基于ZigBee的設施農業監控系統

呂文艷，李金瑩，楊宏業

（內蒙古工業大學 內蒙古 呼和浩特 010000）

基于ZigBee的設施農業監控系統

呂文艷，李金瑩，楊宏業

（內蒙古工業大學 內蒙古 呼和浩特 010000）

通過分析集約化農業大棚的需求，結合無線傳感器網絡技術，提出一種基于ZigBee技術的設施農業監控系統。該系統采用基于IEEE802.15.4無線標準研發的ZigBee無線網絡，整體設計以STC89C54單片機為核心，利用SHT11數字溫濕度傳感器、DS18B20數字溫度傳感器、CC2430射頻芯片及LCD1602液晶屏，對農業大棚內溫濕度進行采集、顯示及傳輸。通過實驗證明，該無線化的設施農業監控系統能夠穩定運行，具有一定實用價值。

集約化；設施農業；ZigBee；溫濕度；實用性

內蒙古自治區地處溫帶季風氣候區，降水量較少，以小麥，馬鈴薯，莜麥等溫帶植物為主要農作物?；谧灾螀^的氣候特點，蔬菜的種植和成熟只能實現一年一收，難以滿足市場的需求，只能靠從省外購置，從而蔬菜的成本大大提高。

實現蔬菜種植的大棚化是解決問題的主要方法，然而由于大棚種植對局部環境的溫度、濕度等要素的控制至關重要，目前的管理方式消耗了大量的人力且管理成本高、種植面積小，無法成片大規模生產是制約生產集約化的主要因素。因而實現大棚種植的智能化是解決此問題的重要手段。

該系統根據實際情況利用ZigBee組網簡單、功耗小、傳輸成本低等特點設計了設施農業系統。希望此系統能夠切實可行地解決目前蔬菜大棚種植的瓶頸問題。

1 ZigBee 技術

ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。采用跳頻技術和擴頻技術。ZigBee含有3種類型節點，即協調器、路由器和終端設備。終端設備與監控對象相連，實現具體功能。路由器實現路由、擴展網絡功能。協調器負責啟動網絡，配置網絡成員地址，維護網絡及節點等[3]。

ZigBee技術具有自組織網功能，在彼此網絡模塊通信范圍內，通過自動尋找能夠很快形成一個互通的ZigBee網絡。當終端物理位置發生變動，彼此間的聯絡會發生變化，網絡模塊會在通信范圍內重新尋找通信對象，確定一個新的互聯網絡。

2 系統功能

該系統終端由數字溫濕度采集器SHT11、數字溫度采集器DS18B20檢測得到大棚內溫濕度數據，并轉化為數字信號。通過ZigBee無線傳輸網絡將數據傳送到監控中心。監控中心顯示、存儲每個時刻點對應的溫濕度數據，并繪制直觀的時間-溫濕度曲線圖。大棚戶可使用手機或電腦通過互聯網獲取大棚溫濕度數據。如果大棚內溫濕度數據超出設定的閾值，監控中心通過GSM網絡向戶主手機發送警報，并且通過ZigBee無線傳輸網絡向對應大棚內的終端傳輸指令，終端單片機執行該指令所對應的程序來啟動繼電器，以此調節大棚內溫濕度。監控中心還可通過GSM網絡及互聯網向大棚戶主發送關于農業大棚養殖管理、病蟲害預防、天氣預報以及市場行情等信息，為戶主提供人性化便捷服務。

傳統大棚溫濕度數據采集方案中，每個大棚終端須內置SIM卡，終端每次向監控中心上傳溫濕度數據都需要通過GSM網絡。由于上傳次數繁多，導致大棚戶主需要承擔高額的通信費用。該系統中大棚各個節點溫濕度數據與監控中心采用ZigBee無線網絡通信，無需任何通信運行費用，成本低，致使該系統更適合集約化管理，能夠提高成片農業大棚種植的生產效率。

圖1 系統功能示意圖Fig. 1 Diagram of system function

3 硬件設計

3.1 溫濕度采集終端

本系統的溫濕度采集終端主要組成是：單片機、ZigBee無線傳輸模塊、溫濕度傳感器模塊、顯示模塊、繼電器控制模塊、電源模塊六個部分，各模塊關系如圖2所示。

圖2 數據采集終端硬件的結構示意圖Fig. 2 Structure diagram of data collection terminal hardware

1)單片機：其I/O口對農業大棚溫濕度數據進行采集，并將采集到的溫濕度數據傳送到ZigBee無線傳輸模塊；接受監控中心的控制命令對卷簾控制模塊、排風扇控制模塊進行控制。

