基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張宏偉+解應(yīng)博+楊紅濤

摘 要：傳統(tǒng)的依靠人工對(duì)溫室溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的方式，由于監(jiān)測(cè)誤差大，控制具有延遲性，導(dǎo)致溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)不能穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。針對(duì)監(jiān)控水平自動(dòng)化程度低，不能適應(yīng)溫室規(guī)?；N植這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)利用傳感器對(duì)溫室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的參數(shù)值經(jīng)過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和RS485總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。上位機(jī)對(duì)數(shù)值進(jìn)行分析處理，然后發(fā)送指令到控制設(shè)備，進(jìn)行溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制。實(shí)驗(yàn)表明該監(jiān)控系統(tǒng)靈敏度高、控制靈活，達(dá)到了預(yù)設(shè)效果。

關(guān)鍵詞：ZigBee；上位機(jī)；RS485總線；溫濕度監(jiān)控

DOIDOI：10.11907/rjdk.171325

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0061-03

0 引言

隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，溫度、濕度信息的實(shí)時(shí)采集、分析和處理，以及相關(guān)設(shè)備的控制靈敏度都有很大提高，將溫室規(guī)?；N植提升到了一個(gè)新高度。目前的信息通訊技術(shù)中，有線信息傳輸方式有CAN總線、RS485總線、Profibus總線等[1-3]，無(wú)線通訊技術(shù)應(yīng)用較頻繁的是藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、WiFi技術(shù)以及移動(dòng)通信技術(shù)等[4-6]。有線通信技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)都可以在一定程度上完成溫室溫度、濕度參數(shù)以及控制指令的傳輸。但是，溫室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，布線困難[7]，而無(wú)線技術(shù)傳輸距離較短[8]，將有線通信和無(wú)線通信兩者結(jié)合，才能更好地完成環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)和控制[9]。

為了達(dá)到溫室環(huán)境參數(shù)檢測(cè)靈敏、控制設(shè)備延遲性低的要求，提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和RS485總線的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)方案，該監(jiān)控系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的溫度和濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，使溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)始終處于設(shè)定的范圍內(nèi)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由溫濕度采集模塊、無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)儀、遠(yuǎn)程上位機(jī)和相關(guān)控制設(shè)備組成。溫濕度采集模塊和無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)儀共用CC2480作為控制器，利用組態(tài)王6.55設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，對(duì)溫室內(nèi)的溫度濕度參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，可通過(guò)監(jiān)控界面了解溫室內(nèi)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況，有利于工作人員及時(shí)掌握溫室狀況，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

SHT11傳感器將采集到的溫室溫度值和濕度值傳送到CC2480芯片中，再通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送給無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)儀，無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)儀通過(guò)RS485總線與遠(yuǎn)程上位機(jī)相連，上位機(jī)對(duì)傳來(lái)的信息進(jìn)行分析，存儲(chǔ)處理后，發(fā)送相應(yīng)指令到PLC中，PLC根據(jù)接收的指令來(lái)控制加熱器、噴霧器和通風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟或關(guān)閉。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 傳感器模塊

選擇傳感器主要從供電方式、供電電壓、測(cè)量誤差大小、信號(hào)輸出方式等幾個(gè)方面考慮。本監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集選用SHT11溫濕度傳感器，該傳感器具有響應(yīng)速度快、抗外界干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。SHT11為兩線數(shù)字式輸出，測(cè)溫范圍為-40～+123.8℃，濕度檢測(cè)范圍為0～100%RH，檢測(cè)溫度精度為±0.4℃，濕度檢測(cè)精度為±3%RH，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

傳感器將采集到的溫濕度值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路放大的信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定，最后通過(guò)I2C總線接口輸出信號(hào)。

2.2 CC2480模塊

CC2480芯片是一款集低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)于一體的、支持ZigBee傳輸協(xié)議的射頻芯片，具有較寬的電壓支持范圍，能夠處理對(duì)時(shí)序要求嚴(yán)格的ZigBee協(xié)議任務(wù)，具有良好的通訊功能，能通過(guò)SPI接口或UART接口和任何類型的微處理器通信。溫濕度傳感器將采集到的信息傳送到CC2480芯片，再經(jīng)過(guò)CC2480芯片利用ZigBee無(wú)線通信方式，將信息傳輸?shù)綔貪穸缺O(jiān)測(cè)儀中。CC2480和SHT11的接口電路如圖3所示。

