余 歡，王運(yùn)圣，徐識溥，劉 勇，黃攀攀

（1上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣學(xué)院，上海201418；2上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)工程與技術(shù)研究中心，上海201403；3上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息所，上海201403；4上海海洋大學(xué)，上海201313）

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基于ZigBee技術(shù)的葡萄溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

余 歡1，2，王運(yùn)圣2，3*，徐識溥2，3，劉 勇2，3，黃攀攀2，4

（1上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣學(xué)院，上海201418；2上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)工程與技術(shù)研究中心，上海201403；3上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息所，上海201403；4上海海洋大學(xué)，上海201313）

摘 要：為解決現(xiàn)有溫室有線監(jiān)控設(shè)施不便于現(xiàn)場布線和設(shè)備維護(hù)的問題，以上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗站的葡萄溫室為實驗基地，采用TI公司的CC2530芯片，開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)的葡萄溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對葡萄溫室光照強(qiáng)度、空氣溫濕度等環(huán)境信息的實時采集。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具有易安裝、易拆卸、開發(fā)成本低、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；溫室；數(shù)據(jù)采集；ZigBee；葡萄栽培

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，溫室可以給作物提供一個全年都能正常生長的環(huán)境，避免作物受到惡劣氣候的影響，還能有效控制農(nóng)藥和肥料的使用量，降低對環(huán)境的污染［1］；因此，如何監(jiān)測和控制溫室的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等各項環(huán)境參數(shù)，對于提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和維持低碳環(huán)保的生產(chǎn)方式具有非常重要意義。

目前，很多葡萄溫室全靠人工管理，這需要消耗大量的時間和勞動力。有一部分雖然采用了溫室監(jiān)控系統(tǒng)，但是，這些傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用有線的監(jiān)控設(shè)施，存在布線安裝和移動拆卸困難、維護(hù)成本高、功耗大等缺點(diǎn)［2］。

隨著無線通信，嵌入式技術(shù)和微電機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以及農(nóng)業(yè)設(shè)施化，精準(zhǔn)化需求的增加，溫室監(jiān)控系統(tǒng)成為了當(dāng)前研究的一個熱點(diǎn)。ZigBee技術(shù)是近幾年興起的一種無線通信技術(shù)，具有低功耗、低速率、高容量、安全、短延時等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的各個產(chǎn)業(yè)中，例如：智能家居、數(shù)字醫(yī)療、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。利用ZigBee技術(shù)可以快速搭建低功耗、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為溫室監(jiān)控提供了有力支持［3-7］。

在這一背景下，本研究設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的葡萄溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了ZigBee的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了現(xiàn)代溫室監(jiān)控低成本、低功耗、高精度的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理三個模塊組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器、終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)四個部分組成。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上接有各種傳感器（空氣溫濕度傳感器、光照傳感器），用于采集葡萄溫室里的環(huán)境數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)采集到的這些數(shù)據(jù)將直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或者通過路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化融合后通過GPRS發(fā)送到PC端的監(jiān)控中心，用戶通過賬號和密碼登錄監(jiān)測系統(tǒng)就可以查看到溫室的環(huán)境信息。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig．1 Overall framework of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 主控芯片CC2530

CC2530是德州儀器（TI）公司推出的第二代用于ZigBee、IEEE 802" 15" 4和RF4CE的片上系統(tǒng)。CC2530集成了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器和增強(qiáng)型的8051CPU，具有5種不同的運(yùn)行模式（Active、Idle、PM1、PM2、PM3），使其適應(yīng)于低功耗要求的系統(tǒng)［8］。

2．2 傳感器選型

（1）空氣溫濕度傳感器。本系統(tǒng)溫濕度傳感器選用的是數(shù)字型插針式DHT11溫濕度傳感器。DHT11是一款具有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。具有體積小、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。DHT11［9］引腳接線圖如圖2所示，產(chǎn)品為四針單排引腳封裝，采用單線雙向制串行接口，用于與微處理器之間的通信和同步。DHT11引腳1接電源正極，供電電壓為3" 0—5" 5 V，引腳2是串行數(shù)據(jù)接口，引腳3懸空，引腳4接地。

