引 言

伴隨著時代的發(fā)展，人們對于生活質量要求更高，反季節(jié)水果和蔬菜受到人們的歡迎。在上世紀 80 年代，很多農村開始興起溫室大棚，一直到現在，很多的溫室大棚依然是人工管理的耕作模式，人們自己搭建和管理，這種方式耗費了大量的人力和財力，并且受到一些規(guī)模的限制，對此農業(yè)現代化應運而生。人們能夠通過在溫室大棚中使用傳感器來實時的監(jiān)測大棚環(huán)境，再用ZigBee 模塊搭建網絡環(huán)境，自組網以后，能通過 ZigBee 模塊做為協(xié)調器來發(fā)送數據到PC 機上， 在PC 機上實現數據的處理和反饋。

外部的自然環(huán)境對農作物的影響很大，溫室的內部溫度、空氣中的濕度、太陽的光照強度和溫室內的二氧化碳濃度等都能影響作物的生長時間和產量。在溫室控制領域，室溫控制、二氧化碳濃度的控制、水肥控制、通風控制、灌溉控制以及光照補償控制等都有很高的自動化管理。

在最近的幾十年，我國也在強調自動化管理的研究和應用，通過對于發(fā)達國家技術的借鑒和自主創(chuàng)新，我們國家的自動化管理和監(jiān)控技術有了很大的提高。但是在高海拔地區(qū)自動化管理的應用受到了限制，為了能更好服務于西藏地區(qū)，自動化技術的普及是很有必要的。

1 硬件設計

1.1 無線傳感器的應用

無線傳感器的發(fā)展是迅速的，在很多領域都能搜尋到它們的蹤跡，如環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)生產等[1]。傳感器能夠感應到周圍環(huán)境的參數，并且能夠處理這些參數，把數據傳輸出去。傳感器的體型很小，并且很節(jié)能，能很好的跟無線技術結合。

無線傳感器網絡在溫室大棚的環(huán)境調整中得到實際的應用，PC 機能夠實時的監(jiān)測數據，并且能處理和反饋這些數據， 用戶能很好的監(jiān)控溫室環(huán)境，圖 1 所示是一個無線傳感器網絡示意圖。

本課題采用TI 公司生產的 cc2430 做為ZigBee 芯片[2]， 芯片包含了Z-Stack 和其它協(xié)議的所有規(guī)則，擁有協(xié)議棧。所有節(jié)點分為傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點兩種。

1.2 分簇設計方法

通過分簇法把環(huán)境分為三個區(qū)域 ：熱帶區(qū)，寒帶區(qū)和溫帶區(qū)。熱帶區(qū)主要是南方的一些水果和蔬菜，或者其它作物， 這個區(qū)域的環(huán)境是要求光照強，空氣濕潤 ；寒帶區(qū)主要是北方的一些作物，這個區(qū)域的環(huán)境要求溫度要保持在一定的范圍，而且空氣比較干燥，CO2 濃度低 ；溫帶區(qū)主要是中部的一些作物的生長，需要根據作物不同的季節(jié)，來合理的調節(jié)一些標準，使得作物能正常的生長。

分簇法是讓不同區(qū)域的作物分配到不同是溫室中，在每個區(qū)域都有一個ZigBee 協(xié)調器來傳輸數據，在主機界面上會有每個區(qū)域的管理平臺和數據處理機制，這樣能很好的監(jiān)控作物的生長。圖 2 所示為分簇法的總體設計圖。

2 采集終端的設計

采集終端可使整個監(jiān)測系統(tǒng)保證數據的正常傳輸，體現了監(jiān)測功能的正常工作。采集方式是通過無線傳感器節(jié)點來完成。傳感器芯片的選擇很重要，既要做到功耗低，價格便宜，也要在意采集數據的精準度和一些其他因素。寒帶區(qū)的傳感器選擇溫度主要是－ 30℃～ 45℃之間變化，而熱帶區(qū)是－ 10℃～ 80℃之間變化，溫帶區(qū)是－ 20℃～ 60℃之間變化。

采集模型的終端是溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照強度傳感器采集的數據進行A/D 轉換，把模擬信號轉換成數字信號，單片機控制數據的轉換，數字信號通過無線發(fā)送模塊傳遞給PC 機。

傳感器的選擇，溫度是影響作物生長的重要因素，根據不同的環(huán)境可以選擇不同的傳感器，我們選擇 AD590 作為溫度傳感器，AD590 能夠容忍加載正向最大 44 V 的電壓，反向 20 V 的最大電壓，傳感器不容易因電壓的過大而損壞 [3]。AD590 不需要精密電壓放大器、線性化電路、電阻測量電路和冷結補償，還不容易受到外界的干擾、傳輸較遠的距離進行測量溫度。

濕度與作物的生長也息息相關，電阻式濕度傳感器，它的上面有一層感濕材料薄膜，它會吸附空氣中的水分，從而影響電阻值發(fā)生變化，空氣的濕度可以通過電阻的變化而體現出來。電容式傳感器是采用一種高分子薄膜。隨著空氣中水分的變化，吸附在濕敏電容表面的高分子材料上的水蒸汽含量會發(fā)生變化，從而使得電容值改變，進而體現空氣濕度的變化 [4]。

CO2 存在于空氣中，對于一個密封的溫室環(huán)境，作物不斷進行光合作用，使得二氧化碳的濃度和室外有很大的差別。理想的二氧化碳濃度能夠促進幼苗根系的生長，增強作物的生命力和增加產量。透過CO2濃度檢測值的吸收光譜的處理產生的值來轉換成對應的電信號，數字濾波，經過放大電路后， 最后發(fā)送到單片機，經溫度補償以后，由單片機系統(tǒng)傳遞出去。

光照是光合作用的條件，因此，對作物的生長也很重要。光照傳感器采用高端光電轉換模塊，把光照強度值轉換為電壓值（0 ～2 V）或者電流值（4 ～20 mA）。

采集完以上四種數據以后，進行模擬信號到數字信號的轉變，發(fā)送到單片機。

3 測試結果分析

在終端數據采集的測試中，精準性是最重要的，就是說遠程接收的數據和現場數據的誤差，本設計中監(jiān)測四個參數： 溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度。每個參數用 3 個區(qū)域為選定對象，每個區(qū)域放置兩個傳感器，每個傳感器發(fā)送兩次數據，間隔時間為一個小時。其測試結果如表 1 所列。

精度靈敏的數字溫度計按照相同的分布和同樣的時間給出的實測值如表 2 所列。

通過比較得知其誤差范圍在5% 以內，是允許的誤差范圍， 這里只舉出溫度的數據表格，其他參數也是誤差在 5% 以內， 符合要求。

4 結 語

本文通過在高海拔地區(qū)溫室大棚的實際應用，解決了西藏地區(qū)一直以來不能吃到新鮮蔬菜和水果的問題，使得西藏地區(qū)的物價水平有了一定的降低，方便了本地人們的生活。希望下一步能夠很好的普及在西藏地區(qū)，讓更多的人得到實惠。