基于ZigBee和GPRS的溫室控制系統研究

李將　俞阿龍　蔡文科　李倩倩

摘要：為了適應現代農業發展的需求，提高農業溫室控制系統的智能化水平，提出了以CC2530處理器為核心組建ZigBee網絡，結合GPRS無線通信模塊和Web遠程控制技術實現數據采集與溫室設備控制的方案。該系統根據采集到的溫度、濕度、照度、CO2濃度等溫室參數，與事先設定的環境參數進行對比，經分析后通過服務器控制軟件和手機客戶端實現對溫室設備的遠程控制。性能測試結果表明，該系統穩定、智能化程度高，具有廣泛的應用推廣價值。

關鍵詞：農業溫室控制系統；CC2530處理器；ZigBee；溫室控制；GPRS；性能測試

中圖分類號： S126；TP273 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0494-04

隨著現代農業發展的需求，智能溫室與當代科學技術的結合程度越來越高，實現了植物生長小環境中溫度、濕度、照度、CO2濃度等環境參數的自動檢測和控制[1]，保證了植物全年能夠不受外界因素影響地處于最佳的生長環境，從而提高產量，縮短生長周期。智能溫室有很多普通溫室所不具備的優點，符合現代農業發展的要求，是當今世界農業生產的發展方向。目前，國內溫室控制主要采用人工實地測試和有線監控方式，摻雜過多的人工經驗[2]。人工實地測試不能實時監測溫室環境變化，更不能根據需求自動打開相應溫室設備，無法滿足現代溫室農業控制系統的要求。有線控制方式布線復雜，性能不穩定，成本高，不利于提高溫室大棚的利潤率。 因此，本研究提出了一種基于ZigBee無線通信技術的智能溫室控制系統，結合GPRS以及嵌入式技術[3]，通過Web實現了數據和控制指令的無線遠距離傳輸，系統集成度高，克服了原有智能溫室控制系統的許多缺點，適合在農業中廣泛運用。

1 系統總體設計

該系統以CC2530處理器為核心設計了采集數據的傳感器節點和控制系統的執行節點。傳感器節點、執行節點、協調器節點組成星型結構的ZigBee網絡。WSN（無線傳感器網絡）節點上集成了空氣溫濕度、照度及CO2濃度傳感器，測到的數據經ZigBee網絡上傳給協調器節點，協調器節點對接收到的數據進行初步處理并存儲，發送給GPRS模塊，經由移動GPRS網絡及Internet網絡，最終傳給指定IP地址的終端服務器[4]。服務器將接收的數據存入數據庫，客戶端通過智能手機或連接網絡的電腦從數據庫獲取數據，以曲線和讀數2種方式進行顯示[5]。若采集的環境數據超出預先設定的參數范圍，系統會發送警告信息提醒管理者注意并按相應的邏輯控制關系自動發出控制指令，經由互聯網、移動GPRS網絡和ZigBee網絡，反向發送到WSN執行節點，以控制相應設備的啟停，達到控制環境參數的目的。系統總體框見圖1。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器節點硬件設計

傳感器節點是農業溫室控制系統最基本的元素，主要負責采集溫度、濕度、照度、CO2濃度等環境參數。傳感器節點主要由傳感器模塊、CC2530模塊和電源模塊3部分組成，硬件框見圖2。系統所使用的數字溫濕度傳感器AM2301/DHT21是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。照度傳感器采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，直接數字輸出，模塊內部包含通信電平轉換，標準NXP IIC通信協議，測量精度高，工作溫度在-40～85 ℃范圍內，能適應條件惡劣的環境。CO2濃度檢測方面采用“快樂海岸”MG811高性價比CO2濃度傳感器，受溫濕度的變化影響較小，具有良好的穩定性和再現性。測量范圍350～20 000 mg/L，輸出4～20 mA 的線性信號，可滿足農業溫室的要求。

2.2 執行節點硬件設計

執行節點由CC2530、繼電器、溫室設備和電源4部分組成。執行節點是實現整個系統功能的重要環節，在溫室控制系統中起著控制溫室設備以調節環境參數的功能。

CC2530集成了業界領先的RF收發器、增強工業標準的8051MCU、8 kB的RAM、ADC、USART、DMA等功能部件，因此主模塊只需很少的外圍元件，就可構成滿足節點功能的主控模塊，實現系統所需功能。CC2530外圍電路見圖3，主時鐘晶振采用32 MHz無源晶振和32.768 kHz時鐘晶振，無線RF模塊外圍電路采用阻抗匹配網絡，且模塊內部都選用質量較好的電感器、電容器等元件，天線使用50 Ω鞭狀負極性天線。在溫室內傳感器節點和執行節點設計方面，CC2530需要實現的功能和外圍模塊主要有3個部分：通過A/D口控制傳感器模塊進行數據采集；通過I/O口相應主機控制；控制無線RF模塊完成數據的收發[3]。

