zigbee技術在農業溫室大棚中的應用研究

趙嘉偉 呂俐衡 沈洪吉 張杰

摘 要：結合物聯網和我國農業發展現狀，本文設計了一個基于zigbee技術的農業溫室大棚監測系統，首先，詳細地研究zigbee技術，包括zigbee協調器、zigbee終端節點和網絡模型等；其次，結合實際應用搭建了基于zigbee技術的農業溫室大棚監測系統，對農業溫室大棚的溫濕度等信息進行采集和監測；最后，經過系統的上位機和手機app功能測試，表明該系統性能穩定，操作簡單，實用性強。

關鍵詞：農業溫室大棚；zigbee；監測；無線通信

隨著無線傳輸網絡的快速發展，zigbee技術因其短距離、低價格、高效率、高可靠性的特點使其在各個領域的應用越來越廣泛，尤其是在溫濕度和氣體等環境監測等領域。zigbee是一種基于IEEE802.15.4標準的個域網的新興的通訊協議。我國是一個農業大國，傳統的農業監測技術已不能滿足現代化要求，因此，設計一個性價比高的農業溫室大棚監測系統對于農業的快速發展來說是至關重要的。本文采用zigbee無線通信技術，設計了一個對農業溫室大棚的溫濕度等信息進行采集和監測的系統，該系統可將農業大棚的溫濕度、氣體濃度和燈光信息實時地傳輸到上位機和手機終端app中，同時，上位機和手機終端app還可對采集信息進行控制。

1 系統整體方案

本文設計的系統是由上位機（PC機和手機）和下位機（zigbee網絡）兩部分組成，采用星型拓撲結構，如圖1所示，其中上位機負責信息的顯示、保存和處理，下位機負責農業溫室大棚信息的采集和傳輸，下位機受到上位機控制。zigbee網絡系統運行后，上位機可實時顯示溫室大棚的采集信息，包括溫度、濕度、氣體和光照信息，如果監測到采集的信息值不在規定范圍內，上位機將通過串口以9600波特的速率發出命令給zigbee協調器，zigbee協調器受到命令后解析成相應的時序信號去控制zigbee終端節點。同時，zigbee終端節點也會一直讀取各個傳感器的狀態數據，轉換成數字信息后傳送給zigbee協調器，zigbee協調器再通過串口將信息傳送給PC機，進而再傳送給手機終端app軟件。

2 下位機設計和實現

zigbee無線傳輸網絡作為系統的下位機部分，由協調器節點、終端節點、傳感器節點構成，zigbee網絡中的終端節點與協調器節點之間的通信通過zstack協議棧實現。其中，zigbee協調器節點和終端節點采用CC2530模塊，CC2530集成了ieee802.15.4標準的2.4GHz射頻收發模塊、增強型8051 CPU、8000比特RAM、電源接口、串口等，可以發出命令和讀取狀態，CC2530功能非常強大。

2.1 協調器節點設計和實現

協調器節點也稱為中心節點，該節點的核心芯片是cc2530模塊，cc2530模塊通過相應的引腳與電源模塊、RS232模塊、晶振模塊、RF模塊相連接。協調器的網絡地址一直是0x0000，主要負責組網，具有網絡配置和網絡信息管理信息的功能，協調器會向終端監測發送指令并收集監測信息，然后通過串口將采集信息傳到上位機。其中電源模塊為cc2530模塊功能，RS232模塊完成串口轉換，晶振模塊用來確定cc2530是處于無線數據收發狀態還是處于休眠狀態，RF模塊采用用來實現數據的無線接收和發送。當協調器節點不用于組網時，它的功能類似于路由器功能。

2.2 協調器節點設計和實現

終端節點核心芯片也采用cc2530模塊，cc2530模塊通過相應的引腳與電源模塊、RF模塊、傳感器模塊和存儲器模塊相連接。終端節點的作用主要是采用溫室大棚的溫度、濕度、光照信息，并將處理后的信息通過天線傳送給協調器節點。其中土壤濕度傳感器類型為DHT11，空氣溫濕度傳感器類型為DS18B20，二氧化碳傳感器類型為MQ2。

3 上位機設計和實現

3.1 PC機設計和實現信息采集測試

本文設計的監測系統基于visual C++2005開發平臺構建應用程序，并在PC機上運行。設計的應用程序主要實現采集信息的顯示和控制，PC機上顯示的信息如圖2所示。

3.2 手機app軟件設計和實現

手機app利用Eclipse4.4開發，手機和PC機通過wife通信，只要上位機和手機在同一個局域網內，當上位機打開管理系統、串口和網絡服務，手機上的app就可以連接上PC機，這時PC機相當于一臺虛擬的服務器，這樣，傳感器采集的各類信息就可以同時在手機和上位機上顯示[5]。手機app軟件上顯示的信息如圖3所示。

4 結論

本文設計的基于zigbee技術的溫室大棚監測系統可以很好地實現溫濕度、二氧化碳濃度、光照信息的采集。該系統性價比高、實用性強、操作簡單，可使得系統使用者準確實時地了解溫室大棚的信息，更好地促進農作物生長。

參考文獻：

[1]孟慶海.基于物聯網技術的溫室大棚監控系統的設計與實現[D].天津大學，2014.

[2]郭青，薛亮.基于ZigBee和Android的環境監控APP的設計與實現[J].科技創新與應用，2016，8.

[3]林之博，陳耿新，林潔紋，等.基于ZigBee的智能農業物聯網系統研發[J].自動化與信息工程，2015，36（5）：1922.

[4]李繼彬.應用物聯網技術實現對智能溫室的監測和控制[J].南方農業，2015，9（4）：1319.

[5]李立揚，王華斌，白鳳山.基于zigbee和GPRS網絡的溫室大棚無線監測系統設計[J].計算機測量與控制，2012，20（12）：31483150.

基金項目：本文為大學生科技創新創業項目（編號：2016083）

作者簡介：趙嘉偉、呂俐衡、沈洪吉為吉林農業科技學院電氣工程及其自動化系學生。

通訊作者：張杰，女，碩士，助教，吉林農業科技學院教師，研究方向：電力系統通信。