基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)研究

毛弋

摘 要：要保證農(nóng)作物在溫室里健康的生長(zhǎng)就必須將影響它們生長(zhǎng)的環(huán)境因素給排除，溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等因素影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)。本文通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，著重研究利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，系統(tǒng)以傳感器節(jié)點(diǎn)、通信軟件和監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和信息發(fā)布。

關(guān)鍵詞：ZigBee；環(huán)境因素；傳感器

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中，空氣中的溫度、濕度、光照強(qiáng)弱及環(huán)境溫度和濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境因素影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)和生產(chǎn)量，因此控制這些因素需要提取空氣和環(huán)境中含有這些因素的數(shù)值，才能精確的和有效的控制空氣和環(huán)境中這些環(huán)境因素，從而保證農(nóng)作物在正常的環(huán)境下生長(zhǎng)及提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。在舊的農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)過(guò)程中，這些因素主要靠目測(cè)和經(jīng)驗(yàn)等這些手段來(lái)檢驗(yàn)，缺少正真的數(shù)據(jù)，這些因素大大限制了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，還影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)質(zhì)量，使我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期處于低水平層次。

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

目前溫室環(huán)境控制系統(tǒng)主要針對(duì)溫度和濕度控制進(jìn)行研究：有采用模糊控制方法，通過(guò)建立模糊控制系統(tǒng)模型和對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)，引入解藕參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫濕度解耦控制，提高了溫濕度控制的精度；有針對(duì)溫室氣候控制方法中溫濕度之間的耦合作用，提出以溫度控制為主、濕度控制為輔的控制策略，并建立兩變量輸入、三變量輸出的控制主回路和補(bǔ)償回路模糊控制系統(tǒng)，從而為溫濕度控制提供了一種行之有效的方法；有采用逆系統(tǒng)方法對(duì)溫室環(huán)境非線性系統(tǒng)進(jìn)行了解耦和線性化，同時(shí)對(duì)隨機(jī)的擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，采用PDF控制算法和Smith預(yù)估補(bǔ)償對(duì)線性化后的系統(tǒng)進(jìn)行了綜合校正，在選擇校正后閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)時(shí)考慮了非線性系統(tǒng)解耦的要求；有通過(guò)對(duì)歷史溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的合理分析，將溫室的溫度控制模型近似為一階慣性加時(shí)滯環(huán)節(jié)；有基于該溫度近似模型，采用時(shí)間為權(quán)誤差積分指標(biāo)最優(yōu)的參數(shù)，自整定公式來(lái)整定PID控制器參數(shù)，將整定后的PID控制器應(yīng)用于溫室控制；有通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘，利用采集的溫室內(nèi)、外溫度及室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)對(duì)溫室狀態(tài)進(jìn)行分類，提出一種基于各類別中的溫室溫、濕度變化率相關(guān)性進(jìn)行模糊解耦控制；有考慮開關(guān)設(shè)備組合作用下溫室測(cè)控系統(tǒng)的非線性動(dòng)態(tài)特性，提出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需復(fù)雜數(shù)值計(jì)算的離散預(yù)測(cè)模型，對(duì)設(shè)備組合進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化預(yù)測(cè)控制，大大簡(jiǎn)化溫室測(cè)控系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制算法的復(fù)雜性，緩解了測(cè)控系統(tǒng)分布大時(shí)滯問(wèn)題。

1.2 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外的溫室環(huán)境起步較早，溫室環(huán)境控制經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，控制性，提出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需復(fù)雜數(shù)值計(jì)算的離散預(yù)測(cè)模型，對(duì)設(shè)備組合進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化預(yù)測(cè)控制，大大簡(jiǎn)化溫室測(cè)控系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制算法的復(fù)雜性，緩解了測(cè)控系統(tǒng)分布大時(shí)滯問(wèn)題。隨著用于溫室環(huán)境控制的作物模型的研究，研究人員將溫室物理模型和作物模型結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)溫室的高效生產(chǎn)：有進(jìn)行模擬研究確定溫室二氧化碳施肥的優(yōu)化措施，其方法是在建立一系列函數(shù)（作物生長(zhǎng)函數(shù)、溫室函數(shù)、設(shè)備函數(shù)及成本函數(shù)）之后，進(jìn)行數(shù)值尋優(yōu)得到不同溫光水平下最優(yōu)的二氧化碳施肥量，并給出一系列圖表用于指導(dǎo)實(shí)際二氧化碳施肥操作管理；有利用作物的光合作用和蒸騰作用進(jìn)行溫室內(nèi)短期的優(yōu)化與控制，利用有效積溫的原理進(jìn)行溫室的長(zhǎng)期的優(yōu)化與控制，將短期優(yōu)化和長(zhǎng)期優(yōu)化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)的溫室環(huán)境控制；有利用作物的光輻射吸收、葉片的光合作用和呼吸作用預(yù)測(cè)模型建立了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，根據(jù)自然光照來(lái)控制溫室內(nèi)的溫度，系統(tǒng)在節(jié)省能源和由于光照減弱而導(dǎo)致的作物產(chǎn)量降低之間取得了很好的平衡。國(guó)外進(jìn)行溫室環(huán)境監(jiān)控時(shí)，已經(jīng)考慮到農(nóng)作物與環(huán)境的相互作用機(jī)制，同時(shí)考慮到作物動(dòng)態(tài)響應(yīng)與環(huán)境動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)間尺度不一致。