2)ZigBee無線傳輸模塊：單片機通過串口將采集到的溫濕度數據傳送給ZigBee無線傳輸模塊，ZigBee無線傳輸模塊通過無線傳輸功能將數據傳送給監控中心。

3)溫濕度傳感器：本系統中采用SHT11數字溫濕度傳感器以及DS18B20數字溫度傳感器完成溫室大棚的溫度、濕度數據的采集。

4)顯示模塊：實時顯示已采集到的農業大棚文書度數據，并在LCD屏上顯示，方便大棚管理人員讀取溫濕度數據。

5)繼電器控制模塊：當農業大棚溫濕度超過閾值時，單片機通過指令啟動電機，如打開排風扇通風降溫、打開水閥放水澆灌農作物等動作，對溫濕度進行調節。

6)電源模塊：分為兩種：5 V和3.3 V。3.3 V電壓是專為ZigBee無線傳輸模塊通信供電，5 V電壓為其他器件供電。

3.2 溫濕度傳感器的選擇

該系統中選擇SHT11數字式溫濕度傳感器與DS18B20數字式溫度傳感器。由于現代化農業大棚面積較為廣大，大棚中各點溫度相差比較大，而濕度變化不明顯。因此該系統中采用一點測濕度，多點測溫度的方式，也即采用SHT11置中，DS18B20串行分散的方式來采集溫濕度數據。

圖3 大棚溫濕度數據采集方位圖Fig. 3 Diagram of location about temperature and humidity data in greenhouse

SHT11是一款基于CMOSENSTM技術的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術和傳感器技術相結合，發揮其強大的優勢互補作用。SHT11溫濕度檢測運用電容式結構，采用具有不同保護的“微型結構”檢測電極系統與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容溫濕敏器件的緣由特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結合在一起而構成一個單一的個體，因而測量精度較高而且具有精確的出露點，同時不會產生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變的引起的誤差。

DS18B20數字式溫度傳感器接線方便，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。采用DS18B20可以用于測試農業大棚內多點溫度。傳統大棚溫度數據采集方案采用并行方式，如N個溫度采集器需要與N個I/O口連接，導致布線復雜，I/O口浪費。而本系統中DS18B20利用單總線串行方式，即每個DS18B20含一個獨特序列號，多個DS18B20可以同時存在于一條總線上，只需與單片機一個I/O口連接，便可循環上傳DS18B20的序列號和對應的溫度值。極大程度降低了布線復雜度以及提高了I/O口利用率。

4 軟件設計

4.1 軟件設計框架

軟件部分的程序分4個部分。第一部分：數據采集子程序；第二部分：顯示已采集的溫濕度數據；第三部分：使用ZigBee無線傳輸模塊向監控中心傳輸數據；第四部分：單片機通過ZigBee無線傳輸模塊接收監控中心指令并執行。

程序采用中斷方式，主程序不斷的執行采集數據、顯示數據語句。由于大棚內溫濕度數據的連續性和慣性較大，無需時刻上傳，可根據每個農業大棚實際情況設置固定間隔上傳溫濕度數據，如3 min或5 min等。所以采用定時器中斷的方式來對數據進行上傳。對于數據的接收采用串口中斷的方式進行接收。

圖4 系統軟件框圖Fig. 4 Flow chart the software

圖5 主程序框圖Fig. 5 Main block diagram

4.2 終端軟件部分

主程序主要完成傳感器、顯示器、端口設置等初始化，中斷設置、定時器設置。在循環中不斷完成采集數據子程序、顯示子程序，在沒有中斷進入時，一直執行采集、顯示程序。

圖6 發送數據中斷子程序Fig. 6 Transmitting data interrupt subroutine

5 結束語

文中基于ZigBee[7]無線網絡通信技術和SHT11數字式溫濕度傳感器片及DS18B20數字式溫度傳感器來設計該設施農業監控系統。以溫濕度數據采集終端具有低成本、低功耗為目標。對比傳統大棚溫濕度采集方案，該系統具有采集終端組網快、組網簡單、布線簡潔、費用低、網絡易擴張等優點。該系統能夠穩定連續工作，非常適用于現在化設施農業大棚溫濕度數據的監控，在實際應用中具有一定價值。

圖7 接收控制中斷子程序Fig. 7 Receiving control interrupt subroutine

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DAI You-wang,LI Zeng-you,WEI Yu-feng. Design and implementation of low-power wireless sensor node based ZigBee[J].Modern Electronics Technique,2011(18):121-123,126.

ZigBee-based monitoring system of agricultural facilities

LV Wen-yan, LI Jin-ying, YANG Hong-ye
（Inner Mongolia University of Technology,Hohhot010000,China）

By analyzing the needs of intensive agriculture greenhouses, combined with wireless sensor network technology, it is proposed based on ZigBee technology in agricultural facility monitoring system. The design uses a wireless standard developed based on the IEEE802.15.4 ZigBee wireless network, the overall design as STC89C54 microcontroller as the core, and SHT11 digital temperature and humidity sensor, DS18B20 digital temperature sensor, CC2430 RF chip and LCD1602 , temperature and humidity in the greenhouse agriculture for the collection,transmission and display. The experimental results show that the wireless monitoring system of agricultural facilities,stable operation, has a certain practical value.

intensification; agricultural facilities; ZigBee; temperature and humidity; practicality

TN92

A

1674-6236(2014)07-0019-03

2013-06-28稿件編號201306202

呂文艷(1990—)，女，內蒙古二連浩特人，碩士研究生。研究方向：智能控制，智能交通，電子技術。