基于ZigBee的溫室監(jiān)控系統(tǒng)研究

宋珍偉，黃小麗

（南通科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南通　226007）

基于ZigBee的溫室監(jiān)控系統(tǒng)研究

宋珍偉，黃小麗

（南通科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南通226007）

在農(nóng)村為了讓農(nóng)產(chǎn)品提前上市，種植戶們基本上都是通過(guò)溫室大棚進(jìn)行種植，以塑料棚溫室為主，智能化水平偏低與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在一定差距，管理粗放，每年重復(fù)建設(shè)，浪費(fèi)了大量的人力物力。如何提高溫室的智能化水平顯的尤為重要！對(duì)智能溫室組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，對(duì)于作物生長(zhǎng)的主導(dǎo)環(huán)境因子，土壤的溫濕度、土壤的PH值、空氣的溫濕度、光照時(shí)間與強(qiáng)度等參量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控處理，該文提出了一種溫室控制模式及具體方案。

LabView；溫室；ZigBee；監(jiān)控

1　整體方案設(shè)計(jì)

采用上位機(jī)+下位機(jī)的控制方式，通過(guò)CC2530進(jìn)行通信。上位機(jī)為集中控制中心主要完成數(shù)據(jù)的集中處理與集中控制的功能，具體由LabView控制界面端、STM32控制終端以及CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成，下位機(jī)為數(shù)據(jù)采集終端用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，具體由CC2530無(wú)線通信模塊以及傳感器部分構(gòu)成，傳感器部分由溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器以及光強(qiáng)度傳感器等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　方案框圖

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1CPU核心與無(wú)線通信模塊

控制終端CPU采用STM32F103RBT6控制芯片，基于Cortex-M3內(nèi)核的32位RISC微處理器，緊密結(jié)合了一個(gè)可配置的嵌套向量中斷控制器，提供了工業(yè)領(lǐng)先的中斷處理性能，Cortex-M3處理器在高性能內(nèi)核基礎(chǔ)上，集成了多種系統(tǒng)外設(shè)，通信接口有2個(gè)I2C接口、3個(gè)UART接口、USB2.0接口、2個(gè)SPi接口，支持基于JTAG的系統(tǒng)調(diào)試，可以完全滿足溫室控制系統(tǒng)的需求。

無(wú)線通信模塊，采用TI公司的 ZigBee芯片CC2530，CC2530可真正的用于IEEE802.15.4和ZigBee，能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530具有較高的靈敏度、較低的功耗和較強(qiáng)的抗干擾能力。CC2530以一個(gè)單周期的8051 CPU為核心，有SFR特殊功能寄存器、DATA和CORE/ XDATA3個(gè)存儲(chǔ)訪問(wèn)總線，中斷控制器有18個(gè)中斷源，任何中斷都可以把CC2530從空閑模式恢復(fù)到主動(dòng)模式，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存8KB RAM和許多其他的強(qiáng)大功能。CC2530結(jié)合ZigBee協(xié)議棧，提供了一個(gè)完整的ZigBee解決方案。

STM32與CC2530采用串行口通信，CC2530數(shù)據(jù)接收端P0.2與Cortex-M3的TXD1相連，CC2530的數(shù)據(jù)發(fā)送端P0.3 與Cortex-M3的串行接收端RXD1相連，數(shù)據(jù)處理終端通過(guò)CC2530實(shí)現(xiàn)無(wú)線獲取各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。

2.2傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)信息獲取的入口，選擇合適的傳感器有利于提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度，關(guān)系到整個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，采集模塊主要由溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等構(gòu)成，下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)參量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析執(zhí)行相應(yīng)的控制操作，通過(guò)CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度、CO2等參量的檢測(cè)與控制。

我國(guó)大部分地區(qū)通常夏季溫度很高，冬季氣溫又偏低，研究表明只有當(dāng)環(huán)境溫度處于適宜溫度時(shí)，作物生長(zhǎng)發(fā)育才是最快的；需要對(duì)溫度進(jìn)行人工控制，以便使其保持在生長(zhǎng)的適宜溫度范圍內(nèi)。同時(shí)濕度對(duì)于作物生長(zhǎng)也是非常重要的一個(gè)參量，濕度的高低都會(huì)影響到作物的生長(zhǎng)，溫濕度傳感器選用SHT11傳感元件。

動(dòng)物學(xué)科英語(yǔ)隸屬于科技英語(yǔ)，但它是更具專業(yè)性的科技英語(yǔ)，涉及的知識(shí)面更加狹窄，與動(dòng)物學(xué)聯(lián)系更加緊密。因此，在進(jìn)行動(dòng)物學(xué)科英語(yǔ)互譯時(shí)，不但要注意科技英語(yǔ)的文體、修辭、語(yǔ)法等特點(diǎn)，還要緊密結(jié)合相關(guān)專業(yè)知識(shí)，力求做出符合原文語(yǔ)言特點(diǎn)、本族語(yǔ)言特點(diǎn)以及動(dòng)物學(xué)相關(guān)知識(shí)的完美譯文。此外，通過(guò)上述介紹可以得知，概念語(yǔ)法隱喻一般包括語(yǔ)義層次上的及物性隱喻和詞匯語(yǔ)法層次上的名詞化、形容詞化等現(xiàn)象，下面將主要從以下兩個(gè)方面來(lái)探討動(dòng)物學(xué)科英語(yǔ)的翻譯。