2.3 PLC控制模塊

監(jiān)控系統(tǒng)選擇S7-300系列的PLC作為控制器，控制相關(guān)設(shè)備的啟動(dòng)和停止。PLC在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中能保證良好的安全可靠性， S7-300系列的PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，具有靈活的組裝特性，能夠根據(jù)實(shí)際需要組裝不同的功能模塊。監(jiān)控系統(tǒng)選用SM322數(shù)字量輸出模塊來(lái)連接補(bǔ)光燈和噴霧器等相關(guān)設(shè)備，從而控制溫室內(nèi)的溫度和濕度，保證植物茁壯成長(zhǎng)。由于PLC自身帶負(fù)載能力較弱，不能直接和大電流的電器連接，因此在PLC的輸出端通常連接一個(gè)電流相對(duì)較小的中間繼電器，再由該中間繼電器和大電流電器連接。SM322和相關(guān)控制設(shè)備接線如圖4所示。

SM322模塊與噴霧器、加熱器、通風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、溫度報(bào)警指示燈、濕度報(bào)警指示燈和系統(tǒng)正常運(yùn)行指示燈相連，PLC接收上位機(jī)傳來(lái)的相關(guān)控制指令，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)控制設(shè)備，使溫室內(nèi)環(huán)境保持穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)擁有十分強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，能夠形成星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文采用星型網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)是最簡(jiǎn)單的拓?fù)湫问?，自帶IEEE.802.15協(xié)議層，因此星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以不用ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。傳感器節(jié)點(diǎn)由信息采集模塊、信息處理模塊、信息傳輸模塊和供電模塊組成。監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，信息采集模塊將采集到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，信息處理模塊完成信息的存儲(chǔ)、處理以及傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要功能是讓操作人員更加清晰地了解到溫室的溫濕度變化情況以及各種設(shè)備的運(yùn)行狀況。組態(tài)王6.55原理簡(jiǎn)單、操作方便、功能強(qiáng)大，所以監(jiān)控系統(tǒng)選用組態(tài)王6.55實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的監(jiān)控界面顯示。在該監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)主界面設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置和調(diào)整界面設(shè)計(jì)、歷史曲線界面設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)曲線界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)報(bào)表和存儲(chǔ)界面設(shè)計(jì)以及報(bào)警界面設(shè)計(jì)。監(jiān)控人員可根據(jù)需要選擇進(jìn)入不同的監(jiān)控界面了解相關(guān)信息。

4 結(jié)果分析

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)溫室溫濕度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，能夠根據(jù)溫室植物的生長(zhǎng)需要，將溫度和濕度控制在一個(gè)合適的范圍。圖6為某一時(shí)間段內(nèi)溫室溫度實(shí)時(shí)曲線圖。

選取上午10：00到12：00這個(gè)時(shí)間段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，溫室內(nèi)的溫度測(cè)量實(shí)時(shí)曲線如圖6所示，溫室溫度在監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行下保持在24-29℃這一對(duì)植物生長(zhǎng)最有利的范圍值內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠根據(jù)檢測(cè)需要在溫室內(nèi)不同位置布置溫度傳感器和濕度傳感器。搭建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決了溫室內(nèi)布線困難問(wèn)題，RS485總線的運(yùn)用也有效解決了ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸距離較短的缺點(diǎn)，工作人員能在遠(yuǎn)程監(jiān)控室內(nèi)通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控界面掌握溫室情況。試驗(yàn)測(cè)試表明，該監(jiān)控系統(tǒng)能很好地完成溫濕度環(huán)境參數(shù)檢測(cè)，組態(tài)王設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面能對(duì)各種信息保存和顯示， PLC能根據(jù)接收的指令很好地完成相關(guān)設(shè)備的控制任務(wù)，使溫室環(huán)境參數(shù)始終處于一個(gè)有利于植物生長(zhǎng)的范圍值內(nèi)，具應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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