基于Zigbee無線網絡智能溫室控制系統的設計

任冬冬　胡斌　王玉超　傅振濤　黃萌

【摘 要】本文設計了一個基于ZigBee無線網絡的單片機智能溫室控制系統，本智能系統可通過各種傳感器實時監測溫室環境內各類環境因子（包括溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等），并將其數據通過Zigbee無線網絡傳輸至控制系統單片機，由無線網絡將控制系統發出指令傳送至相應的執行機構，實時調節溫室環境，保證溫室永遠處于一個對農作物最為有利的生長環境。本系統很好的解決了實時數據監測的問題，改變了過去只靠操作人員通過觀察作物生長狀態而進行測報的相對落后狀態，對生產作物進行即時的自動監測，促進生產資源集約高效利用，從而能夠大幅度提高的農業生產力。

【關鍵詞】無線網絡；ZigBee；智能溫室；無線傳輸

中圖分類號： TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0045-002

【Abstract】In this paper，we design a SCM intelligent greenhouse control system based on ZigBee wireless network.The intelligent system can monitor various environmental factors （including temperature，humidity，light intensity，CO2 concentration，etc.） in the greenhouse environment in real time through various sensors The data is transmitted to the control system microcontroller through the Zigbee wireless network，and the control system sends instructions to the corresponding implementing agencies by the wireless network to adjust the greenhouse environment in real time to ensure that the greenhouse is always in the most favorable growth environment for the crops.The system is a good solution to the real-time data monitoring problems，changing the past by observing the growth of crops by the operator state of the relatively backward state of the newspaper，the production of crops for real-time automatic monitoring， and promote the efficient use of productive resources and thus Can greatly improve the agricultural productivity.

【Key words】Wireless network；ZigBee；Smart greenhouse；Wireless transmission

0 引言

近年來，農業作為國家優先發展產業正受到各級政府的高度重視，增加億萬農民收入是我們國家當前的基本國策，農業現代化是我們追求的目標，基于計算機和自動化技術的智能溫室是農業現代化的一個重要方面。溫室為農作物提供了一個能透光、保溫（或加溫）適于生長的環境。特備是在不適宜植物生長的季節，溫室能提供生育條件和增加產量，還用于低溫季節喜溫蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。溫室內存在各種變量參數（如溫度、濕度等），是一個多變量、多耦合、非線性、大滯后的復雜動態系統，需要由各種檢測裝置對環境因子進行檢測，但往往檢測出環境發生變化時再由執行機構來改變溫室環境是滯后的，并不能實現實時監測實時調節。因此建立一個有預見性、及時的控制系統來調節溫室環境，以提供最為合適的農作物生長環境是非常有必要的。

1 總體方案設計

基于Zigbee無線傳輸智能溫室控制系統主要包含上位機和下位機兩大模塊，其系統框圖見圖1。上位機選用微機，為主控制系統，下位機則采用單片機實現分級控制。上位機主要是實現面向客戶各種環境因子數據的設置及顯示，從而適用于各種農作物的環境控制，同時能將環境因子數據及控制指令歷史數據存儲下來。下位機的工作是在接受監控PC機發出的控制信號后，可以通過上位機已經預設好的各項數據的閥值來實現對執行機構的控制。下位機控制器是以CC2530單片機為核心的，整個下位機系統包含兩個下級模塊，分別是ZigBee無線主模塊和單片機自動控制模塊。其中ZigBee無線主模塊又由模數轉換系統、數據采集系統、無線網絡傳輸系統以及通信系統組成。系統通過各種傳感器實時監測溫室內的二氧化碳濃度、溫濕度和光照強度等溫室環境因子，將其采集的數據上傳到ZigBee子節點，再通過無線網絡傳到ZigBee網絡總節點，最后通過RS-232串行口總線將數據傳到上位機上并顯示反饋給用戶。單片機自動控制模塊包括數據模塊和執行機構控制模塊。數據采集模塊可以完成對ZigBee總節點通過網絡通信層所傳遞給單片機數據的收集和預處理，同時將結果通過RS-232串行口總線送至數據存儲器或監控服務器存儲和管理。執行機構控制模塊則是通過比較實時監控的環境因子參數和預設閥值來實現對溫室大棚內的各個執行機構（如遮陽系統、保溫系統、升溫系統、濕窗簾/風扇降溫系統、噴滴灌系統或滴灌系統）的啟動與關閉。endprint