SHT11由瑞士 Sensirion公司生產(chǎn)采用特有的工業(yè)化COMS技術(shù)，由一個(gè)電容式測(cè)濕元件、一個(gè)能隙式測(cè)溫元件以及14位的A/D轉(zhuǎn)換器無(wú)縫連接在同一塊芯片上，具有較高的精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，其具體參數(shù)特性如表1所示。

表1　SHT11傳感器參數(shù)

SHT11溫濕傳感器具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，硬件連接簡(jiǎn)單只需要將SHT11的DATA、SCK端連接到控制芯片的相應(yīng)引腳上如圖2所示。代碼00011表示溫度代碼00101表示濕度，當(dāng)溫濕度測(cè)量完成后，SHT11使DATA引腳為低電平，控制器檢測(cè)到低電平重新啟動(dòng)SCK，然后過(guò)SHT11傳送兩字節(jié)測(cè)量數(shù)據(jù)和1字節(jié)CRC校驗(yàn)和到控制器，控制器在收到CRC的確認(rèn)為后通信結(jié)束。

通過(guò)GS4161來(lái)檢測(cè)CO2濃度傳感器，CO2是影響作物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)，濃度不足會(huì)成為影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的限制因素，充足的CO2能夠提高作物幼苗素質(zhì)，增加產(chǎn)量，改善品質(zhì)，同時(shí)又可抑制病害的發(fā)生，因此對(duì)CO2氣體濃度的監(jiān)測(cè)顯的尤為重要，由FIGARO（費(fèi)加羅）公司生產(chǎn)的二氧化碳傳感器GS4161具有體積小、不需斷電、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，又具有耐高濕低濕的特性，特別適合于濕室大棚等需要對(duì)CO2氣體長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的場(chǎng)所。

光照對(duì)于作物生長(zhǎng)發(fā)育必不可缺，溫室所處地理位置不同，其光照強(qiáng)弱和時(shí)間不同，同一地點(diǎn)不同季節(jié)光照強(qiáng)弱也不同，夏季光照強(qiáng)度過(guò)大，需要人為遮光，冬季光照強(qiáng)度偏低，需要人為補(bǔ)光，溫室內(nèi)光照分布不均勻，對(duì)光照強(qiáng)弱準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)顯得尤為必要。利用光敏電阻檢測(cè)光照度，其光電特性呈非線性進(jìn)行光照度采集不夠理想，光敏電阻不適合作為檢測(cè)元件。本文光照傳感器選用BH1750FVI，BH1750為16位高精度數(shù)字光強(qiáng)度傳感器，不區(qū)分光源具有1～65535lx的高分辨率。硬件電路簡(jiǎn)單，只需將BH1750的SCL、SDA引腳分別與CC2530的P1_4和P1_5相連接。

圖2　SHT11與CC2530硬件連接圖

3　軟件設(shè)計(jì)

溫室系統(tǒng)軟件部分主要包括兩大部分：上位機(jī)集中控制程序以及下位機(jī)數(shù)據(jù)采集處理程序。上位機(jī)軟件主要由CC2530協(xié)調(diào)器工作程序、網(wǎng)關(guān)通信程序、LabView監(jiān)控界面程序等構(gòu)成，負(fù)責(zé)處理下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，向下位機(jī)下達(dá)指令。下位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集處理以及與上位機(jī)之間的通信。

3.1下位機(jī)軟件流程

圖3　下位機(jī)軟件流程圖

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)在接通電之后，應(yīng)用程序首先從AppColdStar函數(shù)開(kāi)始運(yùn)行，主要完成對(duì)無(wú)線信道偏號(hào)、網(wǎng)絡(luò)的ID號(hào)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的定義和一些相關(guān)初始化工作，包括變量初始化、工作時(shí)鐘初始化、中斷控制塊初始化、GPIO端口初始化、定時(shí)器初始化等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定期采集，創(chuàng)建時(shí)鐘周期函數(shù)，采集以固定的周期自動(dòng)調(diào)用，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，啟動(dòng)發(fā)送程序?qū)⒉杉降臏貪穸取O2濃度等數(shù)據(jù)以及節(jié)點(diǎn)地址編號(hào)發(fā)送到上位機(jī)CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，具體流程如圖3所示。