執行節點設計部分CC2530通過繼電器來控制各溫室設備的啟停，根據實際需要，本系統所設計的是一款帶光耦隔離

的八路繼電器模塊，性能穩定、抗干擾能力強，采用大電流繼電器（AC250 V 10 A DC30 V 10 A），可以控制各種溫室設備及大電流負載。具體的繼電器控制原理見圖4。八路繼電器總共有10個接口：1個接地，1個接電源端，其余8個接口分別連接CC2530的P0_0至P0_7接口。具體工作原理如下：執行節點根據終端服務器發送的控制命令決定各輸入口置高電平或低電平，置低電平信號時，電源端通過發光二極管回到輸入端形成通路，發光二極管被點亮，光敏管受光照射產生光電流[6]，使輸出端產生相應的電信號，該電信號使得三極管導通，經三極管放大后連通電磁鐵，從而銜鐵被電磁鐵吸下來，進而打開相應的溫室設備進行加溫，通風等操作，控制溫室內的環境因子。當輸入端置高電平時，關閉相應的溫室設備。各具體的溫室設備限于篇幅本研究不作討論。

2.3 GPRS模塊硬件設計

本系統根據廈門才茂提供的GPRS DTU設計了GPRS無線通信模塊。該模塊有標準的硬件連接電路，為了減少使用難度，內置了TCP/IP協議，它可看作是嵌入式微處理器與GPRS MODEM的結合，它具備GPRS撥號上網以及TCP/IP數據通信的功能，方便完成點對點、點對多點等復雜連接；提供串口數據雙向轉換功能，可以將串口上的原始數據轉換成TCP/IP數據包進行發送，而不須要改變原有的數據通信內容[7]。實現IP方式或動態IP+動態域名解析方式的模式。內部硬件連接示意見圖5。endprint

3 系統軟件設計

3.1 協調器軟件設計

協調器流程見圖6。ZigBee協調器主要負責組織整個網絡，是整個系統信息傳送的中樞環節。協調器處理各終端節點加入ZigBee網絡的請求，節點成功加入網絡后向協調器節點發送采集到的環境信息。同時協調器節點與GPRS模塊組成嵌入式網關，負責與遠程服務器進行通信，實現了數據和指令的遠程無線傳輸。

3.2 服務器終端控制軟件設計

系統采用B/S模式構建，客戶端有著強大的自主功能，用戶只需通過瀏覽器就可以實時監測溫室的環境數據，根據與預先設定的參數進行比較，通過終端服務器控制軟件或通過手機即可實現對遠程溫室現場發送相應的控制指令，以調節溫室環境。服務器端控制軟件采用基于 . net framework 3.0的C# 語言進行編寫。運用多線程處理技術，讓單個處理器都能使用線程級并行計算，提高CPU運行效率，進而提高程序處理與溫室設備控制的效率，保證溫室設備控制的時效性[8]。服務器端與GPRS模塊采用TCP/IP協議進行遠程通信，主要完成了對溫室內部的溫度、濕度、照度、CO2濃度的信息采集與管理，根據采集的數據信息，發送終端設備控制指令，實現對溫室設備的遠程控制。整個服務器軟件部分包括4部分：負責與終端通信及鏈路檢測軟件、WEB服務及訪問控制軟件、數據庫管理軟件以及環境參數設置及相應指令發送控制軟件。服務器軟件結構見圖7。

3.3 GPRS模塊軟件設計

重點要解決信息的無線遠程傳輸，因為這是遠程控制功能實現的前提條件。本系統采用基于GPRS DTU所組成的GPRS模塊與遠程服務器端進行通信。GPRS的通信具有速

度快、通信費用低、組網靈活等優點[9]，可適用于所有帶串口的終端設備，通過GPRS網絡平臺實現數據信息的無線和透明傳輸，服務器端軟件將接收的數據包整理成Modbus-RTU協議的格式，通過電腦上的串口（或虛擬串口）發給服務器端控制軟件使用。GPRS DTU在使用前須要進行一定的配置，DTU通電后，用RS-232信號傳輸線（只用到DB-9的2、3、5引腳，其他引腳必須懸空）連接到PC機的串口。在PC機上運行DTU配置軟件。配置部分主要包括網絡參數、DTU工作參數、激活參數、短信中心號碼以及協議參數的設定[10]。具體的配置界面見圖8。

4 系統性能測試與總結

系統分手動和自動控制2種方式，所謂的手動是指通過人工判斷和數據分析后，管理人員通過聯網電腦或移動手機通過WEB技術實現遠程發送控制指令，以增強管理人員的能動性和干預能力[5]，提高系統的穩定性。

以江蘇淮安地區黃秋葵的種植對環境參數要求為例對系統性能進行測試。測試結果表明，當環境參數超出設定參數時，管理人員會收到警告信息且服務器端會自動遠程發送相應的控制指令，及時調節環境參數，使溫室環境始終保持在最適合植物生長的狀態，系統智能化程度高，可滿足現代溫室的要求。

系統的終端采集網絡和遠程數據的傳送都采用了無線的方式，這使得整個系統更加靈活、成本更低，同時方便了系統后期的擴展；管理人員采用Web瀏覽的方式靈活、方便地訪問終端環境數據采集，根據環境要求能及時、準確地發送相應的控制指令；采用GPRS DTU進行GPRS模塊的設計，使得系統的集成度更高，性能更穩定。盡管本系統設計的初衷是應用于農業溫室種植方面，但系統所采用的技術與原理具有很強的通用性，所以可以應用到其他領域的監測與控制過程中，因此本系統具有廣闊的應用空間。

參考文獻：

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