模糊控制在ZigBee物联网智慧农业大棚中的应用

龚瑞昆 田野

摘  要： 该文重点利用ZigBee技术设计一整套智慧农业大棚智能系统，通过各类传感器节点采集的信息加以传输，以及多设备之间的数据交互传递，实现了农作物与互联网的对接。把农作物的生长信息以及环境信息等数据通过网络传递给智能农业大棚应用服务平台，能够使用户端实时获取大棚内生长作物的准确信息，并通过科学的分析来预测、预防病虫害的发生。大棚农作物生长过程中存在的多种模糊性环境参数之间的耦合，会对农作物的生长造成无法预测的影响。因此该文还着重研究了基于Mamdani模糊控制理论的控制系统，通过分析大棚内各种参数后得出控制策略，以保证农作物优良生长，实现农业大棚精准化、数字化的管理。

关键词： 智慧农业大棚; 模糊控制; ZigBee技术; 远程通信; 系统设计; 数据分析

中图分类号： TN790?34                            文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）08?0093?04

Application of fuzzy control in ZigBee IoT intelligent agricultural greenhouse

GONG Ruikun， TIAN Ye

（North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China）

Abstract： A whole set of intelligent system of intelligent agricultural greenhouse is designed by using ZigBee technology， with which the information collected by various sensor nodes is transmitted， and the data is transmitted among multiple devices interactively， so as to realize the docking between crops and the Internet. The crop growth information， environmental information and other data are transmitted to the application service platform of the intelligent agricultural greenhouse through network， which can enable the user side to obtain the accurate information of the growing crops in the greenhouse in real time， and predict and prevent the occurrence of diseases and pests by means of the scientific analysis. The coupling of a variety of fuzzy environmental parameters in the growing process of greenhouse crops could cause unpredictable effects on the growth of crops. Therefore， the control system based on the Mamdani fuzzy control theory is also studied emphatically， and the control strategy is obtained by analyzing various parameters in the greenhouses， so as to ensure the excellent growth of crops and realize the precision and digitization management of the agricultural greenhouses.

Keywords： intelligent agricultural greenhouse; fuzzy control; ZigBee technology; remote communication; system design; data analysis

0  引  言

智慧農业打破传统农业的壁垒，成为新型的农业一体化发展模式，棚内的季节调节作用使得农作物不再受时间和空间的制约，使农业向着更加智慧、更加精准的方向发展，具有更重要的现实意义，为农产品全年无间隔收获提供了可能[1]。本文以传感器、ZigBee数据传输通信网络、监控系统、数据处理终端等作为基础搭建物联网技术平台来实现农作物与互联网的对接，同时运用Mamdani模糊控制方法设计一套完整、智能、信息精准化的现代农业大棚。利用大棚中的传感器节点把农作物的生长信息以及环境信息等数据通过网络传递给大棚应用服务端，能够保证用户实时获取大棚内生长作物的生长信息，对突发的环境异常、病虫害等状况进行报警，通知用户终端做好预防病虫灾害等相关工作，实现大棚的智能化管理[2]。

1  ZigBee技术

1.1  ZigBee协议结构

ZigBee无线网络体系的协议结构是在IEEE 802.15.4规定的MAC层与PHY层的基础上，将其扩展到整个通信协议至网络层与应用层。该体系最初基于IEEE 802.15.4定义的NWK层和MAC层，后来ZigBee 联盟又定义了NWK层、APL层以及安全服务部分。PHY层负责发送和接收数据，提供无线物理传输介质的接口，同时向上层MAC提供接口;MAC层实现节点之间的通信，避免通信冲突，实现通信的高效机制;NWK层负责设备之间的连接和断开，创建新的网络，给节点分配地址;APL层负责设备之间数据的传输并维护绑定数据，在网络设备中建立安全机制[3]。

1.2  ZigBee特点

ZigBee是一种低功耗、低成本、高可靠的无线数据通信网络，与GSM和CDMA协议通信系统类似，传输模块等同于移动网络基站，并且网络通信距离从最开始规定的几十米可以扩展到几百米甚至几千米，能够实现农业大棚短距离区间的无线通信。

2  系统设计

2.1  智慧大棚整体架构

完整的ZigBee智慧大棚通信系统可以分成三个层面：感知层、网络层、应用层。

1） 感知层。大棚内空气温湿度、光照强度、[CO2]浓度、土壤温湿度等植物生长环境参数主要由分布在大棚内的传感器来获取，实时获取感知信息并组成数据采集网，将农作物生长环境中的数据输送至ZigBee协调器上。

