摘 要： 針對智慧農業溫室環境參數采集與控制的自動化程度低的問題，設計了基于ZigBee標準的溫室環境控制儀表。該儀表以單片機為控制中心，CC2420射頻芯片作為無線傳輸模塊，實現了溫室環境參數的自動調控功能。重點介紹了儀表的總體方案、硬件電路和軟件設計，并做了實驗測試。實驗結果表明，該儀表能夠實時地進行溫室環境的檢測和控制，且具有低成本、高可靠性等特性。

　　關鍵詞： 智慧農業；溫室；控制儀表；ZigBee；單片機

0引言

　　智慧農業是指集成應用計算機與網絡技術、物聯網技術、音視頻技術、3S技術、無線通信技術及專家智慧與知識，實現農業可視化遠程診斷、遠程控制、災變預警等智能管理[1]。發展智慧農業，可以有效提高作物產量，節省時間和資源，最大限度地減少不必要的人力、財力。

　　要實現高水平的溫室生產，溫室生物環境調控是關鍵。本文設計的基于ZigBee標準的溫室環境控制儀表[2]，不僅能實時地實現溫室環境參數采集，還能有效地實現溫室環境的自動調控、儀表的無線傳輸功能，為智慧農業的實施奠定了基礎。

1 儀表總體方案設計

　　溫室環境的主要控制對象為溫室內的空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照度，執行機構有加熱系統、噴淋系統、排風扇、CO2發生系統、補光系統、遮陽網。溫室環境控制儀的總體結構框圖如圖1所示。

　　控制中心采用SM79108單片機，由溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器等完成對溫室環境參數的采集，并根據內置算法進行數據處理、輸出控制等。溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器作為一組傳感器，一個控制器最多可以帶32組，依據溫室的規模、結構等因素決定一個溫室內安放多少組傳感器。

2 儀表硬件電路設計

　　儀表的硬件設計主要分為單片機鍵盤顯示及存儲電路、傳感器接口電路設計、無線通信電路設計和執行機構驅動電路設計四大部分。

　　2.1 單片機鍵盤顯示及存儲電路設計

　　儀表的處理器采用低價格、低功耗、具有精簡指令的8位SM79108單片機，3.3/5 V工作電壓。它內含8 KB的閃存和256 B的片內RAM，內置4通道8位ADC轉換，并帶有看門狗定時器，能夠實現全雙工串行通信，兼容51系列單片機。SM79108的液晶顯示、鍵盤電路和外部存儲器電路設計如圖2所示。

　　鍵盤電路采用獨立鍵盤的方式，用于實現參數閾值的預設和執行機構的手動控制。顯示電路采用內置ST7920P驅動的128×64點陣型液晶顯示屏OCM12864-9，用于顯示系統采集到的當前溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等參數。外部存儲器采用4 KB的E2PROM存儲芯片25C040，通過SPI接口與單片機相連，用于系統掉電保護。

　　2.2 傳感器接口電路設計

　　空氣溫度、濕度的采集選用溫濕度一體的傳感器SHT10，它可對溫度及相對濕度值進行全校準，且具有數字輸出接口。技術指標：工作電壓：2.4 V~5.5 V；溫度測量范圍：-40℃～+123.8℃，精度：±0.5℃；濕度測量范圍：0～100%RH，精度：±4.5%RH。

　　CO2濃度的采集選用紅外二氧化碳傳感器B-530，它利用單波非色散紅外原理（NDIR）對空氣中的CO2進行檢測。技術指標：測量功率電感器生產廠范圍為0~10 000 ppm，檢測精度為±5%，使用壽命長達10年。

　　SHT10、B-530均通過I2C串行接口與單片機連接，接口電路如圖3（a）所示。

　　光照度的采集選用TI公司的TSL230B可編程光—頻率轉換器，它將光輻照度信號轉換為相應的脈沖頻率。TSL230B與單片機的連接電路如圖3（b）所示。S0、S1為靈敏度控制端，S2、S3為滿量程選擇端，OUT為頻率信號輸出，進入單片機的捕獲輸入，通過計算兩次捕獲時間內計數器的數值差，計算出輸出頻率，對照TSL230B的頻率-能量關系曲線圖，得到光照強度。

　　2.3 無線通信電路設計

　　根據安裝和通信距離要求，采用低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信ZigBee技術[3]。通信模塊采用CC2430射頻芯片[4]。 大功率電感廠家 |大電流電感工廠