基于ZigBee的蔬菜大棚環境監控系統設計

李瑋瑤等

摘 要： 根據現代農業種植智能化的需要，設計一種基于ZigBee技術的蔬菜大棚環境監控系統。通過對傳感器節點、協調器節點、路由器節點和終端控制器的硬件和軟件設計，結合ZigBee傳感技術實現了對棚內空氣土壤溫濕度、CO2濃度和光照強度等參數的無線監測和控制。該系統很好地解決了傳統蔬菜大棚管理中布線難、節點移動性差和系統可擴展性差等問題，滿足了蔬菜大棚中環境參數自動監測的需要，具有很強的應用推廣價值。

關鍵詞： 蔬菜大棚； 環境監控； ZigBee； 無線監測

中圖分類號： TN911?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0051?04

0 引 言

大棚蔬菜對生長環境的要求很高，如何利用智能無線控制技術對棚內的溫度、濕度、光照、CO2濃度等條件進行實時監控，是現代農業向智能化和信息化發展的必然趨勢[1]。傳統監控方式一般采用離線的現場環境參數檢測設備來實現大棚環境的監測，很難做到實時和在線監測，普遍存在缺乏靈活性、準確性較低，速度慢等問題[2?5]。因此，本文依照物聯網3層結構，采用 ZigBee無線傳輸技術實現數據的無線傳輸，使用傳感器技術設計信息采集設備，利用嵌入式微處理器 LPC2103 設計顯示終端，設計了一種蔬菜大棚智能無線監控系統。本系統通過將信息采集設備結合嵌入式設計，保證數據實時性，降低了系統功耗。通過可移動監測終端的設計，方便了管理人員隨時查看監測數據。具有可靠性高、可擴展性強、方便操作等特點，大大提高了蔬菜種植的經濟和社會效益。

1 系統總體結構設計

系統主要包括3個模塊：信息采控模塊、數據傳輸模塊和控制終端模塊。采用主從式無線監控原理，在棚內布置多個監測節點，實時采集環境參數，并將采集到的數據傳遞給分節點，由分節點進行記錄顯示并通過ZigBee無線網絡傳到大棚主節點[6]，經過數據對比分析后發送給控制終端模塊。

其中，信息采控模塊由傳感器和微處理器組成，通過無線傳感網進行采集信息的上傳和控制指令的下達，傳感器節點負責對棚內土壤和空氣的溫濕度、光照強度、CO2濃度等數據進行采集，微處理器負責執行控制指令對卷簾電機、澆灌設備、通風設備和照明設備等調控設施控制閥門進行相應啟動。數據傳輸模塊包括無線傳感網絡、路由器節點和協調器節點[7]。控制終端模塊包括PC控制終端和嵌入式手持監測終端。監控系統硬件結構如圖1所示。

基于高性價比原則，無線傳輸采用Chipcon公司的CC2430的32 kB版本的ZigBee模塊，該模塊低功耗、低成本、處理速度快，內部具有工作電壓監測和溫度感知功能，適用于多種開發平臺[8?9]。

傳感器也是耗能單元[10]，為降低系統功耗，根據不同傳感器特征進行了相應選擇。光照強度傳感器，選用特性參數以真實太陽光做為參考，可降低光源對傳感器采集產生影響的HA2003 高精度的傳感器模塊[11]。濕度傳感器采用體積小，可浸沒、抗干擾能力強、可進行露點測試的DWS?S8模塊[12?14]。CO2濃度傳感器采用BMG?CO2?NDIR傳感器；溫度傳感器采用DS18B20數字溫度傳感器。

2 系統硬件設計

2.1 無線傳感網絡節點硬件設計

無線傳感網絡節點包括負責信息采集、測量環境參數和無線發送的終端節點；負責轉發網絡信息、完成信息傳輸的路由器節點；負責收集信息、傳送信息、控制網絡的協調器節點。

終端節點設計如圖2所示，其中傳感器模塊由包括溫度、濕度、光照、CO2傳感器構成的一組傳感器和驅動電路組成。只需在 CC2430 微處理器的 32（RF_P）管腳和34（RF_N）管腳接震蕩電路即可實現信息的無線收發[15]。

