盛凱 于會(huì)山

摘要：分析了目前我國(guó)溫室大的棚發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)傳統(tǒng)溫室大棚監(jiān)控的不足，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用ZigBee無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)解決了傳感器之間繁瑣的布線問(wèn)題，通過(guò)無(wú)線傳送把溫室大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度和光照度數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，能讓工作人員第一時(shí)間了解溫室大棚的情況，以便及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：CC2530；ZigBee;無(wú)線監(jiān)測(cè)；溫室大棚農(nóng)業(yè)溫室大棚作為重要的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大作用。目前傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測(cè)，多采取分時(shí)、分區(qū)取樣的人工方法，由于溫室大棚面積大，檢測(cè)目標(biāo)比較分散，導(dǎo)致工作量大，可靠性差；有線型布線方式，這類(lèi)布線方式存在安裝困難，而且存在后期升級(jí)難度大，重復(fù)利用度低等多種問(wèn)題。溫室大棚內(nèi)的農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中需要的環(huán)境因子很多，適宜的溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及CO2濃度是農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等數(shù)據(jù)，從而對(duì)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行及時(shí)控制，有效地控制大棚內(nèi)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中需要的水分、通風(fēng)以及溫度等，使溫室大棚內(nèi)的環(huán)境條件能夠適宜作物的生長(zhǎng)。該系統(tǒng)以ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)結(jié)合遠(yuǎn)程訪問(wèn)應(yīng)用程序，對(duì)溫室大棚進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制。

1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成，分別是數(shù)據(jù)采集部分，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分和監(jiān)測(cè)部分。數(shù)據(jù)采集由空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2傳感器和光照度傳感器組成。無(wú)線傳輸部分包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)連接各種傳感器，用來(lái)采集接收數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和接收到數(shù)據(jù)以后，利用UART串口，將數(shù)據(jù)傳遞給中央計(jì)算機(jī)。監(jiān)測(cè)部分的界面采用LabVIEW編寫(xiě)，用來(lái)處理和顯示接收到的數(shù)據(jù)信息。在整套系統(tǒng)中，由溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器和光照度傳感器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集后，由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器上，最終協(xié)調(diào)器把數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)奖O(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上，并在監(jiān)控界面顯示出來(lái)。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊

要監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)環(huán)境因子數(shù)據(jù)，需通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)。傳感器是一種檢測(cè)裝置，它能夠?qū)z測(cè)到的信息通過(guò)一系列有規(guī)律的變化成為電信號(hào)或其他所需的信號(hào)，因此可以滿足人們對(duì)信息進(jìn)行傳輸、儲(chǔ)存、顯示等要求。在溫室大棚的應(yīng)用上，由于需要采集溫度、濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度四種環(huán)境因子的數(shù)據(jù)，因此傳感器的環(huán)境適應(yīng)性目標(biāo)有以下三點(diǎn)：(1)工作時(shí)溫度范圍在-20-60℃；(2)濕度5%~95%，非凝結(jié)；(3)傳感器防護(hù)等級(jí)IP65以上。

2.1.1 空氣溫濕度傳感器模塊

溫度是提供作物生長(zhǎng)的最基本的要素，通過(guò)影響酶的活性來(lái)可以影響作物的各種生理性活動(dòng)，對(duì)作物生理性改變有著很重要的影響。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字式溫度傳感器，無(wú)需校準(zhǔn)和標(biāo)定。DHT 11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)以及溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品非常可靠和具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電阻式感濕元件；并和一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接己因此該產(chǎn)晶具有超快響應(yīng)、品質(zhì)卓越、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比超高等一些優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 土壤濕度傳感器模塊

土壤的濕度直接決定著農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中的水分供應(yīng)狀況。土壤濕度超過(guò)正常范圍，作物的光合作用不能正常進(jìn)行，農(nóng)作物根系呼吸、生長(zhǎng)基本活動(dòng)受到阻礙，作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降。本系統(tǒng)采用HS1101解決濕度測(cè)量方案。

