基于ZigBee無線傳感網絡的大棚數據采集系統的設計

高昕*，魏韜，樊世鑫，朱夢杰

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基于ZigBee無線傳感網絡的大棚數據采集系統的設計

高昕*，魏韜，樊世鑫，朱夢杰

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南，232000）

針對于我國農業大棚存在著采集精度偏低，遠程控制信號不穩定等缺點，本文提出了一種基于ZigBee平臺構建起來的無線傳感網絡，通過傳感器節點對大棚內的各項參數進行監測，相對于其它無線通信技術，ZigBee無線通信技術具有低功耗，高性能，傳輸信息準確等優點，引入卡爾曼濾波算法對數據進行融合處理。營造了一種優良的內部智能生長環境，大大提高了農作物的生長效率。

農業大棚；ZigBee；無線傳感網絡；卡爾曼濾波算法

引言

由于我國目前農業產值低下，農業技術不夠先進，使得當前資源利用率不高，所以智能農業的概念得以提出，當前形勢下主要運用于大棚環境下的環境參數監控，通過各類傳感器構成的終端節點對大棚內的各個參數進行數據采集，為了提高采集精度，采用了卡爾曼濾波算法進行去燥，去冗余處理，并且使用無線通信模塊，通過ZigBee技術，以無線傳感器網絡為基礎構成一套智能環境系統，對監測到的數據進行處理與反饋，很大程度上節約了勞動力，提高了生產效率。

1 系統整體設計

本系統設計主要可以分為無線傳感網絡、網關和主控制中心這三點內容。在無線傳感網絡體系設計當中采用了大量的數據采集結點，如下圖所示，數據采集節點是由不同類型的傳感器構成的，包括溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2濃度傳感器以及安防傳感器，分別對所需要的空氣中CO2濃度，植物的光照強度，土壤的溫濕度以及安防等信息數據進行采集，然后將采集到的數據傳輸到協調器，經過協調器集中處理后，發送給控制中心。為了提高數據采集的精確度，特別引入卡爾曼濾波算法對采集的數據進行去燥，去冗余處理以提高控制精度。

圖1 系統整體功能框圖

2 系統硬件部分設計

2.1 無線通信模塊的設計

本次設計中所有的ZigBee節點均采用CC2530無線通信模塊，開發板型號為BW-CC2530M，它具有功耗低，體積小，性能卓越等優點。其最小系統結構主要包括射頻功能模塊，時鐘系統，I/O控制器，DMA控制器，定時器以及負責采集和轉換模擬信號的ADC。

2.2 協調器模塊

一般情況下，協調器節點負責網絡的組建，完成各個終端節點的數據匯總打包，并將打包后的數據信息通過串口傳送給嵌入式網絡。

圖2 協調器節點硬件原理圖

2.3 傳感器模塊

傳感器部分主要由DHT11數字溫濕度傳感器，MH-Z14A二氧化碳傳感器，光敏傳感器等組成的，這些傳感器構成終端節點，進行采集數據。

圖3 傳感器節點硬件原理圖

2.4 控制器模塊

控制模塊的被控參數主要包括溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度，由終端節點將這些數據采集經由協調器匯總處理通過無線傳感網絡傳送給PC端，PC用戶通過USB接口與控制器相連，發送控制命令，如圖4所示。

圖4 控制原理示意圖

為了更加精確的控制大棚內的各個參數，彌補自動控制中的不足，比如遇到突變的自然環境，系統暫時無法及時響應，管理員可以通過手動控制來對數據進行監測。

控制策略：根據實際情況給各個參數設計一個適當的閾值，當所監測的大棚內的各個參數（空氣、土壤的溫濕度，光照強度，CO2濃度等）超過設定的閾值時，由遠程控制端發送控制指令給對應的設備（照明設備，通風機等）調整數據進入閾值范圍之內，使農作物獲得最優生長環境。