2 ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)介

2.1 技術(shù)說(shuō)明

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。簡(jiǎn)單的說(shuō)，ZigBee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)限擴(kuò)展。ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無(wú)限擴(kuò)展。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee是一種無(wú)線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國(guó)流行）3個(gè)頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee具有低功耗、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3 基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

3.1 研究概述

本文利用ZigBee技術(shù)，研究設(shè)計(jì)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)包含傳感器采集節(jié)點(diǎn)，繼電器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)精確采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境中的二氧化碳濃度等環(huán)境要素，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器存儲(chǔ)、分析。通過(guò)無(wú)線通信模塊完成網(wǎng)絡(luò)的加入及退出、傳感器數(shù)值的上傳及各種命令的接收等工作；通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊完成各種傳感器數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)的封包等工作；通過(guò)人機(jī)交互模塊完成用戶操作的輸入及系統(tǒng)各種信息的輸出等工作；通過(guò)電源監(jiān)控及控制模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電電源電量的監(jiān)控及傳感器電源的控制；通過(guò)系統(tǒng)配置模塊，實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程對(duì)本節(jié)點(diǎn)某些參數(shù)的配置功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，可上行發(fā)送所控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息給數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)，也可接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)下行發(fā)來(lái)的控制命令開啟或關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備。

3.2 設(shè)計(jì)思路

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、繼電器模塊、協(xié)調(diào)器模塊和電源管理模塊組成，傳感器模塊負(fù)責(zé)通過(guò)各種類型的傳感器采集物理信息；繼電器模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器發(fā)送來(lái)的命令來(lái)控制設(shè)備；協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，它通過(guò)ZigBee無(wú)線組網(wǎng)功能將數(shù)據(jù)傳送到路由節(jié)點(diǎn)或主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或經(jīng)過(guò)上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)給主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，主協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS232串口將所有信息匯集傳至PC機(jī)或服務(wù)器。本系統(tǒng)的模型主要分為四塊：溫濕度的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、負(fù)責(zé)從節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、主機(jī)（服務(wù)器）以及控制設(shè)備的節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1-1所示：

該系統(tǒng)由上位機(jī)（PC）監(jiān)控端和下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集溫室溫室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，上位機(jī)負(fù)責(zé)顯示溫濕度數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由溫濕度傳感器模塊、路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊組成。溫濕度傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集、存儲(chǔ)和上傳溫濕度信息。路由器模塊主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)溫濕度信息。協(xié)調(diào)器模塊主要完成溫濕度數(shù)據(jù)的匯聚。下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和上位機(jī)之間通過(guò)RS-232串口進(jìn)行通信。當(dāng)監(jiān)控溫室溫濕度信息時(shí)，首先通過(guò)上位機(jī)端監(jiān)控軟件，設(shè)置好波特率和串口號(hào)等參數(shù)，然后協(xié)調(diào)器開始組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)路由器節(jié)點(diǎn)和溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)開始加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。分布在各個(gè)溫室內(nèi)的溫濕度傳感模塊開始采集溫濕度信息，并存儲(chǔ)在Flash中，通過(guò)單跳或者多跳的方式發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控端接收到溫濕度信息后，把各個(gè)溫室內(nèi)的溫濕度信息顯示出來(lái)。當(dāng)溫濕度信息異常時(shí)，在監(jiān)控端會(huì)有異常提示，以便及時(shí)處理。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)每隔一定的時(shí)間采集一次它周圍的溫濕度，并將溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)臨近節(jié)點(diǎn)或直接傳給基站核心板上；基站核心板負(fù)責(zé)收集從各個(gè)幾點(diǎn)上傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口轉(zhuǎn)傳到服務(wù)器端上；遠(yuǎn)程主機(jī)將建立數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，為用戶提供查詢操作，主機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究，將為環(huán)境監(jiān)控的發(fā)展提供新的手段和工具。環(huán)境監(jiān)控的發(fā)展是一種目的，而ZigBee技術(shù)正是促進(jìn)發(fā)展目的的更好實(shí)現(xiàn)。新時(shí)期，我們要加強(qiáng)對(duì)ZigBee技術(shù)和溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究，利用穩(wěn)定可靠的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，把ZigBee技術(shù)推廣應(yīng)用到溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中來(lái)。

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