基于ZigBee技術的溫室環境智能監測系統

卜閃閃

（永城職業學院，河南 永城 476600）

0 引言

環境的實時監測在對溫室的生產具有非常重要的地位，其通過實時監測并及時反饋作物的生長狀況及其環境狀況，從而為用戶合理的調節環境因子促進指導作物的生長提供指導，提高作物的質量和產量。然而，傳統的溫室監測系統都是通過采集環境的濕度與溫度值，但是若需要精確的分析農作物的生長狀態則該參數遠遠不夠，尤其是農作物疾病的控制，不僅需要溫室的實時環境參數，葉片的溫度和濕度也是必不可少的。隨著溫室監測與管理系統的發展，基于ZigBee技術的無線傳輸系統由于其具有體積小、功耗低、傳輸可靠、可擴展性強等優點，因而在溫室環境監測領域的應用前景將非常廣闊。

本文針對此設計并實現了基于ZigBee技術的溫室環境智能監測系統。該系統可以對溫室內的植物生長環境（土壤水分、空氣溫濕度以及CO2濃度等）信息進行實時監測并通過基于ZigBee的無線傳感網絡進行實時的數據傳輸，從而完成溫室環境的實時監測。用戶可以通過這些信息對溫室的環境做出實時的監測并作出調控，從而改善溫室的實時環境，從而實現提高作物的產量。

1 總體設計

本文設計和實現的溫室監測系統主要由用戶終端、協調器節點、路由節點、終端節點和傳感器等幾個部分共同組成。ZigBee終端節點連接有各種傳感器，其中傳感器分布在溫室的各個監測點，負責采集環境數據并將處理后的數據發送給路由節點；路由節點則是獲取各個終端節點發送過來的數據并通過基于ZigBee的無線傳感網絡將其轉發給協調器節點，同時各個路由節點之間也是可以相互通信的，從而大大的延長了系統的有效的通信距離。協調器節點則通過串口與上位機極性實時通信，上傳實時監測信息和接收實時的控制命令；最后上位機軟件完成對數據的存儲和顯示等工作。

2 硬件設計

本監測系統的協調器節點、路由節點和終端節點采用基本相同的硬件設計，但又根據具體實現功能的區別而對各自的具體部分作出調整，同時通過改變主控芯片CC2530程序從而實現不同的節點功能。硬件系統主要由CC2530微處理器、串口輸出模塊、電源模塊、實時時鐘模塊、調試模塊、射頻模塊和傳感器模塊等組成。

2.1 協調器節點硬件設計

協調器節點硬件結構圖如圖1所示。節點的主控芯片采用德州儀器公司的CC2530芯片，其內置增強型8051內核與RF無線收發器相結合，可在保證系統低功耗的情況下同時增強其信號的傳輸能力。若外加CC2591射頻功率放大電路與高增益天線，此時無線傳感網絡的覆蓋范圍可達到450m甚至是千米之上。

圖1 協調器節點硬件結構圖Fig.1 Hardware structural diagram of Coordinator node

協調器節點在整個監測系統中是唯一的，負責整個無線傳感網絡的組建于運行，需要的能量較大，加上其與監控主站相連，因此為滿足其能量的要求本系統采用有線的方式進行供電。供電模塊采用5V電源，并通過電源轉換模塊將其轉換為實際需要的3.3V電壓，電源轉換模塊的核心IC采用穩定性很好的AMS1117穩壓芯片。

當協調器節點成功組建無線傳感網絡后，便會開始與各個協調器節點進行通信：通過上位機的串口接收用戶終端發送的命令；同時監聽來自于網絡的反饋型消息，并上傳到用戶終端。因此協調器節點與其他節點相比增加了串口模塊，其中串口模塊采用MAX3232作為RS232串口芯片。

2.2 終端節點與路由節點硬件設計

終端節點硬件結構圖如2所示。系統中所有節點均以低功耗和高穩定性為準則設計，因此由兩節5號干電池提供的能量足以滿足其工作需求。如圖2可知，除包含各個節點所擁有的共同部分以外，終端節點主要增加了傳感器模塊，該模塊可實現終端節點和各種傳感器之間的無縫連接。

