8 所示为上位机测试数据 图 6 上位机工作流程 图 7 上位机初始界面 图 8 上位机测试数据 物联网技术 2022年 第 2期 全面感知 Comprehensive Perception 18 2 3 传感器关键代码 1 温湿度采集 解析关键代码及说明 温湿度采集 void GetHt11Value void 温湿度传感器启动 DATA PIN 0 初始化 置低电平 Delay ms 19 18 ms DATA PIN 1 开始发送信号 置高电平 P0DIR 重新配置 I O 口方向 Delay 10 s 延时函数 Delay 10 s Delay 10 s Delay 10 s if DATA PIN 如果电平变低 检测到信号 读取数据 ucharFLAG 2 while DATA PIN ucharFLAG 2 低电平 等待响应结束 while DATA PIN COM 高电平 等待准备输出 ucharRH data H temp ucharcomdata COM 湿度高八位 ucharRH data L temp ucharcomdata COM 湿度低八位 ucharT data H temp ucharcomdata COM 温度高八位 ucharT data L temp ucharcomdata COM 温度低八位 ucharcheckdata temp ucharcomdata 校验八位 DATA PIN 1 置高 空闲状态 uchartemp ucharT data H temp ucharT data L temp ucharRH data H temp ucharRH data L temp if uchartemp ucharcheckdata temp 校验数据 若数据正确 读取总线时序 ucharRH data H ucharRH data H temp 解析时序 将湿度高八位赋值 ucharRH data L ucharRH data L temp 将湿度低八位赋值 ucharT data H ucharT data H temp 将温度高八位赋值 ucharT data L ucharT data L temp 将温度低八位赋值 ucharcheckdata ucharcheckdata temp 将校验正确的数据赋值 温湿度数据解析 temp ucharT data H 取高位赋值给 temp wendu shi ucharT data H 10 将温度的十位存入 wendu shi wendu ge ucharT data H 10 将温度的个位存入 wendu ge humi ucharRH data H 湿度的高八位赋值给 humi shidu shi ucharRH data H 10 将湿度的十位存入 shidu shi shidu ge ucharRH data H 10 将湿度的个位存入 shidu ge else 未成功读取 返回 0 wendu shi 0 温度的十位为 0 wendu ge 0 温度的个位为 0 shidu shi 0 湿度的十位为 0 shidu ge 0 湿度的个位为 0 P0DIR 0 x20 I O 口需要重新配置 2 光敏数据采集关键代码及说明 节点 C 光敏数据采集 static void hal adc init void ADC 初始化 APCFG 0 x02 P0 1 I O 功能配置 HalAdcInit ADC 系统初始化 HalAdcSetReference HAL ADC REF AVDD 参考量 uint16 getVol void 获取 ADC 值 hal adc init ADC 初始化 return 2048 HalAdcRead HAL ADC CHANNEL 1 HAL ADC RESOLUTION 12 3 数据采集与分析 3 1 温室内温湿度数据采集与分析 监测系统分不同时段采集数据 从 8 20 开始 每隔 60 s 采集 1 次 共采集 10 次 从 15 20 开始 每隔 60 s 采集 1 次数据 共采集 10 次 图 9 图 10 分别为早晨 下午监 测系统所采集的温度数据 图 11 图 12 分别为早晨 下午 监测系统采集的温度数据 为方便比较 图 13 为当天温度 湿度的折线图 图 9 早晨温度采集显示 图 10 下午温度采集显示 2022年 第 2期 物联网技术 全面感知 Comprehensive Perception 19 图 11 早晨湿度采集显示 图 12 下午湿度采集显示 上述实测数据表明 该监测系统能够实时 准确地采集 温室环境中的温湿度信息 统计数据表明 适宜兰花生长的 温室内温度为 20 30 土壤湿度为 40 RH 80 RH 从温湿度图形化显示结果来看 当天湿度适宜 但温度偏高 易使兰花蒸腾作用变强 宜提前采取水空调降温等措施降低 温室温度 图 13 温湿度数据统计折线图 3 2 室内光敏数据采集与分析 该监测系统早晨 下午共采集 2次光敏数据 从 8 20开始 每隔 60 s 采集 1 次 共采集 10 次 从 15 20 开始 每隔 60 s 采集 1 次数据 共采集 10 次 图 14 为早晨 下午的光敏数 据折线图 图 14 光敏数据折线图 通过光敏数据监测结果发现 光度经 ADC 转换后输出 值稳定在 1 600 左右 属于偏暗的范围 这与当天阴雨天气 有关 统计数据表明 温室内光照强度影响兰花叶片生长和 植株健康 太强的光线会让叶片焦灼 太过昏暗的光线会让 叶质薄弱 兰花容易倒伏 为了避免兰花光合作用不充足的 情况出现 应合理调整大棚内的光照强度 4 结 语 针对兰花温室生长环境的要求 本文设计了一款温室环 境监测系统 该监测系统主要通过 ZigBee 组网技术 传感 器采集数据 上位机编写程序等实现 ZigBee 开发板对温室 环境参数的采集 实验表明 该系统能够通过多传感器对温 室环境参数 温湿度 光敏值 进行实时监测 并将传感器 采集的数据通过上位机图形化界面进行实时显示 提醒用户 调整温室环境参数 此外 该监测系统具有功耗低 精准度 高 信息传输可靠 成本低等优点 不仅可用于温室环境监测 还可以广泛应用于其他农业自动化系统 9 10 注 本文通讯作者为范恩 参考文献 1 赵晓璐 刘琨 基于 ZigBee 技术的智慧农业实时采集和远程控制 系统 J 农业工程技术 2017 37 6 35 36 2 龙祖连 基于 ZigBee 智慧农业控制系统的研究与设计 J 物联网 技术 2021 11 5 106 108 3 白宏图 基于 CC2530 的无线传感器网络节点设计 J 电子设计 工程 2019 27 5 147 150 4 王征宇 基于多传感器的室内环境监测系统的设计 D 哈尔滨 哈尔滨工业大学 2017 5 培英 王承林 胡红林 等 基于 ARM 及 ZigBee 的智能家居远 程监控系统实现路径 J 现代电子技术 2017 40 19 41 44 6 王建平 杨宗晔 温室兰花生长状态监测移动视觉机器人的研究 J 中国农机化学报 2016 37 10 185 194 7 杨宗晔 兰花温室大棚智能管理系统的研制 D 合肥 合肥工业 大学 2016 8 张绍升 罗佳 兰花病虫害防治 M 福州 福建科学技术出版社 2013 9 王东 基于多传感器融合的温室环境智能控制系统研究与实现 D 杨凌 西北农林科技大学 2012 10 潘韵 孙兰娟 基于 ZigBee 无线网络的温室环境监测系统的设 计与实现 J 计算机与应用化学 2014 31 7 807 811 作者简介 范 恩 1982 男 博士 讲师 研究方向为多传感器信息融合 智能信息处理