基于ZigBee的水稻育秧环境监控系统设计

摘要：本文分析了目前我国水稻育秧环节的现状及存在的主要问题，给出了基于ZigBee的水稻育秧环境监控系统总体设计方案，重点阐述了系统硬件结构及主要器件选型，同时给出了软件设计基本思路。

关键词：ZigBee  水稻育秧  物联网  环境监控

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）09-0028-01

1 水稻育秧的现状及问题

我国是世界上水稻种植面积（近5亿亩）最大的国家，水稻产量占我国粮食总产量的一半左右。水稻的主要种植方法是插秧，秧苗的生长环境及质量是影响水稻产量的重要因素。目前还存在着大田育秧的秧苗质量合格率低，不能满足机械化插秧需要等问题。对稻种催芽、播种、催苗等育秧过程进行以ZigBee技术的自动化控制与管理，能充分满足秧苗生长过程中所需的各种条件，培育出质量好、合格率高的壮秧，为提高机械化插秧水平，节省耕地，降低农民劳动强度与管理成本，提高农业生产效率及农民收入奠定基础。因此，对于智能水稻育秧环境监控系统进行研究，对加快推农业现代化进程，应用现代农业科学技术和现代管理方式，为早日实现高产、高效、优质、生态安全为目标的农业可持续发展模式，具有重要的现实意义。

2 水稻育秧环境监控系统总体设计

本文设计的水稻育秧环境监控系统是在普通大棚温室基础上，借助电子、计算机、通信等物联网技术组成的一个智能温室。可以对水稻育秧过程中的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境因子进行监测，并能通过执行机构实现自动调温、通风、施肥、补光等控制，实现水稻育秧生产的自动化。传统的多点环境监控系统多采用有线传输方式，需要大量现场布线，给系统的安装、维护和升级带来诸多不便。本文设计的监控系统采用ZigBee无线通信网络技术实现对温室内各环境参数的监控，具有安装维护简单、成本较低等优点。ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗无线网络技术。它以IEEE 802.15.4为基础，规定了其物理层和媒体接入控制层。基于以上分析，设计的系统硬件结构图如图1所示。

智能温室的监控区域内设置一个协调器节点（Coordinator Node），大量传感器节点（Sensor Node）和一些执行节点（Executor Node）间以Zigbee方式通信，它们通过自组织的方式组成无线传感器网络（WSN），定期主动或即时被动地采集温室内的光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等环境信息，并且能够接收控制节点（Control Node）发送过来的命令。协调器节点负责网络的建立、管理，传感器节点既可以采集信息又可以传送信息，还可以充当信息路由。节点信息通过协调器节点有线传送给汇聚节点（Sink Node），汇聚节点（网关）再通过有线或无线主干网（Internet、GPRS/3G/4G/卫星）将信息传给用户监控中心的上位机软件的数据库，用户通过WEB页面对无线传感器网络发布任务、获取现实环境的信息或进行环境参数调控。终端执行节点用来控制执行设备的开关，如实现自动加热、换气、浇灌、补光等设备的启停及强度控制。

传感器应具备数据存储（存储至缓存中）功能，以便节点定期采集，并支持标准串口传输协议（单片机与传感器之间通信），能在高温高湿的环境长时间的工作。如，温度、湿度和二氧化碳浓度传感器分别选用瑞士Sensirion公司的SHT11一体化数字式温湿度传感器（温度范围：-40～+123.8℃，湿度范围：0～100%RH）和英国GSS低功耗型红外二氧化碳传感器COZIR。传感器节点主要由电源模块、处理器模块（CC2530）、传感器及接口模块组成。传感器节点采用电池供电，能在低功耗条件下长期工作。终端执行节点主要由无线通信模块、电源模块、控制装置（继电器、接触器）和被控设备四部分组成。协调器节点也由电源模块、处理器模块（CC2530）、接口模块组成。执行节点、协调器节点均采用采用市电供电。网关节点是系统的关键，它承担着Zigbee网络和上位机程序通信的桥梁作用，负责信息格式的转换，数据的上传下达。ZigBee各个节点信息通过无线方式传送到协调器，由协调器应用层，通过调用串口API传送到网关。网关也能将用户远端Internet发送来的信息通过串口传送给协调器，协调器再将信息发送到某节点，从而实现从ZigBee网络到网关的双向信息传输。网关设备主要由电源模块、ARM（TI的ARM Cortex-A8 OMAP3530）核心板、触摸屏显示模块（选配）、GPRS模块、声光报警装置、打印设备（选配）等部分组成。网关节点采用电源模块供电。GPRS的短信收发选用双频模块（GSM/GPRS）SIM300。

本系统ZigBee网络所用的开发环境是IAR FOR 8051 8.3，采用的协议栈为TI的Z-STACK。嵌入式网关操作系统选用Embedded Linux。监控系统的上位机部分使用组态王6.55作为开发环境，主要包括主界面/登陆、实时曲线/历史趋势、历史数据存储、查询和导出、数据处理、报警信息等功能。

3 结语

采用ZigBee物联网智能温室进行水稻育秧，能显著提高水稻生产的可控水平，实现精细化与集约化生产，提高资源利用效率与生态效益。本文设计的水稻育秧环境监控系统工作可靠、功能齐全、可扩展性好、成本较低，而且可以达到较高的控制精度，具有一定的应用价值。

参考文献

[1]黄鸿锋.基于Zigbee 技术的农作物温室大棚监控系统[D].电子科技大学，2014.

[2]袁冰，苏震.基于ZigBee的无线传感网络与互联网关的接入方式[J].物联网世界，2013.

[3]华晶，何火娇，殷华.基于WSN的农业温室环境监控系统[J].农机化研究，2013.

推荐访问:育秧 水稻 监控系统 环境 设计

---