2 ZigBee無線網絡模塊設計

本智能溫室控制系統最主要的特點在于數據的傳輸是基于ZigBee實現的。ZigBe技術是一種復雜性不高、低能耗、運行速率較低、傳輸距離較短、設計成本不高的雙向無線通訊技術[2]，并且在實際的設計中ZigBee網絡有著非常強大的延展性[3]。依據控制要求和溫室自身的特點，可選用適合ZigBee無線網絡技術的處理芯片，構建一個合乎情理的網絡拓撲結構來實現ZigBee網絡的無線傳輸，把協調器、處理器以及終端設備有機的整合在一起，通過軟件編程實現數據在無線網絡中的暢通傳輸。

2.1 ZigBee技術的軟件開發環境的介紹

本設計所使用的軟件開發環境是IAR，它是一個非常強大的開發環境，幾乎所有可用的工具都可以完整地嵌入這個軟件中，相對于其他的開發環境，IAR 開發環境是一種具備入門容易、使用方便和代碼簡潔等特點的強大軟件，IAR開發環境的主要特點：

1）高度優化的IAR AVR C/C++編譯器；

2）AVRIAR匯編器；

3）通用IAR XLINK Linker；

4）IARXAR庫創建器和IAR XLIB Librarian一個強大的編輯器；

5）一個工程管理器；

用戶可以在IAR開發環境下做一些對新的項目開發設計，而且這個開發環境界面簡潔、清晰，用戶很輕松就可以熟練駕馭這個具有大量代碼繼承能力的IAR開發環境。

2.2 ZigBee星型網絡拓撲結構的搭建

為了使溫室環境的監測能夠準確，在一定范圍內要設置溫室環境因子的監測設備，其所監測到的數據要通過無線傳輸網絡輸送至上位機。合理的設計溫室環境因子監控設備在溫室中的分布以及無線傳輸網絡的拓撲結構都能提高系統的實時反饋的速度和效率。因此設計一個合理的無線傳輸網絡的拓撲結構是非常重要的。本系統設計了一個全功能設備作為系統的ZigBee主節點和多個精簡功能設備作為ZigBee網絡的子節點的星型網絡拓撲結構，星型拓撲結構設計較為簡單、在應用中易于實現、而且網絡的能耗較低。

2.2.1 全功能設備的功能配置

每一個星型結構中都只有一個全功能設備（FFD）節點，也就是ZigBee星型無線網絡的總節點。全功能設備（FFD）節點在星型無線網絡中作為ZigBee協調器（Coordinator），是無線網絡的主節點，主要負責整個網絡的初始化、頻率通道；并且負責整個設備的啟停；當該主節點被激活后它就會建立一個無線個網，之后容許其他的ZigBee網絡的子節點掃描并申請加入網絡。除此之外主節點還要負責接收和存儲由子節點收集的溫室環境因子數據。

2.2.2 精簡功能設備的功能配置

系統預設了3個精簡功能設備（RFD）作為ZigBee無線傳輸網絡的子節點。其主要功能是把由單片機收集到的傳感器網絡傳來的實時數據通過網絡傳遞到主節點。

2.2.3 ZigBee星型網絡的組建過程

任何一個網絡的建立都離不開協調器設備，可以說協調器（coordinator）是一個網絡中最重要的組件，因為協調器是組網的關鍵所在。星型網絡的建立過程如下：

首先，ZigBee網絡的建立需要一個網絡協調器，該協調器是全功能設備；初始化協調器，ZigBee協調器初始化化后，在信道內搜索其他協調器，若是有其他協調器在工作，則向該協調器發組網申請。若是沒有其他協調器，則該設備自己組建ZigBee無線網，主節點在初始化后就開始對所在通信通道做出監視和等待狀態；一旦有一個子節點向協調器發出組網請求后，協調器會分配一個16位PAN ID給這個子節點作為它唯一的標識，這個網絡短地址的內容是依據這個子節點所處通道中所檢測到的通道能量及網絡號來決定的，在子節點分配完網絡段地址后就成功的加入了這個無線網。