（2）光照度傳感器。本系統(tǒng)選用BH1750FVI數(shù)字光照度傳感器，BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路；內(nèi)部組件包括接近人眼反應(yīng)的光敏二極管（PD）、集成運(yùn)算放大器（AMP）、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置（ADC）、內(nèi)部振蕩器以及光照度計算和I2C總線接口；外部無需添加其他部件，光源依賴性弱，可以探測較大范圍的光強(qiáng)度變化（1—65 535 lx），受紅外線影響很小。

圖2　DHT11接線圖Fig．2 Wiring diagram of DHT11

2．3 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)由四個模塊組成：傳感器模塊，處理器模塊，無線通信模塊，能量供應(yīng)模塊。終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳感器模塊通過各種傳感器采集溫室監(jiān)測和控制所需的各種參數(shù)信息，處理器模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲，能量和任務(wù)的管理。無線通信模塊用于和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信。能量供應(yīng)模塊用于給整個節(jié)點(diǎn)供電。

圖3　終端節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)Fig．3 Structure of terminal node

2．4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，它主要由CC2530芯片、GPRS模塊、射頻天線、晶振、擴(kuò)展接口、電源模塊幾個部分組成。負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建立、啟動及維護(hù)。其硬件組成如圖4所示。

圖4　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)Fig．4 Structure of coordinator node

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以IAR作為ZigBee協(xié)議的開發(fā)環(huán)境，IAR Embedded Workbench是一款用于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境，支持眾多的微處理，可以嵌入多種開發(fā)工具，使用IAR的編譯器可以生成最優(yōu)化、最緊湊的代碼，從而節(jié)省硬件資源，降低產(chǎn)品成本。本系統(tǒng)以C語言作為編程語言來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，數(shù)據(jù)的采集和傳輸。終端節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖5所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖6所示。終端節(jié)點(diǎn)主要用來采集和發(fā)送傳感器采集到的數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)行初始化工作，然后向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求，如果入網(wǎng)成功，那么終端節(jié)點(diǎn)會按照數(shù)據(jù)采集周期進(jìn)行定時，進(jìn)入睡眠模式，定時時間到就會被喚醒，終端節(jié)點(diǎn)被喚醒后，自動采集和發(fā)送傳感器采集到的數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)以及控制終端節(jié)點(diǎn)的加入。網(wǎng)絡(luò)建立好后，協(xié)調(diào)器處于接收消息的狀態(tài)，收到消息后，根據(jù)消息的類型，進(jìn)行相應(yīng)的處理：使子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)或者接收子節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過GPRS發(fā)送到用戶服務(wù)器。

圖5　終端節(jié)點(diǎn)程序流程Fig．5 Program flow of terminal node

圖6　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程Fig．6 Program flow of coordinator node

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)

4．1 系統(tǒng)設(shè)計模式

本系統(tǒng)采用“B/S”結(jié)構(gòu)，即“瀏覽器/服務(wù)器”模式，這種模式的特點(diǎn)是統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心集中到服務(wù)器上，方便了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)及使用。瀏覽器通過Web Server同數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

在具體開發(fā)上，系統(tǒng)使用模型視圖控制器（Model View Controller，MVC）設(shè)計模式。模型視圖控制器框架如圖7所示，M是Model的簡寫，即業(yè)務(wù)模型，負(fù)責(zé)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)邏輯和數(shù)據(jù)存取。V是View的縮寫，表示用戶界面，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示方式，C是Controller的縮寫，即控制器，主要處理用戶與數(shù)據(jù)之間的交互。模型視圖控制器設(shè)計模式［10］實現(xiàn)了視圖層和業(yè)務(wù)層的分離，具有耦合性低，重用性高等特點(diǎn)，可以提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

圖7　MVC框架Fig．7 MVC framework

4．2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

4" 2" 1 系統(tǒng)前端開發(fā)

系統(tǒng)前端，即瀏覽器端，采用Adobe Brackets進(jìn)行開發(fā)，Brackets是Adobe公司開發(fā)的一款免費(fèi)的開源文本編輯器，是一個跨平臺的HTML、CSS和JavaScript前端Web集成開發(fā)環(huán)境。前端CSS代碼的編寫采用Sass預(yù)處理器，簡化了CSS工作流。

4" 2" 2 系統(tǒng)后端開發(fā)

