智能温室电气工程设计论文

摘要设计了一种基于ARM平台LPC2300系列的智能溫室控制系统。在传统智能温室系统上加入了植物水胁迫声发射信号的获取以及处理，以实现温室的精准灌溉。今天小编给大家找来了《智能温室电气工程设计论文 (精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。

智能温室电气工程设计论文 篇1：

智能温室电气工程设计实现

摘 要：科学技术是第一生产力，科学技术的飞速发展也促进了传统农业发展方式的转变，它对农业的贡献也越来越大。目前，我国的温室建设速度快、数量高，并且很多智能温室也随之出现。但智能温室存在着很多问题，如智能温室标准体系不科学、监控软件不科学等，这些都严重制约着农业发展的需要。本文针对智能温室存在的问题，提出了其电气的设计，期望能够促进温室产业的发展，提高农民收入。

关键词：智能温室;电气设计;设计

在温室中设计相关的电气自动化设备能够提高温室的智能化，它以计算机为核心，使用了各类自动化技术，例如遮阳系统、风扇系统、温度系统等，为农作物创造了良好的生长环境。

一、智能温室电气工程的现状

改革开发后，我国的经济飞速发展，与国外的科技交流也日益频繁，我国吸收和借鉴了很多国外的先进技术，有效地促进了我国经济的发展。智能温室电气工程融合了传感技术、通信技术、采集技术等多种先进的技术，是电气工程和农业种植技术的结合，有效地提高了农作物的质量和产量。智能温室控制了室内的温度、湿度、光照等农作物的生长条件，减少了不利地自然环境对农作物生长的影响，同时提高了农作物的健康度，减少了化肥的用量，避免了化学污染。另外，智能温室中电气工程自动化程度的提高，降低了农产品的成本，提高了农业产品的收益;另外，智能温室中的信息采集技术准确全面地收集 了农作物生长的数据信息，能够为农作物的生长提供更加优良的生长环境。

目前，我国智能温室技术主要来源于国外，虽然我国一直十分重视智能温室的开发和研究，但我国的智能温室还存在着很多问题：温室结构标准体系不健全，国家没有指定相关的标准，各企业依据自身的需要制定相关的标准，导致生产出的农产品标准不一;智能监控软件成本过高，不利于企业的盈利;监控软件无法做到数据的时时监控，不利于掌握温室环境的变化。

二、智能温室电气工程设计实现

1、供配电系统

第一，在用电负荷方面。温室的用电负荷等级较低，受到温室建设位置的影响，温室的供电负荷一般为三级。但智能温室对供电可靠性的要求较高，并且一旦供电中断则造成的影响损失较大。因此，智能温室的用电负荷与一般的用电负荷不同，首先要根据温室的用途确定，其次，要根据建设方的需要确定，一般的，温室的消防、安防等为二级负荷，能够通过手动控制减少断电影响的为二级、三级负荷。第二，电压等级方面。随着温室规模的扩大、功能的复杂，温室用电负荷增高，因此，要努力提高电压，延长职能设备的使用寿命。第三，变压器。变压器的配置要考虑到温室中空调，可为建设专用的变压器;要将变配电室建设在温室外。第四，用电设备。温室机械化设备，例如开窗机、遮阳机、拉幕电机等;升降温设备，例如循环风机、辐射加热器等;温室园艺设备，如电动传送带、电动施肥系统、鱼苗设备等。三类设备的功率都不大，但温室内湿热的环境要求电气设备必须耐潮、耐温热等，同时其防护等级也必须高于IP45。设备导线通常BV线或RVV线，敷设时应尽量减少对植物生长环境的影响，不影响工作人员的活动。

2、照明系统

生产性质的照明系统如果在夜间没有生产任务，照明的范围在走道、配电柜处，如果有生产任务的要求，则根据生产的要求布置;在照明度标准方面，不同的温室种类有不同的标准，可以根据温室的性质选择制定;灯具应选择密闭的，要防水、防尘、密闭;在补光方面，要根据植物对光照的要求进行补光，还要根据植物不同的生长期补光，以促进植物的生长发育。