2） 网络层。ZigBee协调器会创建新的网络，协调器（也充当路由器）再将各种传感器感知得到的信息和监视视频等数据信息通过内置的协议栈以及ZigBee网络的无线技术上传到网关，并保存到数据库中等待预处理。

3） 应用层。主要负责对上传并储存的各种数据进行分析处理、展示与应用，将信息提供给用户研究，通过Android手机、PC平板电脑等设备实现与用户的交互[4]。

大棚系统从整体上分为5个模块，系统整体结构如图2所示。

1） 数据采集模块。获取空气环境参数和土壤参数等信息，由终端节点负责获取，主要通过传感器节点的采集功能实现。

2） 数据传输自动预警提示模块。该模块是由协调器将数据发送到网络服务器并保存到MySQL数据库中，告警以短信、声光媒体、Web网页端显示异常等形式通知客户端与专家控制平台。

3） 视频监控处理模块。主要由ZigBee嵌入式网关与视频摄像头实现对蔬菜温室环境的远程监控。

4） 现场控制模块。利用Visual Studio集成开发软件用Java语言编写了一个监控界面，由工作人员在Android手机或PC电脑上完成对遮阳板、卷帘门、喷雾机等继电终端的控制。

5） 智能灌溉、水肥一体化模块。其主要由施肥、灌溉等继电控制类设备完成控制。

2.2  系统功能结构设计

2.2.1  下位机软硬件设计

1） 硬件部分

终端节点：负责采集棚内农作物数据信息，主要由CC2530中央处理器、通信、传感器和电源控制等四个模块构成。对传感器模块的设计以[CO2]传感器节点为例详细阐述选择过程：选取MG811型传感器采集[CO2]浓度，MG811型传感器使[CO2]浓度受温湿度的变化影响较小，具有良好的稳定性和灵敏度。[CO2]浓度采集节点电路图如图3所示，节点核心管控模块采用TI公司研发的CC2530芯片，该芯片包括了射频端同时联合了电源与复位端电路，将传感器与核心模块CC2530芯片在DOUT与AOUT数字引脚与模拟信号引脚上相连，当传感器模块读取信号后经过一系列数据分析和转化后，便获得[CO2]浓度参数[5]。

图4为棚内在温度为27 ℃，相对湿度为70%RH，氧气浓度为20%时EMP与[CO2]浓度关系的仿真，EMP为输出电势差，代表了传感器敏感电极和实际参考电极之间的差距，EMP符合能斯特方程：

式中：[EC]为常量;[P（CO2）]为[CO2]分压;R为气体常量;T为绝对温度;F为法拉第常量。

由图4可以得出[CO2]浓度与EMP之间的关系，即[CO2]浓度越低，EMP越高。一般空气中[CO2]浓度为350～380 ppm。为了得到更加精确的值，图3电路原理图中的tCOM引脚还对MG811进行温度补偿输出[6]。

协调器节点：创建网络，向下与多个同区域终端通信，实现和满足同路由节点的通信功能。本系统设计的协调器硬件核心部分主要为CC2530芯片，同時将电源接口、有线通信模块和无线通信模块进行联合。

路由节点：可以由协调器节点实现路由功能，其功能构成类似都属于FFD型节点。图5为终端节点程序流程图。

2） 软件部分

下位机的软件设计主要为系统的ZigBee软件开发，运用支持Java语言编程的IAR Embedded Workbench 开发平台，实现对ZigBee软件的开发。其包括对终端节点、协调器与路由器节点的开发过程，采用Java编程语言，同时对TI公司发布的Z?Stack协议栈进行相应的移植操作[7?8]。

2.2.2  上位机软硬件设计

1） 硬件部分

上位机的硬件设计是用户端在Android智能手机、PC上可以直接安装的应用APP。本系统设计开发的APP应用软件主要功能分为大棚实时数据在线检测、远程控制以及数据管理三大模块。系统实时测控部分主要是对传感器数据的检测;远程控制部分主要是对卷帘门、遮阳板、喷雾机、人工光源等继电设备的控制;数据管理主要是对农作物生长的数据进行实时显示、查询。遇到触发报警情况可以通过操作APP及时控制相关设备状态，实现对大棚环境参数的远程在线控制。