路由器節點設計如圖3所示，其硬件結構與終端節點相似，不同之處在于，為了實現路由轉發功能，其加入了路由表功能程序。

協調器節點設計如圖4所示。其中按鍵模塊中有4個功能鍵，用以完成新建網絡、允許綁定、關閉網絡和復位功能，同時為確保功能鍵軟件和硬件的獨立性，除復位鍵連接微處理器的復位引腳外，其他3個功能鍵分別占用處理器的一個I/O端口。報警器電路由一個三極管和一個蜂鳴器組成。顯示模塊使用LCD12864 液晶顯示屏，該屏具有帶字庫、便于操作、可交互性強等特點。電源模塊為保證向CC2430處理器和LCD12864 液晶顯示屏提供穩定電壓，設計加入了穩壓器芯片78M05，起到過熱過流關斷保護功能。

2.2 監測終端硬件設計

為方便工作人員隨時查看監測數據，在監測終端開發時，除完成PC終端的硬件設計外，還重點進行了嵌入式手持監測終端的設計。嵌入式手持監測終端主要由32位ARM7系列的LPC2103 微處理器、負責人機交互的按鍵電路、負責數據顯示和界面操作的液晶顯示屏、負責與傳感器節點進行無線通信，獲得采集參數數據的CC2430通信單元和負責為微處理器提供實時時鐘信號的晶振電路5個部分組成。手持終端的硬件結構如圖5所示。

按鍵電路有3個功能鍵，分別是選擇、確認和復位，通過占用LPC2103微處理器的相應I/O端口實現。電源電路負責為CC2430通信單元和LPC2103主控制器提供穩定的工作電壓，可通過USB電源或安裝4節干電池2種形式進行供電CC2430通信單元通過內部串口 UART 完成與LPC2103微處理器間的信息交互，采用異步串行通信協議完成傳輸過程，其內部通信結構見圖6。

3 系統軟件設計

系統軟件采用 IAR 軟件開發環境對無線傳感網中各個節點程序進行開發，采用ADS1.2開發環境完成嵌入式手持監測終端LPC2103主控制器中的程序開發。

3.1 網絡節點設備軟件設計

網絡節點的設計主要包括終端節點、路由器節點和協調器節點。終端節點的工作流程主要為打開電源初始化硬件設備、搜索網絡、請求加入網絡、加入網絡和上傳信息至網絡；協調器節點的工作流程主要為初始化硬件、新建網絡、允許設備綁定和數據上傳，路由器節點的工作流程主要為接收協調器指令、連接終端節點、上傳數據、發送采集數據至協調器節點。

3.2 傳感器節點軟件設計

溫度傳感器與微處理器間是串行通行方式，為了確保正確讀取數據，其代碼編寫通常采用C語言和匯編相結合的方式進行，主要的控制命令為溫度轉換、讀暫存器、寫暫存器和復制暫存器[16]。

傳感器節點的代碼設計為：啟動溫度傳感器，寫入命令數據44H，開始溫度數據的輸出；讀暫存器9位二進制數據，通過寫入數據 BEH 到讀暫存器來實現；寄存器TH、TL 寫入一個寄存器中的數據4EH；CPU獲得供電信號，設置電源的工作方式。

3.3 監測終端程序設計

這里重點對嵌入式無線手持終端的按鍵程序、顯示程序和通信程序設計進行介紹。

按鍵程序主要實現主控制器 LPC2103 對復位、選擇、確認3個功能按鍵的識別和對應函數的設計。

通信程序主要通過串口方式實現芯片間的數據交互[17]，代碼設計為：設置嵌入式主控制器 LPC2103 中串口 UART1 的波特率、奇偶校驗、停止位等規則，完成串口初始化；程序進入讀取狀態；將讀到的數據轉化為 ASCII 碼；調用顯示函數進行數據顯示。

