摘 要： 针对智慧农业温室环境参数采集与控制的自动化程度低的问题，设计了基于ZigBee标准的温室环境控制仪表。该仪表以单片机为控制中心，CC2420射频芯片作为无线传输模块，实现了温室环境参数的自动调控功能。重点介绍了仪表的总体方案、硬件电路和软件设计，并做了实验测试。实验结果表明，该仪表能够实时地进行温室环境的检测和控制，且具有低成本、高可靠性等特性。
关键词： 智慧农业；温室；控制仪表；ZigBee；单片机
0引言
智慧农业是指集成应用计算机与网络技术、物联网技术、音视频技术、3S技术、无线通信技术及专家智慧与知识，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等智能管理[1]。发展智慧农业，可以有效提高作物产量，节省时间和资源，最大限度地减少不必要的人力、财力。
要实现高水平的温室生产，温室生物环境调控是关键。本文设计的基于ZigBee标准的温室环境控制仪表[2]，不仅能实时地实现温室环境参数采集，还能有效地实现温室环境的自动调控、仪表的无线传输功能，为智慧农业的实施奠定了基础。
1 仪表总体方案设计
温室环境的主要控制对象为温室内的空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光照度，执行机构有加热系统、喷淋系统、排风扇、CO2发生系统、补光系统、遮阳网。温室环境控制仪的总体结构框图如图1所示。
控制中心采用SM79108单片机，由温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照传感器等完成对温室环境参数的采集，并根据内置算法进行数据处理、输出控制等。温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器作为一组传感器，一个控制器最多可以带32组，依据温室的规模、结构等因素决定一个温室内安放多少组传感器。
2 仪表硬件电路设计
仪表的硬件设计主要分为单片机键盘显示及存储电路、传感器接口电路设计、无线通信电路设计和执行机构驱动电路设计四大部分。
2.1 单片机键盘显示及存储电路设计
仪表的处理器采用低价格、低功耗、具有精简指令的8位SM79108单片机，3.3/5 V工作电压。它内含8 KB的闪存和256 B的片内RAM，内置4通道8位ADC转换，并带有看门狗定时器，能够实现全双工串行通信，兼容51系列单片机。SM79108的液晶显示、键盘电路和外部存储器电路设计如图2所示。
键盘电路采用独立键盘的方式，用于实现参数阈值的预设和执行机构的手动控制。显示电路采用内置ST7920P驱动的128×64点阵型液晶显示屏OCM12864-9，用于显示系统采集到的当前温度、湿度、CO2浓度、光照强度等参数。外部存储器采用4 KB的E2PROM存储芯片25C040，通过SPI接口与单片机相连，用于系统掉电保护。
2.2 传感器接口电路设计
空气温度、湿度的采集选用温湿度一体的传感器SHT10，它可对温度及相对湿度值进行全校准，且具有数字输出接口。技术指标：工作电压：2.4 V~5.5 V；温度测量范围：-40℃～+123.8℃，精度：±0.5℃；湿度测量范围：0～100%RH，精度：±4.5%RH。
CO2浓度的采集选用红外二氧化碳传感器B-530，它利用单波非色散红外原理（NDIR）对空气中的CO2进行检测。技术指标：测量范围为0~10 000 ppm，检测精度为±5%，使用寿命长达10年。
SHT10、B-530均通过I2C串行接口与单片机连接，接口电路如图3（a）所示。
光照度的采集选用TI公司的TSL230B可编程光—频率转换器，它将光辐照度信号转换为相应的脉冲频率。TSL230B与单片机的连接电路如图3（b）所示。S0、S1为灵敏度控制端，S2、S3为满量程选择端，OUT为频率信号输出，进入单片机的捕获输入，通过计算两次捕获时间内计数器的数值差，计算出输出频率，对照TSL230B的频率-能量关系曲线图，得到光照强度。
2.3 无线通信电路设计
根据安装和通信距离要求，采用低功耗、低速率、低成本的双向无线通信ZigBee技术[3]。通信模块采用CC2430射频芯片[4]。
CC2430只需要极少的外围元器件，通过4线SPI总线（SI、SO、SCLK、CSn）设置芯片的工作模式并实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。
2.4 执行机构驱动电路设计
温室中各执行机构的动作均通过继电器控制。设计中直接由单片机输出控制信号，经一个反相器，由三极管对电流放大，然后驱动继电器动作。单个继电器的驱动电路如图4所示。
3 仪表软件设计
3.1 控制逻辑设计
由于空气温湿度存在较强的耦合性，温室环境的控制将空气温度、湿度作为一组控制参数。当空气温度与湿度发生矛盾时，以温度控制为主，空气温湿度的具体控制逻辑如下：
①白天模式。当空气温度高于白天最高阈值，空气湿度低于最低阈值时，同时打开排风扇和喷淋系统；当空气温度低于白天最低阈值，空气湿度高于最高阈值时，则开启加热系统。
②夜间模式。只需把空气温度控制在露点温度以上。当空气温度高于夜间最高阈值时，关闭加热系统；当空气温度低于夜间最低阈值时，开启加热系统。
CO2浓度、光照度的耦合度很小，采用阈值方法分别进行调控。通过控制CO2发生系统的开启和关闭，实现对温室CO2浓度的调控；通过控制补光系统和遮阳网，实现对温室光照度的调控。
3.2 控制程序设计
仪表控制程序流程如图5所示。上电后，首先进行系统初始化，主要包括定时器、I/O端口方向及初值、寄存器的初始化、射频芯片的初始化等。然后判断有无按键，若无，则判断是否到达设定的采集时间，当设定的5 min时间到，控制器向各组传感器依序发送采集命令，将采集上来的数据存储到相应的数组中，待采集结束后求各项环境参数平均值，并存储、显示。然后根据内置的阈值控制算法，输出控制信号，达到调节温室环境的目的。
4 实验测试
本控制器在辽宁省某温室实验基地进行测试，温室类型为连栋温室，种植作物为处于幼苗期的茄子，茄子幼苗期阶段生长所需的温度为22℃~25℃，湿度为65%～75%，CO2浓度一般为500～1 000 ppm，光照度为500~1 000勒克斯（lux）。温室9个，各温室内分别部署1个控制器、8组传感器。给系统上电，进行测试。通电后，各无线设备终端在1 min之内自组网完毕。
系统上电1 min后开始计时，分别在5 min、25 min和45 min三个不同时间点记录1号温室的液晶屏显示的温室内温度值、湿度值、CO2浓度值、光照度值，记录值如表1所示。
5 结论
由测量数据可知，本仪表实现了对温室环境的温度、湿度、CO2浓度和光照度等参数的采集和显示，并根据预置的控制逻辑进行参数的处理、调控，使作物处于适宜的环境中生长，且具有响应快、稳定、可靠等特性。本仪表可根据需要增减传感器数目和变更传感器位置，且调控环境参数的自动化程度较高，为智慧农业的实施奠定了硬件基础。
参考文献
[1] 李道亮.物联网与智慧农业[J].农业工程，2012，2（1）：1-7.
[2] 张侃谕，余玲文.基于S7_224的自动化温室控制系统设计[J].自动化仪表，2009，30（2）：36-38.
[3] 赵勇，王曙光.温室环境无线监控系统设计[J].自动化仪表，2012，33（6）：53-55.
[4] 李永成，凌青，吴刚，等.基于ZigBee的温湿度数据无线采集监测系统设计[J].微型机与应用，2012，31（7）：61-63.