2.1.3 CO2傳感器模塊

大氣中CO2濃度一般為300-330mg/L，在冬春設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，為了大棚的保溫，溫室大棚會(huì)缺少氣體交換，中午的CO2濃度會(huì)下降，甚至低于補(bǔ)償點(diǎn)，二氧化碳處于虧損狀態(tài)。在每畝(1300立方米)的標(biāo)準(zhǔn)大棚里二氧化碳濃度達(dá)到900mg/L，可以達(dá)到大棚蔬菜的需求。市場(chǎng)上常用的氣體傳感器主要分為半導(dǎo)體式傳感器、紅外線吸收式傳感器等。紅外線吸收式傳感器一般具有靈敏度高、控制范圍大、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，價(jià)格相對(duì)有點(diǎn)貴?？紤]到溫室大棚的環(huán)境因素，最終選擇了測(cè)量精度高、技術(shù)成熟的二氧化碳?xì)怏w濃度傳感器60040。

2.1.4 光照度傳感器模塊

在溫室大棚的光照調(diào)控主要是增加光照強(qiáng)度，一般大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度下降到1000勒克斯時(shí)，就應(yīng)該補(bǔ)光。根據(jù)溫室內(nèi)作物對(duì)光照強(qiáng)度的要求，光照度傳感器型號(hào)為GY-30，采用的是先進(jìn)的電路模塊開(kāi)發(fā)變送器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的光照強(qiáng)度的測(cè)量，其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的電壓及其電流信號(hào)，具有體積小、安裝方便、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)和量程可調(diào)的特點(diǎn)，廣泛用于環(huán)境、養(yǎng)殖、溫室和建筑等的光照強(qiáng)度測(cè)量。

2.2 無(wú)線傳輸模塊

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成以后，就要利用無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)。ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組成。終端節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集源，實(shí)現(xiàn)加入、退出網(wǎng)絡(luò)的功能；協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和數(shù)據(jù)配置。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種類(lèi)型，分別是星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。這里我們采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星型網(wǎng)絡(luò)相比于樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)而言，僅需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與組網(wǎng)，其他設(shè)備都是子設(shè)備，降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，節(jié)約了成本;從供電角度上說(shuō)，在星型網(wǎng)絡(luò)中僅需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，使用持續(xù)的電力供電，而其它的設(shè)備均采用電池供電，節(jié)約了大量電資源;星型網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比其網(wǎng)絡(luò)組建相對(duì)要更加的簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。

ZigBee技術(shù)中定義了2種類(lèi)型物理設(shè)備:精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)、全功能設(shè)備( FFD)。FFD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸，通常擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來(lái)組建網(wǎng)絡(luò)，又稱(chēng)為匯聚節(jié)點(diǎn)。RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息，作為終端節(jié)點(diǎn)用于采集數(shù)據(jù)。

市場(chǎng)上符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片有很多種，考慮到設(shè)計(jì)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的價(jià)格和特點(diǎn)，選用的是CC2530芯片。它是一款用于用2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。

3軟件設(shè)計(jì)

在軟件方面，采用IAR Embedded Workbench集成開(kāi)發(fā)工具作為CC2530的編程工具。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在硬件的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)到相應(yīng)的設(shè)備和上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)等功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)按照實(shí)現(xiàn)功能的不同可以劃分為終端設(shè)備數(shù)據(jù)采集、協(xié)調(diào)器設(shè)備數(shù)據(jù)管理和上位機(jī)顯示軟件設(shè)計(jì)3大部分。

終端節(jié)點(diǎn)程序流程框圖如圖4所示。數(shù)據(jù)終端采集節(jié)點(diǎn)，主要是負(fù)責(zé)與溫度傳感器等多個(gè)傳感器協(xié)同工作，將經(jīng)由傳感器采集到的溫度、濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器主程序首先是初始化內(nèi)部設(shè)備和外部設(shè)備，然后進(jìn)入循環(huán)程序，等待數(shù)據(jù)的到來(lái)，圖5為協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)軟件流程圖。

運(yùn)行在PC端的上位機(jī)軟件使用的是LabVIEW軟件編寫(xiě)而成。通過(guò)PC串口，程序接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的一串?dāng)?shù)據(jù)包之后，讀取串口數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示在界面上，從而用戶可以對(duì)溫室大棚進(jìn)行全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)克服了有限傳感器網(wǎng)絡(luò)的局限性，具有低成本、低功耗的特點(diǎn)。利用傳感器和無(wú)線傳輸技術(shù)相互結(jié)合，操作方便實(shí)用，系統(tǒng)價(jià)格低廉，技術(shù)成熟，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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