顯示程序的代碼設計為：讀取 DB7 數據端的高低電平狀態，測試數據線是否處于忙狀態；設置輸入數據類型；設置液晶屏的引腳 EN選擇端口的使能狀態；關閉使能端。核心代碼如下：

4 溫度控制算法設計

現代農業種植中，為增產高效，蔬菜大棚的面積日漸增大。對棚內溫度的控制主要通過分布在不同位置的各個卷簾設備實現，所以卷簾的控制策略將直接影響到棚內溫度的調控。為確保棚內溫度均勻分布，設計一套溫度控制算法很有必要。設將大棚分為16個區域，每個區域對應一個溫度值，溫度分布區域如圖7所示。

5 結 語

本文設計的蔬菜大棚環境監控系統實現了對棚內環境參數的實時采集和無線調控，系統通過采用ZigBee 技術構建無線傳感網和不同型號傳感器節點完成采集，從而達到保證系統的低功耗、低成本和高性能的目的。為卷簾設備控制溫度設計了相應算法以確保棚內各區域溫度分布的均勻性。采用嵌入式微處理器LPC2103 結合無線通信芯片 CC2430 設計出了嵌入式手持終端，與傳統的 PC 監測終端相結合共同完成數據的實時顯示。具有組網簡單，使用方便，易于維護擴展等特點，很好地解決了傳統有線監控系統存在的問題，具有很強的推廣價值。

參考文獻

[1] 安國民，徐世艷，趙華春.國外設施農業現狀與發展趨勢[J].現代化農業，2004，12（5）：34?36.

[2] 蔡鑌，馬玉芳，邱秀榮，等.面向智能農業的物聯網應用研究[J].現代農業科技，2013（14）：337?338.

[3] 馬國美，宋仲康.基于 DSP 的智能大棚系統的設計[J].儀表技術，2011，21（8）：36?37.

[4] 陳一飛.農業復雜大系統的智能控制與農業物聯網關系探討[J].農業網絡信息，2012（2）：8?11.

[5] 高翔，齊新丹，李驊.我國設施農業的現狀與發展對策分析[J].安徽農業科學，2007，35（11）：3453?3454.

[6] 馬玉泉，盧衛娜，藺志鵬.主從分布式溫室環境參數測控系統[J].農機化研究，2011（3）：84?86.

[7] 康鴻雁.基于 GSM 短消息的農業大棚信息采集系統設計[J].安徽農業科學，2012，40（4）：2526?2527.

[8] 李文仲，段朝玉.ZigBee 2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[9] 翟雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee 技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[10] 程元，鄢楚平，雷昕，等.基于低能耗的無線傳感器節點硬件設計方法研究[J].計算機工程與設計，2008，29（24）：6221?6222.

[11] 袁少博，楊誠，花梅.無線傳感器的設計與應用[J].信息通信，2011（5）：40?42.

[12] 張西紅.無線傳感器網技術及其軍事應用[M].北京：國防工業出版社，2010.

[13] 張小斌，鄭可鋒，張建成，等.無線傳感網在浙江設施農業大棚中的應用探討[J].浙江農業學報，2011，23（2）：400?402.

[14] 張小偉.基于物聯網技術的農業大棚監控系統研究[D].西安：陜西科技大學，2014.

[15] 吳新生.基于3G和ZigBee的蔬菜大棚遠程無線監控系統的設計[J].計算機與現代化，2013（5）：124?127.

[16] 王軍，孫建程，曾靜.基于ZigBee的蔬菜大棚無線監控系統設計[J].計算機工程與設計，2013，34（3）：1126?1129.

[17] 侯衛平，鐘蘇立，包君.基于ZigBee蔬菜大棚溫濕度遠程監控系統的研究設計[J].中國農機化學報，2014，35（4）：196?198.