CN109724650A - 一种温室大棚监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温室大棚监测***。该***包括终端信息采集模块、ZigBee协调器、光照强度传感器、土壤PH值传感器、土壤导电率传感器、RS485总线以及上位机；终端信息采集模块包括多个传感器节点，传感器节点采集温室大棚内的温湿度信息，并将温湿度信息通过Z‑stack协议栈发送至ZigBee协调器；ZigBee协调器通过串口将温湿度信息发送至上位机；光照强度传感器采集光照强度，并将光照强度通过RS485总线传输至上位机；土壤PH值传感器采集土壤PH值，并将土壤PH值通过RS485总线传输至上位机；土壤导电率传感器采集土壤导电率，并将土壤导电率通过RS485总线传输至上位机；上位机用于显示并监控温湿度信息、光照强度、土壤PH值以及土壤导电率。本发明能够实现对温室大棚的自动化监测。
Description
技术领域
本发明涉及温室大棚监测领域，特别是涉及一种温室大棚监测***。
背景技术
我国幅员辽阔、耕地面积广大，是一个拥有几千年农耕文明的国家，一直以来都被世界称为农业大国。随着时代变迁和科技进步，我国也逐渐从以人力劳动为主的传统农业的生产模式向以结合了现代信息技术的精细农业的生产模式转变。
针对我国气候多变、地理环境复杂等客观因素限制农作物大批量生长、培育的现状，温室大棚应运而生。温室大棚一经面世，便大受追捧和信赖。国内的现实情况是从农作物的种植、灌溉到大棚环境的监测和棚内影响农作物生长的因素的调节都主要依靠人工来操作，不仅需要损耗大量劳动力，而且人工测量也会带来不可避免的误差，降低了了温室大棚管理的科学性。
发明内容
本发明的目的是提供一种温室大棚监测***，实现对温室大棚的自动化监测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种温室大棚监测***，包括终端信息采集模块、ZigBee协调器、光照强度传感器、土壤PH值传感器、土壤导电率传感器、RS485总线以及上位机；所述终端信息采集模块包括多个传感器节点，所述传感器节点用于采集温室大棚内的温湿度信息，并将所述温湿度信息通过Z-stack协议栈发送至所述ZigBee协调器；所述ZigBee协调器通过串口将所述温湿度信息发送至所述上位机；所述光照强度传感器用于采集光照强度，并将所述光照强度通过RS485总线传输至所述上位机；所述土壤PH值传感器用于采集土壤PH值，并将所述土壤PH值通过RS485总线传输至所述上位机；土壤导电率传感器用于采集土壤导电率，并将所述土壤导电率通过RS485总线传输至所述上位机；所述上位机用于显示并监控所述温湿度信息、所述光照强度、所述土壤PH值以及所述土壤导电率。
可选的，所述传感器节点包括温湿度传感器以及单片机；所述温湿度传感器用于采集温室大棚内的温湿度信息，所述单片机与所述温湿度传感器连接，用于控制所述温湿度传感器采集大棚内的温湿度信息，并将所述温湿度信息通过Z-stack协议栈发送至所述ZigBee协调器。
可选的，所述单片机包括设定器、控制器以及传输单元；所述设定器用于设定采集时间，所述控制器根据所述采集时间控制所述温湿度传感器进行温湿度采集，所述传输单元用于将所述温湿度信息发送至所述ZigBee协调器。
可选的，所述温湿度传感器的型号为DHT11。
可选的，所述单片机的型号为CC2530。
可选的，还包括开关电源，所述开关电源用于将220V电压转换为12V电压，为所述光照强度传感器、所述土壤PH值传感器以及土壤导电率传感器供电。
可选的，所述光照强度传感器的型号为SM2161B。
可选的，所述土壤PH值传感器的型号为SM2120B。
可选的，所述土壤导电率传感器的型号为EC10。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明通过ZigBee协调器将温湿度信息上传至上位机，通过RS485总线将光照强度、土壤PH值以及土壤导电率上传至上位机，通过上位机进行显示和监控，从而实现对温室大棚自动化、全面化的监控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例温室大棚监测***的结构示意图；
图2为本发明实施例ZigBee协调器组网过程的流程图；
图3为本发明实施例协调器以及终端节点的工作流程图；