3、監控系统

监控系统以计算机为核心，在计算机的屏幕上显示温室内的相关数据，如时间、温度、湿度等，并以动态图的方式呈现，同时，还监控了各个设备的运行状态，进而随时观察温室中的相关信息，及时发现和解决问题，使温室保持良好的状态。当温室出现问题时，要及时关键的数据和信息，保存电子档和纸质档，为检修人员提供科学的参考。同时，还要设定紧急停止装置，一旦出现重大问题时能够最大化地减小损失。

4、通信系统

为了保持温室良好的运行装填，通信系统必须保持稳定和畅通，保证温室系统的各项功能能够正常运行，提高对其控制力度。在通信系统中一般采用的是RS485接口，该接口有双接口、抗干扰能力强、传输距离长、信号稳定;RS232S接口适用于PC机。因此，在通信方式的选择上要根据通信的需要选择，最好能够实现两种方式的同时运行和转换，提高信息传输的稳定性。

5、信号采集系统

信号采集系统能够检测温室环境的测量和一些相对重要的数据信息，是这一种综合性的监控设备。为了保证信息采集的准确度，必须保证传感器的高灵敏度，同时也要提高采集器的抗干扰性。由于采集器的工作时间长、工作范围广，各个数据信息之间有一定的影响，因此，要采用并联电路和高精确度的信号转换器，确保不同种类的信息能够精确、顺利地进行传输。

6、执行系统的设计

在智能温室中，通过控制天窗、遮阳帘的开关和角度来调节室内的光照面积和关照程度;利用通风机控制室内风力的大小和方向;通过加热设备控制温室的温度;通过喷淋设备控制室内的湿度;通过CO2阀控制室内CO2的含量;通过营养液阀控制植物所需的营养。可见，执行系统直接为农作物的健康生长创造了条件，信息采集系统所反馈的信息为执行系统的执行提供了依据，如在喜阳农作物的生长期必须保证充足的光照，在农作物的生长关键期必须保证充足的水分、养料等。

结语：

随着我国对农业发展的重视，智能温室的建设如火如荼，它能够减小或避免自然环境对农作物生长的影响，使农作物能够能够在理想的环境中的生长，有力地促进了农业的发展。智能温室的关键在于电气工程的实施，它们调节了温室内的温度、湿度、光照等农作生长的必要条件，随着农业科技的发展，智能温室电气工程也将发挥越来越重要的作用，使其朝着智能化、节能化、环保化的方向发展，必将推动我国农业科技化程度低不断提高，为农业增产、农民增收做出重要的贡献。

参考文献：

[1] 潘刚. 温室环境远程智能监控系统的设计与实现[J]. 微型机与应用. 2014(07)

[2] 侯建华. 智能温室远程控制系统的设计与实现——基于LPC2132[J]. 农机化研究. 2010(12)

[3] 孟凡奥，何豪，刘晓芸，张凌飞. 智能温室大棚控制系统[J]. 电子世界. 2014(15)

作者：王殿锁

智能温室电气工程设计论文 篇2：

基于ARM水胁迫声发射的精准灌溉智能温室系统的设计

摘要设计了一种基于ARM平台LPC2300系列的智能溫室控制系统。在传统智能温室系统上加入了植物水胁迫声发射信号的获取以及处理，以实现温室的精准灌溉。该系统以ARM7嵌入式处理器为核心， 将各类数字传感器收集的数据通过现代控制理论及模糊控制算法进行处理，采用自动控制、远程监控和图形化等多种方式来调整温室执行机构，以达到控制温室温湿度、CO2浓度、光照强度以及土壤含水率等参数，在搭建的温室模型中取得稳定、可靠的运行效果。该研究设计的ARM 系统相比于传统温室控制系统，具有维护成本低、功耗低、方便实用等特点;相比于同类设计，该系统开发了数字传感器、图形化界面、模糊控制方法、网络摄像头监控，实现了现代温室控制所具有的智能化、网络化和可视化。

