基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

楊宏業(yè)+張維庭+馮文濤+王銳

摘要：針對設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化溫室建設(shè)需要，開發(fā)了溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用3層架構(gòu)，包括底層傳感網(wǎng)絡(luò)層、中間數(shù)據(jù)傳輸匯聚層和頂層監(jiān)控應(yīng)用層，區(qū)別于現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計思路。底層采用ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點類型包括協(xié)調(diào)器、路由器和采集終端，采集終端分布于各溫室中執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送功能，路由器作為采集終端和協(xié)調(diào)器之間的橋梁執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。中間層是由NI公司LabVIEW軟件開發(fā)的監(jiān)控軟件和協(xié)調(diào)器組成，用來匯聚底層傳來的數(shù)據(jù)。頂層是用Java語言開發(fā)的綜合監(jiān)控平臺，用來匯總某地區(qū)所有種植基地的溫室數(shù)據(jù)，為政府、企業(yè)、農(nóng)戶提供綜合信息服務(wù)。溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫室環(huán)境信息（空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等）的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)共享。通過試驗驗證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；智能化；系統(tǒng)架構(gòu)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號： TP277.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0401-04

國家在《“十三五”規(guī)劃綱要》中明確將“加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化步伐”列為重要發(fā)展任務(wù)，2016年中央一號文件也相繼公布推進(jìn)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化?？梢灶A(yù)見，未來我國設(shè)施農(nóng)業(yè)將走規(guī)?；⒓s化的發(fā)展道路，設(shè)施農(nóng)業(yè)也必然實現(xiàn)自動化、信息化和智能化[1-2]。對于規(guī)?；姆N植企業(yè)而言，利用物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)對溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)控，通過技術(shù)手段提高種植企業(yè)生產(chǎn)管理效率、降低人工投入，以實現(xiàn)規(guī)?；慕?jīng)營模式，符合未來設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。然而，市場現(xiàn)有產(chǎn)品是基于移動通信網(wǎng)絡(luò)GPRS技術(shù)，其硬件成本高，運(yùn)行費(fèi)用也高，難以落實使用。在國內(nèi)外基于ZigBee技術(shù)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)研究中，多數(shù)科研成果尚處于理論研究階段，特別是對于北方后墻體陽光溫室而言，所提供的解決方案存在無法與需求對接的問題。針對上述問題，本研究提出了一個新解決方案，一套符合現(xiàn)實需求適合于規(guī)?；a(chǎn)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了環(huán)境可測、生產(chǎn)可控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)介紹

該系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為3層。底層為傳感網(wǎng)絡(luò)層，由安放在溫室中的無線數(shù)據(jù)采集終端和路由器構(gòu)成，用來采集和傳輸溫室中的各類環(huán)境參數(shù)；中間為數(shù)據(jù)傳輸匯聚層，由企業(yè)監(jiān)控中心軟硬件系統(tǒng)，即監(jiān)控軟件和協(xié)調(diào)器構(gòu)成，用來匯聚底層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并將其傳至綜合信息服務(wù)平臺；頂層為監(jiān)控應(yīng)用層，由可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的計算機(jī)客戶端和手機(jī)移動客戶端構(gòu)成，用來進(jìn)行種植生產(chǎn)基地的遠(yuǎn)程生產(chǎn)管理。與市場現(xiàn)有方案相比，該解決方案在系統(tǒng)架構(gòu)的頂層和底層之間增加了數(shù)據(jù)傳輸匯聚層，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性，解決了數(shù)據(jù)通信擁擠、實時性較差的問題。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是由部署在數(shù)據(jù)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各類節(jié)點組成，所有節(jié)點以無線通信方式形成一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，用來感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息。ZigBee是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，包括3種節(jié)點類型，即協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端采集節(jié)點，構(gòu)成具有自組網(wǎng)功能的底層傳感網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器安放在企業(yè)監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)并配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，同時完成溫室基地數(shù)據(jù)的匯聚；路由節(jié)點安放在各溫室耳房內(nèi)，用來實現(xiàn)本溫室內(nèi)采集終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和上一溫室路由節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能；終端節(jié)點安放在溫室內(nèi)，用來實現(xiàn)具體功能，若溫室需安放多個采集節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸遵從由遠(yuǎn)及近的傳輸方式，將數(shù)據(jù)逐級傳至本溫室路由節(jié)點[3-6]。各溫室的數(shù)據(jù)通過耳房內(nèi)的路由器同樣由遠(yuǎn)及近進(jìn)行傳輸，最終在企業(yè)監(jiān)控中心協(xié)調(diào)器完成數(shù)據(jù)的匯聚。

2 系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集終端實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)（空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度）的實時采集，終端成本僅在600元左右，而市場上基于GPRS技術(shù)的產(chǎn)品在實現(xiàn)同等功能基礎(chǔ)上成本約為1 500元。已有研究成果在硬件部分采用有線的設(shè)計方案，所選用的傳感器與硬件核心電路需用明線連接并使用有線的供電方式，隨即帶來現(xiàn)場安裝不便、不易調(diào)試及故障率高的問題，而本系統(tǒng)硬件部分采用完全無線的設(shè)計思路，將3種傳感器和電源模塊（鋰電池）集于一體，可獨立完成溫室環(huán)境參數(shù)的采集、顯示、傳輸、低電壓報警和充電等功能。ZigBee無線通信模塊作為硬件系統(tǒng)核心組成，其優(yōu)勢在于本身屬于自由頻段，是開放的；除硬件成本外無需繳納任何通信費(fèi)用；在功能上實現(xiàn)了低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)的需求[7-11]。

2.1 數(shù)據(jù)采集終端硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集終端由電源模塊、ZigBee模塊、傳感器模塊和LCD液晶顯示模塊組成。秉持完全無線的設(shè)計理念，終端將3種傳感器和電源模塊電路集于一體，簡約、便攜、實用，以5 min 采集周期為例，鋰電池電量可持續(xù)供電半年以上。數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 傳感器模塊

采集終端集成了空氣溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器及二氧化碳濃度傳感器，用來采集溫室環(huán)境參數(shù)，傳感器具體參數(shù)如表1所示。傳感器均選用直插式封裝，并集成于數(shù)據(jù)采集終端之上，便于設(shè)備的調(diào)試、安裝和維護(hù)。ZigBee處理器常處于休眠狀態(tài)，按照固定時間周期自動喚醒，并向各傳感器發(fā)出采集指令，傳感器執(zhí)行數(shù)據(jù)采集功能并將數(shù)據(jù)返回至ZigBee 處理器進(jìn)行相應(yīng)處理。

溫室中的氣溫理論上應(yīng)在12～35 ℃之間，空氣濕度理論上應(yīng)在50%～90%之間，所選用的空氣溫濕度傳感器符合應(yīng)用需求；夏季在陽光直射下，光照強(qiáng)度可達(dá)60 000～100 000 lx，經(jīng)過試驗驗證，在溫室中的光照強(qiáng)度最大值在30 000～40 000 lx之間，故所選用的光照強(qiáng)度傳感器也滿足應(yīng)用需求；溫室中的二氧化碳濃度一般在1 300 μl/L以內(nèi)，屬于傳感器的測量范圍，所選用的傳感器同樣滿足應(yīng)用需求。

2.3 電源電路模塊

終端采用完全無線的設(shè)計理念，選取輸出電壓3 V、電池容量3 000 mAh的鋰電池作為輸入電源，通過芯片TPS60210進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換以為其他模塊電路提供輸入電壓，同時，該芯片將鋰電池電壓穩(wěn)定在1.8 V以上，低于該閾值則LED指示燈亮起提示低電壓報警，并可利用Mini-USB口通過充電電路對鋰電池充電。TPS60210低電壓報警電路如圖3所示。

整個硬件電路采集、顯示并發(fā)送1次數(shù)據(jù)耗電量約為0.056 mAh，若采集周期為5 min，共采集288次/d，耗電量約為16 mAh。若使用容量為3 000 mAh的鋰電池進(jìn)行供電，可持續(xù)供電187.5 d，滿足采集終端在溫室環(huán)境中的供電需求。當(dāng)電量耗盡時，對鋰電池充電后，采集終端可繼續(xù)正常工作。

3 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)使用IAR軟件開發(fā)環(huán)境對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各終端節(jié)點進(jìn)行程序開發(fā)，使用NI公司LabVIEW軟件平臺進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計，使用Java語言進(jìn)行服務(wù)器綜合信息服務(wù)平臺開發(fā)。

3.1 采集終端程序設(shè)計

底層傳感網(wǎng)絡(luò)各采集終端節(jié)點用來采集溫室內(nèi)空氣中溫度、濕度、光照強(qiáng)度及二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，將采集所得數(shù)據(jù)在本地LCD液晶顯示器上顯示，同時通過ZigBee無線通信協(xié)議將其傳至協(xié)調(diào)器以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。終端節(jié)點上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括硬件外設(shè)初始化及ZigBee協(xié)議棧初始化；接著進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜尋，與協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)；組網(wǎng)成功后，將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通信協(xié)議發(fā)送至協(xié)調(diào)器；數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，終端節(jié)點處理器立刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個采集周期自動喚醒[12-14]。數(shù)據(jù)采集終端程序流程如圖4所示。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計

采集終端將采集所得的數(shù)據(jù)傳至協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚，協(xié)調(diào)器通過串口與上位機(jī)連接，并將匯聚所得數(shù)據(jù)通過串行通信協(xié)議傳至上位機(jī)，在上位機(jī)監(jiān)控軟件執(zhí)行顯示、判斷、報警、反饋控制等功能，并將數(shù)據(jù)存儲至本地Access數(shù)據(jù)庫，以便于后期數(shù)據(jù)的查詢和分析處理，同時以一定數(shù)據(jù)量打包通過TCP/IP協(xié)議將本地數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總。協(xié)調(diào)器和此監(jiān)控軟件構(gòu)成系統(tǒng)架構(gòu)中間層，即數(shù)據(jù)傳輸匯聚層，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性。上位機(jī)監(jiān)控軟件界面如圖5所示。

3.3 服務(wù)器綜合信息服務(wù)平臺開發(fā)

設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的溫室種植很大程度上依賴于植物生長環(huán)境中的數(shù)據(jù)，處于以數(shù)據(jù)為主導(dǎo)的時代，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)深度挖掘，反饋到種植現(xiàn)場，以實現(xiàn)溫室參數(shù)調(diào)控設(shè)備的智能控制，才能真正滿足種植企業(yè)規(guī)?；陌l(fā)展需求。這種遠(yuǎn)程管理的操作功能，突破了時空對作物生產(chǎn)管理的限制，可大幅度提高企業(yè)生產(chǎn)管理效率并降低人工投入。建立物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合信息服務(wù)平臺，為規(guī)?；姆N植企業(yè)建立溫室環(huán)境參數(shù)專用數(shù)據(jù)庫，旨在參與企業(yè)的生產(chǎn)管理，為企業(yè)提供種植方案，同時，為政府做農(nóng)業(yè)方面的政策決策提供數(shù)據(jù)支持，也能為農(nóng)戶提供種植知識和種植方法。平臺可以通過手機(jī)、計算機(jī)等信息終端向農(nóng)戶推送實時監(jiān)測信息、預(yù)警信息、農(nóng)技知識等，實現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場集約化、網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程管理。平臺實行用戶等級制登錄方式，將用戶分為超級用戶、區(qū)域管理員及大棚管理員。圖6為綜合信息服務(wù)平臺超級用戶登錄界面。

4 系統(tǒng)性能測試

為了驗證溫室監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在呼和浩特市畢克齊項目示范基地選擇3個后墻體溫室進(jìn)行了測定試驗，試驗周期為1周，觀察分析1周內(nèi)軟硬件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理情況。

在選定溫室內(nèi)布設(shè)協(xié)調(diào)器、路由器和數(shù)據(jù)采集終端等硬件設(shè)備，將協(xié)調(diào)器安放在基地監(jiān)控中心并與安有監(jiān)控軟件的上位機(jī)相連，將3臺路由器安放在選定溫室耳房內(nèi)，將3臺數(shù)據(jù)采集終端安放在選定溫室中間位置。終端節(jié)點的采集周期設(shè)置為5 min，每執(zhí)行一次采集命令就將采集的空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度及二氧化碳濃度通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)至基地監(jiān)控中心協(xié)調(diào)器，隨即進(jìn)入休眠狀態(tài)，到達(dá)下一個采集周期后，再次執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能。終端節(jié)點距離路由節(jié)點最大距離80 m，路由節(jié)點距離監(jiān)控中心協(xié)調(diào)器150 m，上位機(jī)監(jiān)控軟件顯示并存儲接收到的數(shù)據(jù)信息，同時以一定數(shù)據(jù)量將數(shù)據(jù)打包并通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至服務(wù)器綜合信息服務(wù)平臺。

經(jīng)驗證，基地監(jiān)控軟件可實時接收并處理匯聚所得數(shù)據(jù)，同時，也將數(shù)據(jù)存入設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合信息服務(wù)平臺數(shù)據(jù)庫。但是，通過觀察后臺數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)列表中存在數(shù)據(jù)紊亂和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，在3個采集終端采集所得的6 048組數(shù)據(jù)中，錯誤數(shù)據(jù)有57組，數(shù)據(jù)錯誤率為0.94%。引起數(shù)據(jù)錯誤的原因可能是由于ZigBee無線通信技術(shù)固有的丟包、丟幀現(xiàn)象所致，也可能是ZigBee模塊自身工藝存在差異性導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定所致。然而，試驗周期內(nèi)的數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)。試驗結(jié)果證明，整套溫室監(jiān)控系統(tǒng)工作性能較穩(wěn)定，可靠性較高，適合于規(guī)?；姆N植企業(yè)應(yīng)用，具有較高的實用價值。但是，如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，完善系統(tǒng)架構(gòu)，降低數(shù)據(jù)錯誤率是本課題今后的研究重點。試驗周期中某一天3 h的試驗數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。

5 結(jié)論

本課題介紹了集約化設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。所研制的智能采集終端具有以下幾個特點：

完全實現(xiàn)無線連接，安裝方便，無需連線；成本低、運(yùn)行費(fèi)用低，無需繳納網(wǎng)絡(luò)月租費(fèi)用；簡約、低功耗、故障率小、可靠性高；底層傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了設(shè)備互聯(lián)，數(shù)據(jù)可實時穩(wěn)定傳輸，并且錯誤率極低。

系統(tǒng)采用3層架構(gòu)，具有穩(wěn)定性高、安全性強(qiáng)、易擴(kuò)展、維護(hù)部署方便等特點?；赯igBee技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)有以下幾方面優(yōu)勢：

終端設(shè)備在設(shè)計上采用超低功耗設(shè)計理念，結(jié)合ZigBee模塊自帶休眠功能的優(yōu)勢，使用電池容量3 000 mA·h的鋰電池，以5 min采集周期為例，電池可持續(xù)供電半年以上；終端設(shè)備采用ZigBee無線通信技術(shù)，與采用GPRS技術(shù)的采集設(shè)備相比成本降低50%以上，適合于集約化的生產(chǎn)模式，切實可行地解決了制約設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題；底層傳感網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)架構(gòu)中的感知層和傳輸層合為1層，增強(qiáng)了各設(shè)備之間的互聯(lián)性，也使得基于ZigBee技術(shù)的終端節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸更具有合理性；系統(tǒng)在底層傳感網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器平臺之間增加了數(shù)據(jù)傳輸匯聚層，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，解決了數(shù)據(jù)通信擁擠、實時性較差的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]閻曉軍，王維瑞，梁建平. 北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式構(gòu)建[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（4）：149-154.

[2]張 震，劉學(xué)瑜. 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策[J]. 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問題，2015（5）：64-70.

[3]曹 靜，凡 燕，朱科峰，等. 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于江蘇農(nóng)業(yè)的發(fā)展分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，26（6）：1402-1405.

[4]李金瑩，楊宏業(yè)，呂文艷. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（19）：8344-8346.

[5]秦琳琳，陸林箭，石 春，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2015，46（3）：261-267.

[6]呂文艷，李金瑩，楊宏業(yè). 基于ZigBee的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電子設(shè)計工程，2014，22（7）：19-21.

[7]成維莉，毛 林，徐冬寅，等. 溫室群監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)模式及服務(wù)質(zhì)量框架[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（7）：405-409.

[8]王紀(jì)章，李萍萍，彭玉禮. 基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（12）：373-375.

[9]任秀麗，于海斌. ZigBee無線通信協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)的研究[J]. 計算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（6）：143-145.

[10]楊 瑋，呂 科，張 棟，等. 基于ZigBee技術(shù)的溫室無線智能控制終端開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（3）：198-202.

[11]李瑋瑤，王建璽，王 巍. 基于ZigBee的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（12）：51-54.

[12]鞠傳香，吳志勇. 基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（12）：405-407.

[13]何成平，龔益民，林 偉. 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（8）：4370-4372.

[14]韓華峰，杜克明，孫忠富，等. 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（7）：158-163.