在網絡建立以后，如果系統的設備很多的話，可能會出現網絡堆疊或者PAN ID沖突的現象，所以為了盡量減少這種錯誤 可以在子節點出現沖突后初始化協調器來重置子節點的地址。

2.3 ZigBee節點與單片機控制模塊的無線傳輸

本系統的無線傳輸網絡搭建完畢后，需要進一步對數據傳輸進行軟件的設計。不管是監測數據還是控制命令都是通過無線網絡傳輸的，因此ZigBee的總節點和子節點都與單片機的控制模塊有聯系。在對大棚室內的環境數據進行采集時，CC2530芯片的主要工作流程：第一步是當STC89C52單片機將采集到的數據傳給子節點時，CC2530芯片會讀取串口數據；在讀取到數據后系統會向總節點發出信息，觸發子節點發送任務；最后CC2530芯片會將環境信息通過無線網絡發送到總節點。ZigBee無線網絡通信模式一共有兩種，其中一種是非信標模式，而另一種就是信標網絡模式。而我們的系統選擇非信標網絡模式作為網絡通信模式，因為非信標模式比較靈活，其子節點通過競爭的方式加入擁擠的信道，而且芯片不會一直發送周期信標幀。在非信標工作方式下，發送MAC層或命令數據幀時，會有一個隨機的等待周期，在這個周期過后，如是確定信道沒有處在忙碌（busy）狀態，再發送MAC層命令和數據幀；如果確定當前的信道狀態處于非常忙碌的狀態，那么系統會再等一個任意長的時間后，第二次再嘗試接入當前信道。當CC2530芯片收到單片機傳輸來的數據后，會直接給單片機傳輸一個確認信號，而不會理會當前信道是否忙碌，ZigBee子節點會根據確認信號來判斷數據發送成功與否[4]。

3 單片機控制模塊設計

本系統中的單片機控制模塊是系統控制的核心，單片機其中一個重要的功能是負責收集各個ZigBee子節點上所監測到的環境因子數據，控制數據的傳遞，將數據上傳至上位機。它的運行過程見圖2：在給所有的設備的電源通電后，單片機在完成其初始化之后就進入數據采集的狀態。一旦傳感器給單片機一個中斷請求信號，單片機就進入與該傳感器相應的工作狀態，通過模數轉換完成數據通道的檢測，分別采集溫濕度、CO2濃度以及光照強度的實時檢測值，單片機能將這些數據進行預處理，然后打包發送給ZigBee子節點，最后這些數據通過ZigBee無線數據傳輸網絡傳遞到上位機。

4 總結

本文設計了一款基于ZigBee無線網絡的單片機智能溫室控制系統，利用ZigBee技術的可擴展性和傳輸快速等特點，組建了能夠實時監測溫室環境并實時進行自動改善環境的智能控制系統。本系統很好的解決了實時數據監測的問題，改變了過去只靠操作人員通過觀察作物生長狀態而進行測報的相對落后狀態，對生產作物進行即時的自動監測，促進生產資源集約高效利用，從而能夠大幅度提高農業生產力。

【參考文獻】

[1]丁為民，汪小旵，李毅念.溫室環境控制與溫室模擬模型研究現狀分析[J].農業機械學報，2009，40（5）：162-168.

[2]金純，羅祖秋，等.ZigBee技術基礎及案例分析.國防工業出版社，2008.

[3]王東.無線傳感器網絡系統設計與應用[D].重慶：重慶大學，2007.

[4]馬巧娟，鄭萍，等.基于ZigBee和LabVIEW的多點無線溫濕度采集系統設計[J].2009.

[5]黃萌.基于STM32集智能溫室和殺蟲為一體的控制系統的設計[J].湖北農機化，2015（3）：60-62.endprint