关键词ARM;嵌入式系统;智能温室;精准灌溉;模糊控制

A

基金项目国家自然科学基金项目(51269033)。

作者简介余海斌(1990- )，男，湖北黄冈人，硕士研究生，研究方向：农业电气化与自动化。*通讯作者，副教授，硕士生导师，从事农业电气工程研究。

收稿日期2014-12-29

随着社会和经济的发展，人们对物质生活的要求越来越高。我国农业以较快的速度发展，大多数农民已经开始使用温室大棚种植技术，但是农作物种植受到地域和自然环境等因素影响，智能温室的发展将会对农业生产有着重大意义。温湿度、光照量和灌溉量是农作物生长很重要的因素，而现今温室大棚的温湿度、光照和灌溉依旧由人工检测和控制，

运用智通温室系统科学地控制温湿度和精准灌溉，可以显著提高农作物的产量以及质量。

当今世界上的发达国家如荷兰、美国等大力提倡发展集成化、规模化的温室产业，温室内温度、光照、CO2、水、肥都已实现了计算机集中调控，从种子的选择、栽培管理到采收加工以及包装等流程，形成了一整套规范化技术体系。美国是世界上最早发明计算机的国家，同样也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最广泛的国家之一。美国有一整套发达的设施栽种和培养技术，温室综合环境的控制技术水平非常高。温室环境控制计算机主要是对温室环境(气象环境和栽培环境等)进行实时监测和控制。以花卉温室为例，温室监控项目包括室内温度、水温、土壤含水率、管道温度、空气湿度、保温幕布状况、通窗状况、水泵的工作状况、CO2浓度、EC调节池、pH调节池和回流管数值等参数;室外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。随着互联网的快速发展，温室专家系统的广泛应用也给种植者们带来了一定的经济效益，提高了管理者的决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植和培养带来了诸多方便。除此之外，发达国家的温室行业正致力于向高科技方向发展。遥感测控技术、物联网技术、局域网控制技术已逐渐应用于温室的管控之中。智能化控制要求在远离温室现场的计算机控制中心就能完成，即远程控制。另外该网络还连接有其他通讯平台，用户可以在遥远的地方通过逼真、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统进行对话，就像在现场操作一样，给人一种身临其境的感觉[1]。

笔者以智能嵌入式ARM微控制器为控制核心，集成温湿度传感器作为温湿度检测元件，加热、加湿设备作为温室调节器，设计了一种温室大棚的智能化控制和管理系统。

1系统介绍

该设计以LPC2300系列ARM智能系统为基础，温度、湿度等因素测量和自动控制系统为核心来对温室进行实时检测。微控制器ARM能独立完成各项功能，同时能通过温湿度传感器等外设对温湿度等信号进行定时采集。测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用ARM的串行口和CAN总线通信协议能把温室中的温度、湿度、土壤含水率等参数及时上传至上位机，并与设定值进行比较，与设定值不符时采取相应的处理措施。有了植物的水胁迫声发射信号，使用者能更清楚地知道植物对水的需求量，让温室始终处于恒温恒湿的稳定环境当中。

在设计的过程中充分考虑到性价比和精度，在选用价格适中、通用元件的基础上，尽量满足设计要求，并使系统具有较高的精度。该控制系统以ARM微控制器为核心，实时监测环境的温度、湿度和土壤含水率，并设定了这些参数的上、下限值，设计了相应的报警系统，当超过设定的阈值时，ARM将会触发报警系统进行报警，同时驱动执行继电器打开相应的开关使相应的执行机构运行;当参数值恢复到正常范围内时，ARM将控制执行机构停止运行，从而使环境的温湿度、CO2浓度、含水率等参数控制在一定的范围内[2]。