图4为本发明实施例温湿度数据传送格式的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，温室大棚监测***包括终端信息采集模块、ZigBee协调器、光照强度传感器、土壤PH值传感器、土壤导电率传感器、RS485总线以及上位机(PC机)。所述终端信息采集模块包括多个传感器节点，所述传感器节点用于采集温室大棚内的温湿度信息，并将所述温湿度信息通过Z-stack协议栈发送至所述ZigBee协调器；所述ZigBee协调器通过串口将所述温湿度信息发送至所述上位机；所述光照强度传感器用于采集光照强度，并将所述光照强度通过RS485总线传输至所述上位机；所述土壤PH值传感器用于采集土壤PH值，并将所述土壤PH值通过RS485总线传输至所述上位机；土壤导电率传感器用于采集土壤导电率，并将所述土壤导电率通过RS485总线传输至所述上位机；所述上位机用于显示并监控所述温湿度信息、所述光照强度、所述土壤PH值以及所述土壤导电率。
本发明中传感器集群信息采集完成后与上位机的通信通过RS485转USB转换器实现。本设计中采用的485转USB转换器符合USB2.0标准，采用USB AM打印口标准，符合RS485标准。转换器的485端口接上传感器集群，USB端口***PC机后安装驱动，完成后即可显示端口信息。
所述传感器节点包括温湿度传感器以及单片机；所述温湿度传感器用于采集温室大棚内的温湿度信息；所述单片机包括设定器、控制器以及传输单元；所述设定器用于设定采集时间，所述控制器根据所述采集时间控制所述温湿度传感器进行温湿度采集，所述传输单元用于将所述温湿度信息发送至所述ZigBee协调器。终端传感器节点上电后自动搜寻到要加入的无线局域网，入网成功后由DHT11负责采集温湿度信息，并将采集到的模拟信号转换为数字信号通过数据引脚传送到CC2530，再通过Z-stack协议无线传送至协调器。
DHT11是一款输出为数字信号的温湿度传感器。它具有超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，被广泛应用于暖通空调、除湿器等领域。DHT11温湿度传感器性能见表1。
表1 DHT11温湿度传感器性能说明
所述单片机的型号为CC2530，CC2530芯片用于组建2.4-GHz、符合IEEE802.15.4标准的无线局域网。本发明采用的CC2530开发板是德州仪器(TI)公司生产的专用于ZigBee技术应用的开发套件。此芯片支持最新的ZigBee协议——ZigBee2007/PRO。此外此芯片结合了领先的RF收发器、增强型8051CPU、可编程闪存、8-KBRAM和许多其它强大的功能使得开发者应用其进行开发操作难度大大降低。同时它在睡眠状态下耗电极低，这一点与ZigBee技术低功耗的特点吻合得很好。
CC2530和DHT11的工作电压为3.3V，通过底板上自带的转换电路将直流输入的5v电压转换为3.3V的工作电压。CC2530芯片提供两种晶振，一个是外接的32M石英晶振，在使用串口通信，特别是无线通信时作为高频时钟来源。另一个是外接的32.768K石英晶振，作用是为***时间提供基准时序。
DHT11的工作状态由CC2530内部的MCU(8051)控制，MCU根据人为设定定时向温湿度传感器DHT11发送读温度和湿度指令，DHT11接到指令后采集温湿度数据并完成模拟量向数字量的转换，转换完成后会发出信号，MCU在接收到转换完成信号后，将处理完毕的数据传送读取出来并传送给协调器。协调器和终端节点的工作流程图如图3所示
所述ZigBee协调器通过串口将所述温湿度信息发送至所述上位机。协调器上电后组建网络和介绍终端节点加入网络的过程如图2所示。在传送温湿度数据时，将温度和湿度数值转换为ascii码的形式，传送的有效字节数为4个字节，分别为温度十位数部分、温度个位数部分、湿度十位数部分和湿度个位数部分。为了区分两个终端节点的信息，在有效字节前加上一个开始标志位，有效字节后加上一个结束标志位，温湿度数据传送格式如图4所示。
ZigBee协调器作为温湿度采集***的核心部分，具备以下功能：
1)作为星形ZigBee网络的组网中心
协调器上电后根据人为设置好的个域网地址(PANID)建立以自己为中心的无线局域网。无线局域网创建之后，协调器成为此网络中的第一个节点。当终端传感器节点上电后，他们会自动搜寻附近的无线局域网，通过给终端传感器节点发送指令要求他们也加入到由协调器组建的局域网中，至此协调器设备和终端传感器设备组网成功。
2)终端传感器节点加入网络的父节点
当有新的终端节点上电，开着寻找要加入的局域网时，终端传感器节点会向人为设定的想要加入的无线局域网中的协调器发送信标请求命令帧，协调器验证信标帧内容后会回复给终端一个信标帧，内容包括协调器给此终端节点分配好的网络地址，同意其入网，也就是说协调器成为了此终端节点的父节点。