圖2 終端節點硬件結構圖Fig.2 Hardware structural diagram of End-node

綜合考慮具體的監測要求、溫室環境、測量精度以及傳感器等因素，本系統采用如下所示的幾種傳感器：土壤水分傳感器、CO2濃度傳感器以及DHT21溫濕度傳感器。各傳感器主要性能指標如表1所示。

表1 傳感器主要性能指標Tab.1 Primary performance indicators of sensors

該系統中，路由節點和終端節點采用相同的配置，但其不具有傳感器模塊，由此不僅縮短了研發周期，并且進一步降低了節點成本。

3 系統軟件設計

本文設計的溫室無線傳感網路主要由協調器節點、路由節點和終端節點三個部分組成。其中，路由節點可看成是具有與路由相同功能的協調器節點，其在子網中充當著協調器節點的角色，管理網絡的連接和數據的轉換。同時它的網絡層會多出一個路由功能，即為通過其轉換和發送的數據流尋找一條最為合適的路徑，文中軟件設計時移植了Z－Stack協議棧，該協議棧提供完整路由協議，并在應用層是透明的，只需要將數據發送到協議棧，該協議棧即會自動的尋找路徑，并將數據發送到目的地址，因此本設計在程序開發上，主要任務是在ZStack協議棧基礎上，完成對協調器節點和路由節點的程序設計。

3.1 協調器節點軟件設計

協調器節點是整個傳感器網絡的核心，負責整個網絡的建立和網絡的穩定運行。系統上電之后，協調器節點會掃描并選擇一個最合適的信道建立一個初始網絡。當有新的設備申請加入該網絡時，協調器節點則會分配一個16位的短地址給它，并允許其加入網絡。當組網完成后，協調器節點開始接受從終端節點與路由節點上傳的數據，并且通過USB接口將其上傳到上位機。協調器節點的工作流程圖如圖3所示。

圖3 協調器節點軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the coordinator node software

3.2 終端節點軟件設計

終端節點的主要任務是以ZigBee協議的方式將采集到的溫濕度、土壤水分和CO2濃度等數據傳輸到協調器節點。節點完成對傳感器和協議棧的初始化后，即開始掃描信道，尋找合適的網絡，發送加入網絡的信息，當得到確認的答復后，即進入休眠模式以節約能量，當定時器喚醒收到喚醒指令后，則開始通過節點上的傳感器采集相應的參數信息，并將其上傳到協調器節點。終端節點軟件流程圖如圖4所示。

圖4 終端節點軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the terminal node software

4 系統測試

本系統測試為了模擬真實的溫室環境，選擇在某單位的花卉培養室中進行，一方面可驗證網絡的數據采集和傳輸能力，另一方面也可驗證設計的系統能否在溫室這種復雜的環境中正常工作，實驗時間為2014年8月20日，天氣晴朗，室外溫度在35℃左右，濕度在46%RH左右。

該實驗所組建的網絡，是由一個協調器節點、兩個路由節點和四個終端節點所組成的簡單的星形網絡。其中，終端節點必需連接傳感器，負責采集溫室現場的實驗數據。

而當協調器節點上電后，即會構成一個新的網絡。之后會分別給兩個路由節點和四個終端節點上電，并加入新建的網絡。

通過實驗可知，該網絡可以完成溫濕度、土壤水分和CO2濃度等數據的采集，并可通過無線傳感網絡將數據傳送至協調器節點，這表明本文所設計的溫室無線傳感網絡運行狀態良好。同時也可說明所測試得到的數據基本與該環境符合，傳感器在溫室潮濕并且悶熱的環境中并未失準，可以正常工作。

5 結束語

本文基于ZigBee技術，提出了一種溫室環境智能監測系統解決方案，設計了以CC2530芯片為核心的硬件結構節點，并移植了ZStack協議棧，以此對系統進行了軟件設計。實驗結果表明：本文設計的基于ZigBee技術的溫室環境智能監測系統能準確監測溫室的溫濕度、土壤水分和CO2濃度等數據，并且能將這些信息準確的傳送至協調器節點，最終傳輸到上位機。

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