2系统总体方案

该系统包括ARM 开发板、外围电路和温室模型3部分。通过模拟量和数字量输入接口，将温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、土壤含水率传感器等传感器所得的连续的物理信号通过A/D和D/A转换，转换为离散的电信号。LPC2300系列ARM可以捕捉到这类信号并实时显示在外接LCD上。在对信号的处理上采用智能离散模糊化处理，再将处理后的结果通过执行机构输出接口，传输给通风系统执行机构、加热系统执行机构、湿帘水泵执行电机等执行机构，以调节温室内的温湿度、光照、CO2、土壤含水率等参数，达到人们想要的预期值。

在物联网快速发展的今天，单机控制已经不能完全满足人们的智能化要求。LPC2300系列ARM已经为人们提供了强大的远程数据传输接口，该研究采用CAN接口连接至上位机服务器。服务器采用性能强劲、稳定的Linux系统，它可以将ARM传送的数据实时保存在Oracle数据库中。并与外界的Internet相连，接入农业专家系统以实现精确性。借助强大的Linux系统，可以搭建Web环境，这样就能实施远程监控了。今天人手一台智能手机已成为现实，为此还可以开发相关的APP，做到无论何时何地在手上也能远程查看温室的状况。系统原理见图1。

2.1LPC2300系列ARM控制器LPC2300系列是基于ARM7的微控制器，十分适用于需要串行通信的场合。它包含了10/100 Ethernet MAC、USB2.0全速接口、4个UART、2路CAN通道、1个SPI接口、2个同步串行端口(SSP)、3个I2C接口、1个I2S接口和一条MiniBus总线。

ARM7TDMI-S处理器，可在高达72 MHz的频率下运行;高达512 KB的片内Flash程序存储器，具有在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)功能。单个Flash扇区和整个芯片擦除的时间都为400 ms、256 kB编程的时间为1 ms。Flash程序存储器位于ARM局部总线上，可以进行高性能的CPU访问;两个AHB系统，可同步进行Ethernet DMA、USB DMA及从片内Flash执行程序的操作，执行这些功能时不会产生竞争。AHB总线桥允许Ethernet DMA访问其他AHB子系统;片内振荡器的工作频率为1～24 MHz;4 MHz的内部RC振荡器，可用作系统时钟;片内PLL允许CPU工作在最大速率而无须使用高频率。PLL可从主振荡器、内部RC振荡器或RTC振荡器开始运行;引脚功能选择为使用片内外设功能提供了更多的可能性[3]。

2.2CAN总线的设计

系统由上位机监控中心和CAN总線监测节点组成，CAN总线温室监测系统框架见图2。由采集模块将采集到的温湿度、光照、CO2、土壤含水率等参数信号，传递给主控制模块进行信号的处理;再由通信模块生成协议报文，并由CAN收发器通过CAN总线将数据发送至上位机，同时接收上位机发来的控制命令，并予以反馈。上位机监控中心则负责收集由CAN总线传输过来的各种数据，并实时显示，同时还起着指挥CAN总线各节点的作用，让温室的各种环境参数时刻处于最佳的状态。

2.3模糊控制算法

自动灌溉系统灌溉作物需要混合在水中的营养液的特定浓度，混合营养液同步进行灌溉，营养液在线自动混合控制和自动灌溉是该系统的关键和技术难点。根据对营养液构成及工作特性的分析可知，该系统是一个实时的、大延迟的、有不确定因素的复杂系统，系统有很大的滞后性和惯性环节，并且传递函数也很难确定。因为该控制系统的执行单元是电磁阀，只有开关两种状态，只能按照电磁阀周期内的开关时间比例，用经典控制方法不容易得到很好的控制效果。所以，该系统将采用模糊逻辑控制方法来实现。在模糊控制器的设计时，用偏差和偏差变化量来作为输入变量，为营养液的电导率(EC)或酸碱度(pH)的实测值与营养液的电导率(EC)或酸碱度(pH)的标准值之间的差值，作为邻近2次差值的变化，表示为：

e(k)=r(k)-y(k) (1)

Δe(k)=e(k)-e(k-1)(2)

因为输入变量有2个，故称为二维模糊控制器，控制系统框架见图3。这时的模糊控制器类似于一个PD控制器，从而有利于保证系统的稳定性，减少响应过程的超调量以及削弱其振荡现象[4]。

