摘 要： 針對智慧農業溫室環境參數采集與控制的自動化程度低的問題，設計了基于ZigBee標準的溫室環境控制儀表。該儀表以單片機為控制中心，CC2420射頻芯片作為無線傳輸模塊，實現了溫室環境參數的自動調控功能。重點介紹了儀表的總體方案、硬件電路和軟件設計，并做了實驗測試。實驗結果表明，該儀表能夠實時地進行溫室環境的檢測和控制，且具有低成本、高可靠性等特性。
關鍵詞： 智慧農業；溫室；控制儀表；ZigBee；單片機
0引言
智慧農業是指集成應用計算機與網絡技術、物聯網技術、音視頻技術、3S技術、無線通信技術及專家智慧與知識，實現農業可視化遠程診斷、遠程控制、災變預警等智能管理[1]。發展智慧農業，可以有效提高作物產量，節省時間和資源，最大限度地減少不必要的人力、財力。
要實現高水平的溫室生產，溫室生物環境調控是關鍵。本文設計的基于ZigBee標準的溫室環境控制儀表[2]，不僅能實時地實現溫室環境參數采集，還能有效地實現溫室環境的自動調控、儀表的無線傳輸功能，為智慧農業的實施奠定了基礎。
1 儀表總體方案設計
溫室環境的主要控制對象為溫室內的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照度，執行機構有加熱系統、噴淋系統、排風扇、CO2發生系統、補光系統、遮陽網。溫室環境控制儀的總體結構框圖如圖1所示。
控制中心采用SM79108單片機，由溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器等完成對溫室環境參數的采集，并根據內置算法進行數據處理、輸出控制等。溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器作為一組傳感器，一個控制器最多可以帶32組，依據溫室的規模、結構等因素決定一個溫室內安放多少組傳感器。
2 儀表硬件電路設計
儀表的硬件設計主要分為單片機鍵盤顯示及存儲電路、傳感器接口電路設計、無線通信電路設計和執行機構驅動電路設計四大部分。
2.1 單片機鍵盤顯示及存儲電路設計
儀表的處理器采用低價格、低功耗、具有精簡指令的8位SM79108單片機，3.3/5 V工作電壓。它內含8 KB的閃存和256 B的片內RAM，內置4通道8位ADC轉換，并帶有看門狗定時器，能夠實現全雙工串行通信，兼容51系列單片機。SM79108的液晶顯示、鍵盤電路和外部存儲器電路設計如圖2所示。
鍵盤電路采用獨立鍵盤的方式，用于實現參數閾值的預設和執行機構的手動控制。顯示電路采用內置ST7920P驅動的128×64點陣型液晶顯示屏OCM12864-9，用于顯示系統采集到的當前溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等參數。外部存儲器采用4 KB的E2PROM存儲芯片25C040，通過SPI接口與單片機相連，用于系統掉電保護。
2.2 傳感器接口電路設計
空氣溫度、濕度的采集選用溫濕度一體的傳感器SHT10，它可對溫度及相對濕度值進行全校準，且具有數字輸出接口。技術指標：工作電壓：2.4 V~5.5 V；溫度測量范圍：-40℃～+123.8℃，精度：±0.5℃；濕度測量范圍：0～100%RH，精度：±4.5%RH。
CO2濃度的采集選用紅外二氧化碳傳感器B-530，它利用單波非色散紅外原理（NDIR）對空氣中的CO2進行檢測。技術指標：測量范圍為0~10 000 ppm，檢測精度為±5%，使用壽命長達10年。
SHT10、B-530均通過I2C串行接口與單片機連接，接口電路如圖3（a）所示。
光照度的采集選用TI公司的TSL230B可編程光—頻率轉換器，它將光輻照度信號轉換為相應的脈沖頻率。TSL230B與單片機的連接電路如圖3（b）所示。S0、S1為靈敏度控制端，S2、S3為滿量程選擇端，OUT為頻率信號輸出，進入單片機的捕獲輸入，通過計算兩次捕獲時間內計數器的數值差，計算出輸出頻率，對照TSL230B的頻率-能量關系曲線圖，得到光照強度。