系統(tǒng)后端，即服務(wù)器端，采用Zend Studio進(jìn)行開發(fā)，Zend Studio是Zend Technologies公司開發(fā)的PHP語言集成開發(fā)環(huán)境（IDE），具備功能強(qiáng)大的專業(yè)編輯工具和調(diào)試工具，可以在Linux、Windows、Mac OS X上運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫使用的是免費(fèi)開源的MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

4．3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)前端界面如圖8所示，圖中顯示的是葡萄溫室的實時數(shù)據(jù)，目前主要采集了光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、土壤溫濕度這5項環(huán)境參數(shù)，通過該監(jiān)測系統(tǒng)可以查看溫室環(huán)境歷史數(shù)據(jù)和曲線分析圖。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程實時地采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過瀏覽器展示給用戶，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

圖8　系統(tǒng)界面Fig．8 System interface

5 結(jié)論與展望

本研究項目針對目前溫室栽培的特點(diǎn)，設(shè)計了一套基于ZigBee技術(shù)的葡萄溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、維護(hù)方便、低功耗等特點(diǎn)，用戶通過手機(jī)瀏覽器也可以查看到實時數(shù)據(jù)，有效解決了傳統(tǒng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)布線困難、造價和維護(hù)成本高、可擴(kuò)展性差等問題。本系統(tǒng)可以往以下幾個方面作進(jìn)一步擴(kuò)展：（1）系統(tǒng)前端界面可以設(shè)計成響應(yīng)式的布局，這樣在不開發(fā)Android、iOS應(yīng)用程序的情況下，在手機(jī)、筆記本或者平板電腦等設(shè)備上，也可以有較好的監(jiān)控和顯示效果。（2）集成專家系統(tǒng)，增加智能控制模塊，根據(jù)溫室中植物的生長特點(diǎn)，提供最佳的溫室環(huán)境，提升農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Chen Y" Design of Greenhouse Monitoring System Based on ZigBee Technology［C］//James J P" Proceedings of the International Conference on Human-centric Computing 2011 and Embedded and Multimedia Computing 2011" Berlin：Springer Netherlands，2011：611-615"

［2］龔文超，吳猛猛，劉雙雙"基于CC2530的無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］"電子測量技術(shù)，2012，35（6）：33-36"

［3］張猛，房俊龍，韓雨"基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］"農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（25）：171-176"

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［8］李正民，張興偉，柳宏川"基于CC2530的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］"測控技術(shù)，2013，32（5）：25-28"

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［10］徐識溥，張杰，袁濤，等" MVC模式在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗站信息管理平臺的應(yīng)用［J］"中國農(nóng)學(xué)通報，2012，28（6）：283-287"

（責(zé)任編輯：程智強(qiáng)）

Research on ZigBee-based data acquisition system of grape greenhouse

YU Huan1，2，WANG Yun-sheng2，3*，XU Shi-pu2，3，LIU Yong2，3，HUANG Pan-pan2，4
（1Electrical Faculty，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201408，China；2Engineering and Technological Research Center for Digital Agriculture，3Agricultural Information Institute of Science and Technology，Shanghai Academy of Agricultural Sciences，Shanghai 201403，China；4Shanghai Ocean University，Shanghai 201313，China）

Abstract：In order to overcome the inconvenient field wiring and maintenance of wired monitoring equipment in existing greenhouses，an environmental data acquisition system of grape greenhouse was developed by adopting the CC2530 chip made by the TI company and the ZigBee wireless communication technology at the Zhuanghang Integrated Experiment Station，Shanghai Academy of Agricultural Sciences，implementing the real-time acquisition of grape greenhouse’s environmental data such as light intensity，air temperature and humidity" The experimental results showed that this system had such advantages as simple installation，simple disassembly，low development cost and stable working performance，and could be widely used for remote environmental monitoring"

Key words：Environmental monitoring；Greenhouse；Data acquisition；ZigBee；Grape culture

*通信作者，E-mail：wys188＠163" com

作者簡介：余歡（1989—），男，在讀碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及農(nóng)業(yè)信息化。E-mail：yuhuan169＠163" com

基金項目：上海市農(nóng)委攻關(guān)項目［滬農(nóng)科攻字（2015）第6-4-1號］；上海市科委“星火計劃”項目（14391918102）；農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項目（2013C0010001）

收稿日期：2015-08-24

文章編號：1000-3924（2016）01-072-04

中圖分類號：S625" 3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A