3软件设计

系统软件主要由主程序、数据采集、显示、报警、键盘等模块组成。

3.1主程序模块主程序模块主要完成硬件初始化、子程序模块调用等功能。具体流程见图4。

3.2数据采集模块

数据采集模块根据输入参数对相应模拟信号进行采样、量化及处理，并将相应信号数值返回主程序。程序代码如下：

void Get_temperature(void)

{

Initize_18B20(); //初始化18b20

Write_Byte_18b20(SkipRom);

Wait_Bus_Delay(1);

Write_Byte_18b20(ConvertTemperature); //18b20 功能指令，写入温度转换命令

Wait_Bus_Delay(5);

Initize_18B20(); //初始化18b20

Write_Byte_18b20(SkipRom);

Wait_Bus_Delay(1);

Write_Byte_18b20(ReadScratchpad); //18b20 功能指令，读暂存器指令

temperature_low=Read_Byte_18b20(); //读取温度数据低位，其中最低4 位为小数位

temperature_high=Read_Byte_18b20(); //读取温度数据高位，其中最高5 位为符号位

Wait_Bus_Delay(20);

temperature_all=((temperature_high<<8)|(temperature_low));

if(temperature_all&0xf800) //判断温度是否为负

{

temperature_all=0; //限制温度测量下限为0 度

}

}[5]

4结语

该研究所设计的系统是一种基于ARM微控制器的智能温室控制系统，针对传统温室灌溉系统存在的不足，利用现代智能传感技术以及水胁迫声发射信号， 以经济、简单、方便、智能的方法实现对温室各种复杂环境参数的准确检测。设计的智能温室控制系统完全满足各种植物生产的实际需求，实践证明该系统具有安全可靠、经济、稳定性好且操作简单等特点，符合当前温室系统的主流发展趋势， 具有良好且广阔的应用前景。

43卷5期余海斌等基于ARM水胁迫声发射的精准灌溉智能温室系统的设计

参考文献

[1]

荆珂，张孟杰，李芳，等.温室控制系统的现状及其发展[J].农机化研究，2008，5(5)：213-214.

[2] 丁欣， 孙智卿， 郭鹏举.基于ARM 的智能温室控制系统[J].山西农业大学学报： 自然科学版， 2010， 30(1)：62-66.

[3] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天出版社，2008：74-75.

[4] 苏林，袁寿其，张兵，等.基于ARM7的智能灌溉摸糊控制系统[J].中国农村水利水电，2007(12)：29-30.

[5] 江丽莎，蒙亮，罗涟玲.利用单片机设计农业温室温湿度智能控制系统[J].广西物理，2012，33(1)：22-23.

责任编辑夏静责任校对李岩

作者：余海斌

智能温室电气工程设计论文 篇3：

基于多网融合和节点定位技术的无线温室智能监控系统的设计

摘要：针对目前温室大棚环境调控方式落后、生产效率低的问题，设计了一种无线温室监控系统。该系统由终端设备、智能网关、手机APP这3个部分组成。采用STM32完成智能网关设计，将温室内各种设备如电灯、卷帘机、加热器、加湿器、各类传感器等通过ZigBee、Wi-Fi、RF、红外连接起来，并设计一种基于安卓(Android)平台的人机交互界面，实现监控功能。提出指纹库定位方法的改进策略，在ZigBee终端节点内的Z-stack协议栈中加入卡尔曼滤波算法，在线定位阶段加入贝叶斯概率定位法，实现无线网内定位功能。说明该系统运行可靠、灵敏度高、数据传输丢包率低、性价比高，能较好地满足温室智能监控的应用需求。

