2021-4-9 | 无线通信论文
作者：田芳明 衣淑娟 谭峰 王晓亮 闫丽 刘英楠 单位：黑龙江八一农垦大学信息技术学院
1系统主要功能与构成
1.1主要功能本系统实现了水稻育秧大棚的环境条件监测与控制，根据育秧整个过程的农艺要求，系统具有以下功能：（1）育秧棚内环境参数实时采集：针对水稻育秧的整个生长周期进行环境检测，主要检测参数包括土壤温度、土壤水分、空气温湿度、光照强度、CO2浓度和pH值等，棚内的参数将实时显示在下位机液晶屏上，可随时观察数据，通过调控确保其生长在最佳的环境中[4]。（2）育秧棚灌溉及通风自动控制：系统通过对采集的土壤温度、土壤水分、空气温湿度等参数进行分析，依据农艺参数进行智能决策，实现对微喷与卷帘开关的自动控制。在下位机亦可通过按键进行手动操作，具有现场操作灵活等特点。（3）上位机实时监控：以Delphi作为开发语言，在此平台上开发了群体水稻秧棚监控系统，该系统能直观地显示各育秧棚内的环境变化。同时使用SQL2000数据库功能，对采集到数据进行存储，能够显示历史数据，对比每天监测的数据，能够导出Excel文件。该系统以一种统一的、直观的图形化界面，使操作人员能方便地运用鼠标和键盘进行操作，使得本系统在试验与推广时显得方便、灵活。
1.2系统构成该系统利用电子技术、计算机技术、无线通信技术实现了水稻育秧大棚生长环境的智能控制，系统中采用“监控中心-秧棚采集控制器”架构进行构建（图1）。监控中心位于监控室中，通过无线方式实时采集各秧棚中继器处理的各环境参数及卷帘、微喷的状态信息，发送各种命令到中继器，实现育秧期调节、时间调节、卷帘及微喷开关操作等。秧棚采集控制器位于育秧棚中，采用msp430f149作为控制器核心部件，与传感节点采用有线方式连接，与监控中心采用无线方式通信，无线模块采用微功耗模块SM51实现通信。
2系统硬件设计
系统硬件主要由以msp430f149为核心的控制器、传感器采集模块、卷帘通风及微喷灌溉控制电路、无线通信接口电路4部分组成（图2）[5]。
2.1微控制器选型及可靠复位电路设计经过比较，选择了TI公司生产的MSP430F149作为微控制器[6]，该产品具有低功耗、高可靠性、内嵌A/D接口等优点，在工业现场使用较多，该芯片为3.3V供电，系统配备电源为5V，故采用TPS76033实现5~3.3V的转换。由于该芯片的复位门槛较高，为了提高系统的可靠性，在复位电路中采用专用复位芯片实现其复位功能，复位芯片采用MAX809S。
2.2传感器与处理模块设计针对育秧棚现场的农艺需求，对棚内的多点空气温湿度、多点土壤水分、多层土壤温度、CO2浓度、土壤pH值、光照强度等参数进行实时采集，根据系统的工作环境及低功耗的需求，采用了集成传感器实现采集功能。使用的传感器分为两类：一类为模拟类传感器，输出为4~20ma信号，如土壤水分传感器DBT-1、PH值传感器选择了GS650、CO2传感器NDIR等，该类传感器在与微控制器接口时采用电阻-电压转换，系统采用100Ω精密电阻实现，转换后的电压信号输入MSP430F149的具有A/D转换功能的I/O中[7]，进一步处理后将采集数据显示在液晶屏中。第二类为数字输出传感器，该类传感器输出为数字信号，如温湿度传感器为DB111-10、土壤温度传感器采用DS18B20、光照传感器HS2303[8]，此类传感器便于与控制器连接，但多数传输距离有限，易受干扰，故系统中采用磁隔离电路提高系统的抗干扰性能，磁隔离芯片为ADI公司的ADUM1250，该隔离芯片具有体积小、功耗低、使用灵活、集成度高等特点。
2.3系统控制模块设计系统具有手动控制与自动控制两种方式，手动控制在秧棚采集控制器处利用按键实现，自动控制需要上位机进行设定，需要操作时，通过上位机自动发送控制指令。无论哪种方式，都需要秧棚采集控制器输出控制信号，用以启动或关闭电磁阀、卷帘器。其核心部件是光耦隔离器和继电器。该单元的硬件电路框图如图3所示。控制信号经过光耦隔离器后输出一个大于100mA的电流，该电流可以驱动继电器工作，控制电磁阀的开闭。在控制器和继电器之间加一个光耦隔离器，大大减少了继电器开关产生的冲击对控制器造成的干扰，提高了控制器工作的可靠性。同时，继电器的线圈两端并接了一个二极管续流，进一步地减少继电器开关产生的冲击，提高了系统的可靠性[9-10]。
2.4通信模块设计系统采用无线方式与智能监控中心通信，无线模块采用SM51，该模块为微功耗50mW，可靠传输离距离大于1200m，与微控制器的串口连接，采用232通信方式。微控制器将采集的环境参数数据和电磁阀、卷帘器的状态信息发送给无线模块，无线模块接受到相应的信息，依据与智能监控中心的协议发送到监控中心连接的无线模块，实现数据的上传，同时，监控中心亦会向下位机发送控制指令，秧棚采集控制器收到指令后进行解析，执行相应的操作[11-12]。
3系统软件设计
3.1上位机监控软件设计智能监控中心的监控系统以Delphi作为开发语言，在此平台上开发了群体水稻秧棚监控系统，该系统能直观的显示各育秧棚内的环境变化。并使用SQL2000数据库功能，对采集到数据进行存储，能够显示历史数据，对比每天监测的数据，能够导出Excel文件。该系统以一种统一的、直观的图形化界面使得操作人员能方便地运用鼠标和键盘进行操作，使得本系统在试验与推广时显得更加方便、灵活，系统查询功能如图4所示。
3.2系统运行验证在10栋育秧大棚中选择1栋作为示范棚，布局13个传感器，另外9栋为标准棚，布局4个传感器，针对育秧棚中的空气温湿度、土壤水分、土壤温度、CO2浓度、土壤pH值、光照强度等参数进行实时采集，黑龙江八五九农场科技园区系统运行期的监控界面见图5。
4结语
针对目前育秧棚监控现状的不足，提出智能育秧群棚监控系统的设计，该系统利用电子技术、C语言程序设计技术实现了水稻育秧棚内环境参数的实时采集，具有声光报警、自动开关通风卷帘、微喷浇灌、数据上传等功能；应用无线通信技术，实现了数据的远程传输，解决了铺设线路难等问题；利用计算机技术实现了数据的日常管理、权限管理、远程监控等功能。该系统为实现水稻工厂化育秧提供了理论依据和技术支持，并且设计的系统经实验室调试、育秧棚现场安装投入实际应用，如在黑龙江省八五九农场科技园区的10栋育秧棚内运行整个育秧周期，结果表明系统性能优良、操作方便、可满足农场目前实际需求，不仅实现了育秧棚环境的智能控制，系统存储的大量数据还为农场决策提供了数据支持，具有广阔的发展前景。