3.2上位機(jī)通信控制程序

圖4所示，通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)完成CC2530與上位機(jī)控制臺(tái)之間的通信，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，通信網(wǎng)關(guān)不僅負(fù)責(zé)將上位機(jī)接收到的控制指令進(jìn)行封包，通過(guò)CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，而且同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)ZigBee接收到的上行數(shù)據(jù)進(jìn)行解包傳送到上位機(jī)總控制臺(tái)。上位機(jī)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理與數(shù)據(jù)傳輸功能，主要包括分配網(wǎng)絡(luò)地址、維護(hù)管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)以及接收上位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)與接收終端采集控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)等功能。首先ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化完成通信信道、Profie ID等參數(shù)的設(shè)置，接下來(lái)根據(jù)節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行傳感器、定時(shí)器、串口等硬件的初始參數(shù)設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)成功后，CC2530的數(shù)據(jù)接收程序通過(guò)ZigBee協(xié)議棧調(diào)用函數(shù)接收KVP數(shù)據(jù)幀。

圖4　CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程

3.3上位機(jī)監(jiān)控界面軟件

利用LabView軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)控操作界面，LabView 由NI公司推出的一種虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，LabView帶有龐大的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，可大大方便和簡(jiǎn)化了用戶的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。

在上位機(jī)管理軟件界面顯示采集的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)設(shè)置的報(bào)警上下限，控制對(duì)應(yīng)的電磁閥進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)/關(guān)動(dòng)作。包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理以及參數(shù)調(diào)整等，如圖5所示。數(shù)據(jù)采集部分主要是收集現(xiàn)場(chǎng)控制器檢測(cè)到的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)處理主要是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并提供各種統(tǒng)計(jì)曲線和報(bào)表；參數(shù)調(diào)整是用戶根據(jù)農(nóng)作物不同生長(zhǎng)階段需求而調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)控制器的控制參數(shù)；各功能模塊之間相互獨(dú)立，在主程序的調(diào)配下相互配合最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、處理、記錄、監(jiān)控、顯示等各部分功能。

4　系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連通情況，讓傳感器設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，正確顯示各節(jié)點(diǎn)上的傳感器設(shè)備，打開(kāi)上位機(jī)監(jiān)控端軟件，測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸速率（實(shí)際測(cè)試得到網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定速率可以達(dá)到25 kb/s）。

測(cè)試ZigBee節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)值，以實(shí)際溫度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)所采集數(shù)據(jù)在excel軟件中利用雙折線的方式進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)傳感器模塊所測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)值與實(shí)際溫度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)所測(cè)的溫度值趨于最接近狀態(tài)，且線性度好，足以說(shuō)明本文的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的可靠性，同時(shí)又比傳統(tǒng)儀器具有明顯的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，而且數(shù)據(jù)精度較高。

圖6　測(cè)量數(shù)據(jù)比較圖

5　結(jié)　論

經(jīng)過(guò)測(cè)試本ZigBee傳感器監(jiān)控平臺(tái)具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，傳感器測(cè)量的線性度較好且準(zhǔn)確度較高，將此技術(shù)方案用于溫室環(huán)境監(jiān)控是一個(gè)比較不錯(cuò)的選擇，對(duì)于影響作物生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子進(jìn)行遠(yuǎn)程采集監(jiān)控相當(dāng)于模擬一個(gè)適于作物生長(zhǎng)的氣候條件，完全可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)，從而縮短農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期，提高作物的產(chǎn)量。

［1］陳樹(shù)成，楊志勇，王建佳.基于MSP430和CC2530的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（5）:168-171.

［2］任珍文，黃玉清.基于CC2530的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（10）:122-125.

［3］李長(zhǎng)庚，劉威鵬，胡純意，等.基于ARM和ZigBee的WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36（17）:135-137.

［4］丁煬超，牛寅，張侃諭.基于STM32的單體大棚溫室群控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀表，2013（3）:25-27.

［5］宋珍偉，戴國(guó)平，劉暉.基于LabVIEW的太陽(yáng)能沼氣工程無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2014，（11）:45-48.

［6］劉瑩，卜雄洙.基于Labview的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.測(cè)控技術(shù)，2006，25（2）:22-23，29.

Research on the control system of greenhouse based on ZigBee

SONG Zhen-wei，HUANG Xiao-li
（Department of Electrical and Mechanical Engineering，Nantong Science and Technology College，Nantong 226007，China）

Early entry into the market，growers through the greenhouse cultivation，with plastic shed，low intelligence level compared to developed countries，extensive management，duplication year，wasting a lot of manpower and resources.This is particularly important to improve the intelligence level of the greenhouse.These environmental factors for example，temperature，humidity，PH，light intensity，and so on，is very important for the intelligent greenhouse monitoring system，this paper presents a greenhouse control mode and a specific design.

LabView；greehouse；ZigBee；monitoring

TN91

A

1674-6236（2016）14-0119-03

2015-08-05稿件編號(hào)：201508025

江蘇省南通市科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（MS22015029）

宋珍偉（1979—），男，江蘇銅山人，碩士，講師。研究方向：智能儀器與測(cè)控技術(shù)。