3 系統軟件部分設計

軟件設計部分包括傳感器數據采集程序也就是終端節點的軟件部分和指令控制程序。傳感器檢測數據后，需要對數據進行初噪聲，避免干擾，經卡爾曼濾波處理后發送給控制器。

指令控制程序流程為：初始化后進入低功耗狀態，正常工作時有兩種方式，發送數據至云服務中心和接受用戶的控制指令。

4 卡爾曼濾波實驗

為了使整個系統設計具有現實意義，就必須徹底的解決終端節點采集數據的精確性和系統運行的能耗問題。由于大棚內數據測量在時間上是獨立的，而卡爾曼濾波算法占用內存小，適合用于離散型系統，因此對于該網絡來說是最佳選擇。卡爾曼濾波算法在提高采集數據精確性方面表現在：將某時刻測量的數據給出觀察值和估計值，并且通過計算得出最優估計值，最優估計值最接近真實值，同時算出卡爾曼系數用于下一時刻最優估計值的計算，通過這種推算可以大大降低誤差。

傳感器測量值為：

K表示當前時刻，k-1表示上一時刻，X（k）為狀態變量，Z（k）為測量值變量。下同；

根據系統k-1時刻狀態而預測k時刻狀態：

A、B皆為系統的定義參數，在多測量系統中，A、B表示矩陣，H表示測量系統的觀測矩陣。

卡爾曼濾波算法在降低節點能耗方面表現在：除去多終端節點采集的重復數據，減少傳輸量，避免堵塞信道傳輸，以達到降低節點能耗的目的。

以長豐縣大棚環境內草莓生長溫度和濕度參數為例進行實驗演示，草莓適宜生長的溫度是15—30℃，假設大棚內恒定溫度為27℃，相對濕度恒定為24%，預測的值分別是25℃和22.5%，允許的誤差都是1℃。現在通過測量，將100個測量數據引入實驗，測試過程中經過測量噪聲Q=0.0002，協方差R=0.1，溫度初始值設置S(1)=25，濕度初始值設置為22.5%，P(1)=10，先使用Matlab仿真如下：

圖6 卡爾曼濾波溫度實驗仿真圖

圖7 卡爾曼濾波濕度實驗仿真圖

如圖所示，紅線表示實際值，黑線表示測量值，綠線表示卡爾曼濾波算法處理后的數據，由此可見卡爾曼濾波處理后的最優數據與實際值更加吻合，同時算出下一時刻的最優估計值，這樣便減少數據采集的誤差，由于本文中是多傳感器節點采集數據，會造成數據冗余，引入卡爾曼濾波算法大大降低了系統功耗，避免了信道阻塞，使得控制更加精準可靠。

5 結束語

通過對于目標要求的分析，我們設計了一套智能監測系統對于大棚環境內部的參數進行監測，該系統通過終端節點對實驗參數進行采集，通過構建無線傳感器網絡對數據和控制命令進行傳送，由無線通信模塊CC2530對實驗數據進行匯總處理，最后傳送到控制中心，遠程控制PC端或嵌入式手提終端通過USB接口與控制器串口相連，對目標設備進行控制。這實際上是通過物聯網技術與大棚系統進行結合，實現了一種遠程智能控制功能，節能，便捷高效，極大程度上提高了生產效率。

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The Design of Data Acquisition System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

GAO Xin*, WEI Tao, FAN Shixin, ZHU Mengjie

(anhui university of science & technology, school of electrical and information engineering, Anhui Huainan, 232000, China)

in view of our country agriculture greenhouse has the low acquisition precision, remote control signal unstable faults, this paper proposes a kind of technology of wireless sensor network based on ZigBee platform, sensor nodes inside the greenhouse through the various parameter monitoring, relative to other wireless technology, ZigBee wireless communication technology has many advangtages,such as low power consumption, high performance, accurate transport information and so on,the goal of the introduction of the kalman filtering algorithm is to fusion processing data. It has created an excellent internal intelligent growth environment and greatly improved the growth efficiency of crops.

agricultural greenhouse；ZigBee；wireless sensor network；kalman filtering algorithm

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.031

TP29

A

1672-9129(2018)01-0079-03

高昕, 魏韜, 樊世鑫, 等. 基于ZigBee無線傳感網絡的大棚數據采集系統的設計[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 79-80.

GAO Xin, WEI Tao, FAN Shixin, et al. The Design of Data Acquisition System Based on ZigBee Wireless Sensor Network[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 79-80.

2017-11-01；

2017-12-19。

高昕（1965-）女，安徽淮南人，博士，副教授，碩士生導師，多年來一直從事控制工程與電力傳動及控制技術方面的研究和教學工作，獲2011年度校優秀教師，承擔安徽理工大學博士基金配電質量技術在小系統中的應用研究項目。E-mail:476398437@qq.com