关键词：温室;STM32;智能网关;多网融合;安卓(Android);ZigBee定位;手机APP;智能监控系统

随着农业现代化的飞速发展，温室环境监控成为国内外研究的热点之一[1]。温室大棚作为一种现代农业生产的辅助手段，不仅可以改善温室气候、减少外界4季变化和恶劣气候对温室大棚内植物的影响，还可以调节温室大棚内的环境为植物生长的最佳环境[2]。物联网的技术日新月异，物联网的应用也趋于广泛，设备的控制方式逐渐脱离了传统的人工控制，趋向于无线控制[3]。温室内拥有众多的智能设备，如电子显示屏、各类传感器、RF电灯开关、门禁电磁锁等，各设备之间的相互独立，给温室管理员带来了极大的不便。多网融合的温室监控系统可以兼容各种网络接口的设备，对室内各种设备进行集中控制，并且具备无线网内定位功能。本系统融合通信、计算机、自动控制等技术为一体，集服务性、管理性于一体，温室管理员能够更便捷地通过手机APP控制温室内的各种设备，并掌握设备的使用状况。

1 系统总体设计

温室智能监控系统由终端设备单元、智能网关单元、系统管理单元3个部分组成。终端设备包括室内照明设备、卷帘机、加热器、智能传感器等，它们通过ZigBee、红外、433 MHz的RF接口向智能网关传送环境信息或者接收各类指令，ZigBee传感器节点同时作为室内定位的信标节点，在室内检测盲点的位置。智能网关通过Wi-Fi上传室内环境信息，解析来自APP的控制信息，向各个终端设备发送控制指令，并与室内的ZigBee传感器节点组成星形ZigBee网络，以太网接口将室内的环境信息、设备使用状态通过Internet上传到温室设备管理中心。系统管理单元包括安卓(Android)手机和室内触摸平板，它们运行的均为基于Android平台的上位机软件，用户可根据APP界面操控室内各个设备，并获得室内的环境信息，实现方便快捷的管理功能。整个系统如图1所示。

2 ZigBee指纹库定位方法及其改进

2.1 指纹库定位方法

在1个拥有多个ZigBee传感器节点的网络里，所有信标节点的位置都是已知的。盲点信息须要获取大量的已知节点和盲点与其之间的信号强度(RSSI)，并根据特定的测距公式和定位算法综合估算出盲点的实时坐标信息[4]。定位过程主要有3个部分，即测距、定位、修正。指纹库定位方法过程如下[5]：第1步是建立离线定位系统的指纹库，在定位区域内划分成若干个网格，每一个网格点在一定时间内接收几个固定信标节点的RSSI值作为该点的指纹特征。第2步为线上定位操作，采集该盲点在定位区域内接收各信标节点的RSSI值。然后将采集的实际RSSI坐标与指纹库内的RSSI坐标作对比，找到1个与指纹库最接近的定位点。

2.2 改進的指纹库定位方法

指纹库定位方法虽然在一定程度上大大地提高了定位精度，但是定位的稳定性和可靠性仍然有明显的不足。定位环节主要有2个点须要改进：首先，在室内，由于存在非视距、多重干扰，盲点接收来自信标点的RSSI值可能不准确。若想提高定位的准确性，在建立指纹库的过程中必须对每个网格点的信号作滤波处理。只有建立一个相对准确的指纹库，才可以使后期的在线定位具有可靠性。指纹库建立过程中存在多种噪声干扰， 因此在建立库的过程中加入卡尔曼滤波算法[6]

消除噪声，从而提高系统的定位精度。其次，在线定位阶段，在将测得的盲点的RSSI值与指纹库的值作对比这个过程中加入贝叶斯定位算法[7]，根据试验可得定位误差大大减少。

2.3 试验以及性能分析

笔者采用6个信标节点进行试验，分别对指纹库建立阶段进行卡尔曼滤波操作和不进行处理，以及在在线定位阶段采取贝叶斯定位算法和最邻近定位算法进行处理，试验结果(表1)表明，在指纹库建立阶段加入卡尔曼滤波算法和贝叶斯定位算法可以有效地减小定位误差，提高系统的整体定位精度。使用卡尔曼滤波和贝叶斯定位算法的平均偏差为0.32 m，而建立指纹库的过程不采取任何措施、定位方法为最邻近算法的平均偏差为1.18 m，误差极大。由此可以看出，改进的指纹库定位方法效果改善明显，具有实际的推广意义。