SM2161B光照强度传感器为RS485接口，符合标准MODBUS-RTU协议，可以完成对光强的采集和数值上传。SM2161B的技术参数见表2，接入总线后的设备地址设置通过软件完成，默认通讯波特率为9600，设备所有操作或回复命令数据都为16进制。传感器引出的接口为四线接口，接线说明如表3所示。
表2 SM2161B宽量程光照度传感器技术参数
| 参数 | 技术指标 |
| 光照度测量范围 | 0-20 0000lux |
| 分辨率 | 10Lux |
| 最大允许误差 | ±7％ |
| 温度特性 | ±0.5％/℃ |
| 供电电源 | DC6V-24V 1A |
| 耗电 | 2W |
| 存储温度 | -40-85℃ |
| 运行环境 | -40℃～+85℃ |
表3 SM2161B宽量程光照度传感器接线说明
| 线芯颜色 | 标号 | 说明 |
| 红色 | V+ | 电源正，电压范围：DC6-24V |
| 绿色 | V- | 电源负极 |
| 黄色 | A+ | RS485 A+ |
| 蓝色 | B- | RS485 B- |
SM2120B土壤PH值传感器为RS485总线式PH值传感器，采用RS485接口，标准MODBUS-RTU协议。SM2120B的技术参数见表4，设备地址可自行设置，使用时需要注意将探针完全***土中，否则测量值会有较大差异。SM2120B土壤PH值传感器接线与光照强度传感器完全一致。
表4 SM2120B土壤PH值传感器技术参数
EC10土壤电导率传感器性能稳定灵敏度高，是观测和研究盐渍土的发生、演变、改良以及水盐动态的重要工具。支持RS485接口，接线方便，精度高，响应快，互换性好，探针***式设计保证测量精确，性能可靠。EC10传感器的技术参数见表5，四条引线的接线说明见表6。
表5 EC10土壤电导率传感器技术参数
表6 EC10土壤电导率传感器接线说明
| 线芯颜色 | 标号 | 说明 |
| 红色 | V+ | 电源正，电压范围：DC6-30V |
| 黑色 | V- | 电源负极 |
| 黄色 | A+ | RS485 A+ |
| 白色 | B- | RS485 B- |
RS485总线是一种常见的串行接口总线，采用半双工工作方式，支持多点数据通信。在使用RS485总线连接多个传感器节点时，采用终端匹配型结构，将传感器节点依次连接到一条总线上，不支持节点间的通信。RS485总线具有以下特点：
RS485的数据传输速率最高达10mb/s，最大的通信距离约为1219m，随着距离的增大，传输速率越来越小。如果需要用RS485总线把数据传输到更长的距离，则需要加485中继器。
RS485工作稳定，传输可靠，抗共模干扰的能力强。
实际施工使用时不适合节点分布散乱、节点众多的情况。常见的温室大棚的信息采集节点不是局限在一条线上，而是呈星形分布，所以采用RS485总线实现对温室大棚各点信息的采集是难以实现的。在各设备节点距离较远时，传输数据时容易产生信号反射的问题。
本发明中采用RS485总线技术收集温室大棚内光照强度、土壤电导率和土壤PH值的原因有以下三方面：
目前市场上的采集光照强度、土壤电导率、土壤PH值传感器模块绝大多数都是RS485接口，标准MODBUS-RTU协议。考虑到此温室大棚信息监测***的普适性和可操作性，本设计使用RS485总线技术实现对此三项环境因素的传输和远程监控。
考虑到温室大棚的实际监测需求，一个大棚内光照强度、土壤电导率和土壤PH值的采集节点一般只需要各一个，而大棚内的湿度会随着各区域灌溉程度的不同而不同，所以需要设置多个采集节点来全面的监控，收集到的数据可以提供给自动化灌溉***以便做出调控措施。因此，多节点的温湿度采集子***不适合用RS485总线技术来实现，而光照强度等三项的监控***可用RS485总线技术完成。
光照强度传感器模块、土壤电导率传感器模块和土壤PH值传感器模块的工作电压为6v—24v，而CC2530和DHT11都为低功耗器件，工作电压只有3.3V，所以此三个传感器模块不能连接在CC2530***电路上。
RS485总线连接的传感器集群所需的正常工作电压为6v—24v，不能直接利用220v市电为其供电，本发明采取的供电方式是通过一个开关电源将220v市电转换为12v电压供给传感器集群。供电完成后，传感器集群连接到485总线的方法是以并联的方式接入。