2.3 無線通信電路設計
根據安裝和通信距離要求，采用低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信ZigBee技術[3]。通信模塊采用CC2430射頻芯片[4]。
CC2430只需要極少的外圍元器件，通過4線SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）設置芯片的工作模式并實現讀/寫緩存數據、讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射/接收緩存器。
2.4 執行機構驅動電路設計
溫室中各執行機構的動作均通過繼電器控制。設計中直接由單片機輸出控制信號，經一個反相器，由三極管對電流放大，然后驅動繼電器動作。單個繼電器的驅動電路如圖4所示。
3 儀表軟件設計
3.1 控制邏輯設計
由于空氣溫濕度存在較強的耦合性，溫室環境的控制將空氣溫度、濕度作為一組控制參數。當空氣溫度與濕度發生矛盾時，以溫度控制為主，空氣溫濕度的具體控制邏輯如下：
①白天模式。當空氣溫度高于白天最高閾值，空氣濕度低于最低閾值時，同時打開排風扇和噴淋系統；當空氣溫度低于白天最低閾值，空氣濕度高于最高閾值時，則開啟加熱系統。
②夜間模式。只需把空氣溫度控制在露點溫度以上。當空氣溫度高于夜間最高閾值時，關閉加熱系統；當空氣溫度低于夜間最低閾值時，開啟加熱系統。
CO2濃度、光照度的耦合度很小，采用閾值方法分別進行調控。通過控制CO2發生系統的開啟和關閉，實現對溫室CO2濃度的調控；通過控制補光系統和遮陽網，實現對溫室光照度的調控。
3.2 控制程序設計
儀表控制程序流程如圖5所示。上電后，首先進行系統初始化，主要包括定時器、I/O端口方向及初值、寄存器的初始化、射頻芯片的初始化等。然后判斷有無按鍵，若無，則判斷是否到達設定的采集時間，當設定的5 min時間到，控制器向各組傳感器依序發送采集命令，將采集上來的數據存儲到相應的數組中，待采集結束后求各項環境參數平均值，并存儲、顯示。然后根據內置的閾值控制算法，輸出控制信號，達到調節溫室環境的目的。
4 實驗測試
本控制器在遼寧省某溫室實驗基地進行測試，溫室類型為連棟溫室，種植作物為處于幼苗期的茄子，茄子幼苗期階段生長所需的溫度為22℃~25℃，濕度為65%～75%，CO2濃度一般為500～1 000 ppm，光照度為500~1 000勒克斯（lux）。溫室9個，各溫室內分別部署1個控制器、8組傳感器。給系統上電，進行測試。通電后，各無線設備終端在1 min之內自組網完畢。
系統上電1 min后開始計時，分別在5 min、25 min和45 min三個不同時間點記錄1號溫室的液晶屏顯示的溫室內溫度值、濕度值、CO2濃度值、光照度值，記錄值如表1所示。
5 結論
由測量數據可知，本儀表實現了對溫室環境的溫度、濕度、CO2濃度和光照度等參數的采集和顯示，并根據預置的控制邏輯進行參數的處理、調控，使作物處于適宜的環境中生長，且具有響應快、穩定、可靠等特性。本儀表可根據需要增減傳感器數目和變更傳感器位置，且調控環境參數的自動化程度較高，為智慧農業的實施奠定了硬件基礎。
參考文獻
[1] 李道亮.物聯網與智慧農業[J].農業工程，2012，2（1）：1-7.
[2] 張侃諭，余玲文.基于S7_224的自動化溫室控制系統設計[J].自動化儀表，2009，30（2）：36-38.
[3] 趙勇，王曙光.溫室環境無線監控系統設計[J].自動化儀表，2012，33（6）：53-55.
[4] 李永成，凌青，吳剛，等.基于ZigBee的溫濕度數據無線采集監測系統設計[J].微型機與應用，2012，31（7）：61-63.