3 硬件设计

本系统硬件由传感器模块、ZigBee通信模块、智能网关模块、电源模块组成。传感器模块采集的环境信息包含室内温湿度、光照度、CO2浓度、土壤温湿度等。ZigBee模块分为终端节点和协调器节点2种，终端节点留有传感器接口，负责采集环境信息，并且作为信标节点检测盲点的RSSI值，协调器负责数据的汇总转发[8]。智能网关模块采用的是基于ARM的Cortex-M3内核的STM32F103VET6，搭载μCOS-Ⅱ系统，包含Wi-Fi模块、433 MHz射频发射模块、红外信号发射模块、红外接收模块、ZigBee协调器模块。电源模块分为2部分：ZigBee传感器结点模块和智能网关模块，ZigBee传感器结点模块采用USB和干电池供电2种模式，智能网关采用5～18 V电源和USB供电2种方案，USB供电均为调试备用供电。

3.1 ZigBee通信模块

ZigBee通信模块分为终端节点和协调器节点。本次ZigBee选用的是TI的CC2530F256芯片，该芯片是一个集成2.4 GHz的ZigBee射频模块和8051内核的微控制器，具备 8 kB 的RAM和256 kB的Flash，开发工具为IAR编译器[9]。ZigBee传感器节点硬件结构图如图2所示，各个模块电路有机地组成了一个整体发挥作用。CC2530作为一个集成ZigBee协议栈的微控制器，通过IIC接口采集传感器数据，并通过射频电路将信号发送给协调器。该设备同时作为信标节点，通过CC2591配合增益天线检测盲点的RSSI值，在CC2530的内核中植入定位算法，确定盲点的位置。

3.2 智能网关模块

智能网关是以基于ARM的Cortex-M3内核的STM32F103VET6为核心。该芯片的SRAM为64 kB、Flash为512 kB，拥有2个基本定时器、4个通用定时器、2路DMA(共12个通道)、3个SPI、2个IIC接口、5个串口、1个USB接口、1个CAN接口、3个12位的ADC和1个SDIO接口[10]。芯片主频可达72 MHz，指令周期为微秒级别，处理速度块。支持ST-link的在线仿真调试。芯片外设与GPU集成度高，性能稳定，因此选择此款芯片作为智能网关的MCU。

智能网关的硬件结构图如图3所示，此处的CC2530作为ZigBee协调器与STM32进行串口通信，采集ZigBee传感器节点上传的环境变量以及盲节点的信号强度。Wi-Fi射频电路采用上海汉枫电子科技有限公司的LPB100工业 Wi-Fi 通信解决方案。LPB100为一个集成的Wi-Fi模块，内部的MCU集成了TCP/IP协议，自带Wi-Fi通信固件，与STM32进行串口通信。红外驱动电路由红外接收管、红外发射管、信号放大电路等组成。根据红外通信相关协议，STM32软件编码解码并通过驱动电路收集和发送红外信息。433 MHz 的RF接口电路由集成的PT2262/PT2272编码解码电路、外部接收和发送天线电路组成。

4 软件设计

系统软件由下位机程序和上位机程序2部分组成。下位机程序主要包含ZigBee各传感器节点的程序和智能网关的程序，ZigBee各传感器节点的程序采用针对CC2530的IAR编程实现，智能网关的程序采用STM32搭载的μCOS-Ⅱ系统实现。上位机程序主要是基于Android的人机交互界面，采用Android Studio进行开发，具有良好的可迁移性和可扩展性。