每个传感器在总线上都有自己的设备地址，可通过软件修改设备地址。上位机只需要根据485总线协议指定相应的设备地址，再发送读取设备命令就可以读取指定的传感器设备传送来的信息。RS485总线上三个传感器的设备地址如表7所示。上位机程序按照一定的顺序依次、轮番传感器模块采集到的数值，读取顺序是先读取光照强度，然后是土壤电导率，最后是土壤PH值。
表3.7设备地址表
| 传感器类型 | 设备地址 |
| 光照强度 | 0x01 |
| 土壤PH值 | 0x02 |
| 土壤电导率 | 0x08 |
读取光照强度、土壤PH值、土壤电导率的命令为8个字节，读取光照强度的命令见表8，读取土壤PH值的命令见表9，读取土壤电导率的命令见表10，具体格式如下：
表8读取光照强度的命令
| 字节0 | 字节1 | 字节2 | 字节3 | 字节4 | 字节5 | 字节6 | 字节7 |
| 0x01 | 0x03 | 0x00 | 0x00 | 0x00 | 0x01 | 0x84 | 0x0A |
表9读取土壤PH值的命令
| 字节0 | 字节1 | 字节2 | 字节3 | 字节4 | 字节5 | 字节6 | 字节7 |
| 0x02 | 0x03 | 0x00 | 0x00 | 0x00 | 0x01 | 0x84 | 0x39 |
表10读取土壤电导率的命令
| 字节0 | 字节1 | 字节2 | 字节3 | 字节4 | 字节5 | 字节6 | 字节7 |
| 0x08 | 0x04 | 0x00 | 0x00 | 0x00 | 0x05 | 0x30 | 0x90 |
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过ZigBee协调器将温湿度信息上传至上位机，通过RS485总线将光照强度、土壤PH值以及土壤导电率上传至上位机，通过上位机进行显示和监控，从而实现对温室大棚自动化、全面化的监控。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种温室大棚监测***，其特征在于，包括终端信息采集模块、ZigBee协调器、光照强度传感器、土壤PH值传感器、土壤导电率传感器、RS485总线以及上位机；所述终端信息采集模块包括多个传感器节点，所述传感器节点用于采集温室大棚内的温湿度信息，并将所述温湿度信息通过Z-stack协议栈发送至所述ZigBee协调器；所述ZigBee协调器通过串口将所述温湿度信息发送至所述上位机；所述光照强度传感器用于采集光照强度，并将所述光照强度通过所述RS485总线传输至所述上位机；所述土壤PH值传感器用于采集土壤PH值，并将所述土壤PH值通过所述RS485总线传输至所述上位机；土壤导电率传感器用于采集土壤导电率，并将所述土壤导电率通过所述RS485总线传输至所述上位机；所述上位机用于显示并监控所述温湿度信息、所述光照强度、所述土壤PH值以及所述土壤导电率。
2.根据权利要求1所述的温室大棚监测***，其特征在于，所述传感器节点包括温湿度传感器以及单片机；所述温湿度传感器用于采集温室大棚内的温湿度信息，所述单片机与所述温湿度传感器连接，用于控制所述温湿度传感器采集大棚内的温湿度信息，并将所述温湿度信息通过Z-stack协议栈发送至所述ZigBee协调器。
3.根据权利要求2所述的温室大棚监测***，其特征在于，所述单片机包括设定器、控制器以及传输单元；所述设定器用于设定采集时间，所述控制器根据所述采集时间控制所述温湿度传感器进行温湿度采集，所述传输单元用于将所述温湿度信息发送至所述ZigBee协调器。
4.根据权利要求2所述的温室大棚监测***，其特征在于，所述温湿度传感器的型号为DHT11。
5.根据权利要求2所述的温室大棚监测***，其特征在于，所述单片机的型号为CC2530。
6.根据权利要求1所述的温室大棚监测***，其特征在于，还包括开关电源，所述开关电源用于将220V电压转换为12V电压，为所述光照强度传感器、所述土壤PH值传感器以及土壤导电率传感器供电。
7.根据权利要求1所述的温室大棚监测***，其特征在于，所述光照强度传感器的型号为SM2161B。
8.根据权利要求1所述的温室大棚监测***，其特征在于，所述土壤PH值传感器的型号为SM2120B。
9.根据权利要求1所述的温室大棚监测***，其特征在于，所述土壤导电率传感器的型号为EC10。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190507 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |