胡斌++王玉超++傅振濤++黃萌

摘要 本文以ZigBee技術(shù)為核心，采用通用性思想和模塊化設(shè)計(jì)的思路，用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決溫室大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長(zhǎng)的智能自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，采集溫室內(nèi)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)，搭建了基于ZigBee的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)的無線傳輸。 利用單片機(jī)作為控制機(jī)構(gòu)，根據(jù)已經(jīng)設(shè)置的環(huán)境閾值控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，啟動(dòng)相應(yīng)調(diào)控設(shè)備，若溫室環(huán)境發(fā)生了變化，控制系統(tǒng)通過ZigBee連接自動(dòng)控制溫室內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可使溫室環(huán)境一直處于最適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的條件。同時(shí)，由于ZigBee的可擴(kuò)展性，可添加新的功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如殺蟲系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)多功能的智能溫室控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 智能溫室；控制系統(tǒng)；無線傳感網(wǎng)；環(huán)境因子監(jiān)控；ZigBee；單片機(jī)

中圖分類號(hào) TU261 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）09-0184-02

Abstract The paper adopted the universal idea and modularized design idea，used wireless sensor network technology to solve greenhouse in crop growth of intelligent automatic monitoring system based on ZigBee technology as the core.Designed a data acquisition node based on ZigBee network technology，collected environmental factors in greenhouse，set the mesh network based on ZigBee，realized the wireless transmission of data.Using microcontrollers as a control mechanism，according to the environment threshold value to control the corresponding actuator，started the corresponding control equipment，if the greenhouse environment had changed，the control system automatically controlled the actuator in the greenhouse ZigBee connection，made the greenhouse environment been the most suitable for crop growth.Because of ZigBee scalability at the same time，you could add new functionality actuators，such as insecticidal system，so as to realize multi-function intelligent greenhouse control system.

Key words intelligent greenhouse；control system；wireless sensor network；environmental factor monitoring；ZigBee；microcontrollers

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)蔬菜、花卉等的需求量越來越大。溫室可以改變植物的生長(zhǎng)環(huán)境，創(chuàng)造最適宜植物生長(zhǎng)的條件。溫室是一個(gè)復(fù)雜的、非線性、多變量、大滯后、多耦合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。為合理控制蔬菜、花卉等的生長(zhǎng)[1]，應(yīng)建立一個(gè)有預(yù)見性、及時(shí)的控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境以及溫室環(huán)境下的環(huán)境因子，合理防治封閉環(huán)境下溫室的病蟲害。

在控制應(yīng)用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，Lai等[2]和Ouni等[3]都做了相關(guān)研究。江朝暉等[4]和ZHANG Q等[5]都分別設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)一般的農(nóng)業(yè)承包者都是搭建較簡(jiǎn)單的大棚[4]，幾乎沒有實(shí)現(xiàn)智能化。而市場(chǎng)上提供的控制器功能單一，也有提供溫室智能控制系統(tǒng)的[6]，但都是面對(duì)大型企業(yè)，產(chǎn)品價(jià)格昂貴。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)一款多功能簡(jiǎn)易智能溫室控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過4種常見傳感器（溫度、光照、濕度、CO2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境變化。當(dāng)溫室環(huán)境發(fā)生了變化，控制系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使溫室一直處于最適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境。其中，該控制系統(tǒng)還能根據(jù)不同農(nóng)作物修改溫室環(huán)境各參數(shù)值的上下限值。若溫室環(huán)境參數(shù)超出人工設(shè)置的上下限值，會(huì)啟動(dòng)或關(guān)閉相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。由于無線傳感網(wǎng)的易于擴(kuò)展以及考慮到成本問題，本系統(tǒng)還可以將殺蟲功能和太陽(yáng)能供電功能等添加進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)多功能的控制系統(tǒng)。

1 多功能簡(jiǎn)易智能溫室控制系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)、執(zhí)行功能機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)控系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的監(jiān)測(cè)，主要包括常見的4種溫室環(huán)境傳感器（溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器）及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路，比如要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)溫度的檢測(cè)，可采用DS18B20溫度傳感器，將DS18B20的信號(hào)線與單片機(jī)的I/O線相連，由單片機(jī)采集數(shù)據(jù)即可，且一根單片機(jī)I/O線可掛接多個(gè)DS18B20，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)。

執(zhí)行功能機(jī)構(gòu)（滴灌系統(tǒng)、升溫系統(tǒng)、噴滴灌系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、遮陽(yáng)系統(tǒng)、濕窗簾/風(fēng)扇降溫系統(tǒng)）指的是溫室內(nèi)現(xiàn)有的單一功能設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同功能。為了實(shí)現(xiàn)多功能，本系統(tǒng)還可以通過無線節(jié)點(diǎn)增添需要的功能機(jī)構(gòu)。如要添加殺蟲的功能，只要在無線傳輸系統(tǒng)里增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后修改相應(yīng)的上位機(jī)和下位機(jī)程序控制單片機(jī)，單片機(jī)再來控制殺蟲燈即可。

控制系統(tǒng)采用CC2530單片機(jī)為主控制核心，與監(jiān)控系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換電路和溫室內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，如若溫室環(huán)境參數(shù)超出人工設(shè)置的上下限值，會(huì)啟動(dòng)或關(guān)閉相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。

無線傳輸系統(tǒng)采用ZigBee無線傳輸系統(tǒng)，采集信息、傳輸信息以及智能處理于一體，具有短距離、低速率、投入低廉、通信可靠的特點(diǎn)，通過溫室環(huán)境因子傳感器監(jiān)測(cè)多點(diǎn)環(huán)境因子參數(shù)，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，再依據(jù)預(yù)設(shè)閥值來控制以及指導(dǎo)生產(chǎn)。

2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將不受局限，具有更廣泛的適應(yīng)性。采用無線數(shù)傳電臺(tái)建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式的，在用戶組建好一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)之后，只需將新增設(shè)備與無線數(shù)傳電臺(tái)相連接就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)充[6]。因此，本系統(tǒng)采用ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)預(yù)設(shè)了2個(gè)大模塊（上位機(jī)和下位機(jī)），如圖2所示。其中，對(duì)于上位機(jī)選擇就是選用微機(jī)，下位機(jī)控制器則用單片機(jī)控制。下位機(jī)控制器在接受監(jiān)控PC機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)后，可通過已預(yù)設(shè)好的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的閥值來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)[6-7]。下機(jī)控制器的核心是CC2530單片機(jī)，ZigBee無線主模塊和單片機(jī)自動(dòng)控制模塊[6]組成了整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)。其中無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)構(gòu)成了ZigBee無線主模塊。系統(tǒng)通過各種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境因子，將其采集的數(shù)據(jù)上傳到ZigBee子節(jié)點(diǎn)，再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到ZigBee網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)，最后通過RS-232串行口總線將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)上并顯示反饋給用戶。數(shù)據(jù)模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊組成了單片機(jī)自動(dòng)控制模塊。數(shù)據(jù)采集模塊可以完成對(duì)ZigBee總節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)通信層所傳遞給單片機(jī)數(shù)據(jù)的收集和預(yù)處理[6]，同時(shí)將結(jié)果通過RS-232串行口總線送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或監(jiān)控服務(wù)器存儲(chǔ)和管理。執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊則是通過比較實(shí)時(shí)監(jiān)控的環(huán)境因子參數(shù)和預(yù)設(shè)閥值來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚內(nèi)的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)與關(guān)閉[8]。

由于系統(tǒng)采用的是基于ZigBee的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，其具有優(yōu)越的可擴(kuò)展性，可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的多功能性。只要執(zhí)行機(jī)構(gòu)中添加所需功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)，用戶即可實(shí)現(xiàn)對(duì)新功能的控制。例如將殺蟲燈添加進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變上位機(jī)的程序，將殺蟲燈對(duì)應(yīng)的光照數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)閾值添加進(jìn)去，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)殺蟲燈的自動(dòng)控制。同時(shí)，還可以添加關(guān)于殺蟲燈的頻閃頻率的設(shè)置，從而進(jìn)一步提高殺蟲效率。

多功能的溫室智能控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在于建立有效的ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的工作流程是由ZigBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，然后ZigBee終端入網(wǎng)，分配網(wǎng)絡(luò)地址，終端定期采集傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過點(diǎn)播發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)信息通過RS232串口轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)出相應(yīng)的控制指令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將控制指令廣播出去，各終端根據(jù)廣播所帶的簇信息，判斷其是否為發(fā)給自己的信息，如果是則根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，不是就丟棄數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)流程如圖3所示。依據(jù)設(shè)計(jì)的要求，在設(shè)計(jì)的這個(gè)溫室大棚內(nèi)會(huì)存在4種不同的傳感器，分別測(cè)量溫室大棚內(nèi)的溫度的傳感器、濕度的濕度傳感器、檢測(cè)溫室內(nèi)光照強(qiáng)度的光敏傳感器以及檢測(cè)二氧化碳濃度的CO2濃度傳感器。傳感器采集出來的數(shù)據(jù)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)按照穩(wěn)定的周期收集，如圖4所示。由于系統(tǒng)選用的二氧化碳濃度傳感器、光敏傳感器是模擬傳感器，所以需先通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)將其換為數(shù)字信號(hào)，然后再將數(shù)據(jù)送至單片機(jī)中，最后送達(dá)CC2530芯片完成數(shù)據(jù)收集[7]；而AD轉(zhuǎn)換模塊存在于系統(tǒng)選用的溫濕度傳感器內(nèi)部，在單片機(jī)內(nèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，將4種數(shù)據(jù)按照先后順序送到ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)[6-7]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的信息科學(xué)技術(shù)——ZigBee技術(shù)，提出一個(gè)基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的多功能簡(jiǎn)易智能溫室控制系統(tǒng)的解決方案。本系統(tǒng)是一種溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有布線簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理、使用性較強(qiáng)的特點(diǎn)，其在基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上加入了上位監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)[6]、單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可移植性強(qiáng)。

與普通的溫室大棚相比，多功能簡(jiǎn)易智能溫室控制系統(tǒng)不僅能夠種植優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的反季節(jié)作物，而且將電子、計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)化控制等技術(shù)引入到本系統(tǒng)中。本系統(tǒng)可以定量獲取和分析農(nóng)業(yè)環(huán)境的多種參數(shù)，對(duì)環(huán)境實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)，其主要檢測(cè)目標(biāo)是溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度，如果需要可通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)增添其他功能，如振動(dòng)、壓力、水/土壤空氣成分等。通過ZigBee無線通信把智能溫室的各種參數(shù)匯總到上位機(jī)，上位機(jī)再通過執(zhí)行結(jié)構(gòu)去調(diào)節(jié)參數(shù)，例如大棚的溫度、濕度等。確保智能溫室內(nèi)各個(gè)環(huán)境參數(shù)達(dá)到良好的檢測(cè)，協(xié)調(diào)控制溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并能通過Web遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制溫室大棚的環(huán)境參數(shù)。

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