4.1 ZigBee传感器节点软件设计

ZigBee传感器终端节点程序流程图如图4所示。本系统中共设置4个ZigBee传感器结点，它们承担着采集环境变量(温湿度、光照度、CO2浓度、土壤温湿度)、ZigBee组网、采集盲点RSSI、整理数据包并根据协议上传至协调器几大任务。作为终端节点在加入ZigBee网络后就进入待命状态，在待命状态下，除RSSI值获取，所有传感器停止执行采集任务，利用定时中断调用SampleApp_GetRSSI()，定时时长为500 ms，将采集到的盲点RSSI进行1次去极值均值滤波，再调用SampleApp_Kalman filter()将盲点的RSSI进行卡尔曼滤波。ZigBee传感器节点接收到智能网关指令时触发事件SampleApp_ProcessEvent，此事件中包含传感器数值读取函数、协议打包函数、串口发送缓存函数。最后调用HalUARTWrite()向智能网关上传环境变量信息、设备序列号、盲点RSSI等。在空閑时刻，为了保障各个传感器节点和信道连接稳定，须要互相发送空闲心跳包。在上传数据之前还须对节点上的各个硬件模块电路进行检测，如有故障、供电不足、传感器数据失真等故障须要上传对应的故障码给智能网关。

4.2 智能网关软件设计

智能网关软件流程图如图5所示。首先初始化系统外设接口，然后构建μCOS-Ⅱ系统，设计初始任务。初始任务中创建了各个等待任务，主要根据客户端指令执行设备控制等任务。这些任务在μCOS-Ⅱ中作为一个并行的线程执行。它们之间的信息通过信号量和邮箱互发信息，协调处理。整个过程构成了多网融合的智能网关的软件系统。

4.3 Andriod客户端软件设计

Andriod客户端为多网融合的温室监控系统的人机交互界面，如图6所示，分别为登录界面、控制模式界面、环境监测界面、定位界面。登录界面的作用为设定智能网关内部的IP和端口号，建立TCP连接;控制模式界面是针对室内的各个设备的操作界面;环境监测界面显示ZigBee传感器节点上传的环境信息;定位界面是显示室内盲点的坐标信息。

5 系统测试

5.1 APP控制指令下发测试

本次测试选取的地点是天津工业大学电气工程与自动化学院植物照明实验室，以此来模拟温室大棚的环境。在APP与智能网关建立连接的情况下，分别测试加热器指令(红外)、电灯指令(433 MHz的RF)、卷帘机指令(红外)、任意2种组合指令、3种组合指令10、40、100、200、500次，计算指令码失效的次数，其中失效率为失效次数占测试次数的百分比。对于相同的红外指令来看，加热器指令的失效率比卷帘机的失效率要高，因为加热器红外感应的位置距离智能网关较远。相比之下，电灯的失效率要低一些。组合指令的失效率也明显高于单个指令的失效率，可能的原因为组合指令之间互相有干扰。

5.2 ZigBee组网通信测试

多网融合的智能网关布置在室内的中央，4个ZigBee传感器节点布置在室内的4个角落，如图7所示，主要测试不同设备在不同距离的丢包率和误包率，测试结果如表2所示。随着距离的增加，同一设备的丢包率和误包率均有所增加，ZigBee网络趋向于不稳定，但总体上满足温室大棚的应用需求。

5.3 ZigBee定位精度测试

本次测试选取的环境为实验室内1个6 m×6 m的空间，该空间放置长桌， 4个拐角为4个ZigBee传感器节点。空间划分为10×10的网格，每个网格间距0.6 m，在网格点放置ZigBee路由器，即盲点，在100个网格点中采样50个网格点进行测试。定位的坐标以及实际位置分布图如图8所示。小星星点为定位坐标，黑色的小线段为定位坐标与实际网格点的误差距离。经计算，选取的50个网格点的平均定位距离为0.28 m。因此可以判定该系统的定位精度为0.30 m。

6 结语

本研究立足于温室大棚的应用环境，不仅利用了多种无线网络和有线网络融合的技术，将温室内常用的设备集中管理，还将ZigBee网络和传感器技术结合，设计了具备室内定位和采集环境信息双重功能的ZigBee节点，与智能网关结合共同构成了无线温室智能监控系统。经过大量测试证明，该系统丢包率低、稳定性高，具有一定的使用价值，为未来温室的建设提供了理论依据。

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作者：牛萍娟 程峥 田海涛