Zigbee智慧連棟溫室環境監控系統

天地（常州）自動化股份有限公司 邱 宇 張 建 袁鳳培

Zigbee智慧連棟溫室環境監控系統

天地（常州）自動化股份有限公司 邱 宇 張 建 袁鳳培

對于農場式規模經營的不斷壯大，農業各種基礎設施也不斷的完善成熟，但在一些監控監測方面還存在著很多問題，尤其是大面積的節點布局通過有線方式來構成大型的溫室監控網絡來進行溫濕度以及光照度、pH值等信息，這樣使得連棟溫室內走線雜亂、安裝維護困難以及帶來很多的不穩定因素。若直接采用GSM或GPRS的無線傳輸模式則使得成本較高。采用性價比較高的Zigbee模塊來實現無線組網，經濟實惠的解決智慧連棟溫室的網絡傳輸問題。

Zigbee；智慧農業；傳感器；無線；組網

引言

隨著國家一號文件的發布，對農業的大力支持，越來越多的個體種植戶正在向莊園及農場的方式轉變。對于一個園區而言，溫室群的管理耗費了大量的人力物力。雖然在一些先進的溫室已有一些簡單的控制設備通過有線及局域性的無線控制，但面臨整個網絡還存在傳感器節點數量多、實現成本高、可靠性低等特點。對于一些工作人員只能憑經驗粗略的對溫室環境進行調節，然而對于作物的生理參數重視的很少。

本系統主要通過性價比較高、穩定的Zigebee網絡來實現對作物生理環境參數的采集以便于根據系統集成的專家推薦經驗環境值通過一些設備來改善環境，提高作物的成活率，增產增效，節省成本。實現大區域的智慧溫室，提高產值。

圖1 系統整體拓撲

1 環境信息監測系統結構

如圖1所示本系統設計為三層的網絡結構即終端節點層、數據傳輸層以及應用層。系統的終端節點層主要分為數據采集和輸出控制兩類模塊。其中數據采集模塊主要完成溫室環境的土壤以及環境的溫濕度、PH值、空氣中的二氧化碳含量等信息值，設備控制模塊主要根據監控中心或者協調器節點發出的指令進行相應的環境溫濕度及地灌、二氧化碳等設備進行控制，從而將環境改善適合作物的生長環境；數據的傳輸層主要由Zigebee網絡終端節點、路由以及協調器節點組成；應用層主要由Labview進行上位機界面設計來實現對連棟溫室的監控監測。

本設計的Zigbee網絡通過使用協調器發命令對終端進行輪詢數據查詢的方式，這種方式可以保證每個終端在整個網絡中的地址分配唯一，不存在數據傳輸的沖突及丟包問題，Zigebee的理論接入點為65536，本設計通過對Zigebee發射功率的加強，大大增加了其傳輸性能，增大了網絡的覆蓋面積。

2 系統硬件設計

2.1 芯片及模塊選型

CC2530具有成本低、功耗低以及硬件資源豐富等優點，屬于帶射頻的單片機。可以直接對傳感器進行數據采集，CC2530具有8路 AD轉換通道 可以連接8種模擬量傳感器及多種數字及開關量傳感器。通過定時器、通訊、DMA、定時器以及協議處理器等完成較復雜的數據采集及傳輸任務。在本設計中主要涉及的物理量有空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度以及土壤PH值等。需要接入的傳感器主要為DS18B20數字式溫度傳感器、HM1500模擬量濕度傳感器以及HA151-PH型耐堿pH電極PH值傳感器、光強、二氧化碳等模擬量傳感器。CC2530結合自身的豐富資源完全可以滿足一個分站的設計需求。

2.2 Zigbee硬件電路設計

本設計中的CC2530具有電路設計簡單，可靠穩定的特點，如圖2所示為Zigebee的基礎工作電路。電路中的32M時鐘晶振的主要作用是為CPU供主頻，本設計中需要使用RF射頻功能，因此對此時鐘的性能參數要求較高。系統中的32.768kHz晶振主要作用是當CC2530進入睡眠模式時為睡眠定時器以及看門狗提供時鐘從而降低系功耗。射頻天線接口的作用是將CC2530輸出的模擬信號通過外圍天線電路發射出去，信號通過LC電路以及匹配電路將單端信號與天線的阻抗匹配后通過陶瓷天線將信號發射出去。

表2 完整幀格式

為了避免電路受到電源的影響，電路中增加了電源濾波，為了更精確的得到AD，選取了REF3330芯片作為Zigebee的精準外部參考電壓。協調器中選擇芯片的P0_2和P0_3作為串行通訊接口并可通過MAX232芯片與主機進行通訊。

圖2 Zigbee硬件電路

3 系統軟件設計

3.1 協議棧及處理流程

本系統采用z_stack協議棧軟件進行開發，使用此軟件主要在初始化過程中通過函數osal_init_system()這個接口函數來初始化操作系統的抽象層，通過調用osalInitTasks()函數來對任務列表進行優先級的分配以及任務的調度，優先級高的返回小值。在協議棧中有個負責任務處理的數組taskArr[]，其內容與osalInitTask()初始化的順序是相同的，更利于任務的調度。當前的掃描任務主要由tasksEvents指針指向。

3.2 數據幀傳輸編碼

為了提高數據傳輸的可靠性，本文設計了傳輸幀格式，將采集到的一組數據以打包的形式發送出去，在每一幀中都有校驗碼，提高數據的可靠性。每一幀的數據格式分配如表1所示：單獨的有效數據幀以“{{” 開頭，以“}}”結束；ID為5個字節，其中前兩個字節為數據內容長度，接下來兩個字節為序列號, 例如：00 01～99 99用來區分是第幾個數據；最后一個字節來表示數據類型，如B：濕度。

表1 數據幀格式

當Data為濕度信號值。一段完整的數據幀如表2所示：

表2中的設備地址主要區分是哪個數據采集分站的數據，用兩個字節；作為識別一幀數據的開始和結束分辨用引號來表示；CS校驗方式：校驗碼主要為(ID＋識別碼+數據)%256來作為校驗碼。

4 現場測試及應用

分別將防水溫度采集探頭、濕度探頭、光照以及PH值等傳感器接入16組數據采集分站，將分站在每棟溫室內放兩個節點。在上電后Zigebee實現自動組網，將實時采集的書庫傳送至主機及上位機。

圖3 現場應用及上位機

為了給溫室內的作物提供更加合理的生長環境，該系統內部建立了相關作物的生長條件專家系統，可以更加方便的指導業主對作物更加合理的種植，對作物的生長環境改善實現智能化自動控制，方便管理。通過現場實踐表明，該網絡信息傳輸穩定，方便實用，大大的改變了以往人工檢測的情況，更加合理的對通風、增二氧化碳以及排濕等操作。達到很好的降本增效效果。

5 結語

本系統主要通過在聯動溫室內安裝基于Zigebee的無線數據采集節點，對溫室內的環境進行監測，實時了解溫室內的溫濕度以及光照等，便于及時通過增二氧化碳泵、滴管等來改變溫室的環境，從而使得作物成長在一個舒適的環境，增產增效，節約成本，具有實用價值。

[1]劉玉珍,程政,蔣靖．基于Zigebee的井下巷道瓦斯監測系統[J]．儀表技術與傳感器2012(9):49-51．

[2]徐盛龍,王偉波,基于Zigebee的工業無線數據采集器設計[J]．工礦自動化,2013,39(7):88-90．

邱宇（1978—），男，江蘇常州人，大學本科，工程師，主要從事自動化產品的硬件設計與研發工作。