基于ZigBee的溫室環境監測系統設計與應用

鄭慧珍

(漳州職業技術學院，福建漳州 363000)

1 研究背景

溫室設施農業是提高農業生產率的重要途徑，這就需要對農作物生產環境進行精細監測及控制[1]。但傳統的有線網絡監控系統布線復雜，不容易維護，并且施工受地理因素影響較大。隨著計算機技術、無線網絡技術和智能傳感器的發展，無線傳感器網絡(WSN)能夠很好地解決這些問題[2]。尤其是2017年被稱為IOT的新元年，2017年工業和信息化部辦公廳引導全面推進移動物聯網(NB-IOT)建設發展，建設廣覆蓋、大連接、低功耗NB-IOT基礎設施、發展基于NB-IOT技術的應用[3]。電信行業和互聯網巨頭不再作為旁觀者，而是積極投入[4]。無線物聯網應用于各行各業，溫室環境的控制也在其中。無線物聯網的成熟和廣泛應用為精確溫室控制提供了有利條件，本文提出了一種基于ZigBee的溫室環境監測系統。該系統在溫室中鋪設溫濕度傳感器、CO2傳感器、光照度傳感器、NH3傳感器等。通過采集這些數據并調整環境因子的大小(加溫、降溫，開窗、遮陽等措施來實現)來達到控制溫室環境的目的。將這些數據上傳至服務器，上位機可以隨時監測溫室內環境情況并作出相應處理，通過存儲和分析這些數據能夠更好地研究作物生長環境。

2 監測器的總體設計

本系統分為上位機和下位機，上位機負責數據存儲和處理，下位機負責數據的采集、初步處理并接受上位機命令向各IO口發送相關處理命令，使執行機構動作。本文主要介紹下位機的控制系統。本控制器以TI公司的CC2530芯片作為通信芯片和主控模塊[5]。該芯片具有豐富的IO口并集成了ZigBee通信協議，從傳感器讀取溫室參數，利用ZigBee技術的自組網功能發送至網關節點，再由網關節點將本子網的數據和監測時間打包，通過3G模塊上傳至網絡服務器。

本系統原理框圖如圖1所示，傳感器節點以CC2530芯片為主控/通信芯片，每隔一小時自動喚醒一次，搜索相同子網編號的ZigBee子網，并加入子網。然后利用設置于各溫室中的各種傳感器讀取溫室參數和節點編號進行數據打包，通過射頻電路發射至網關節點。信號發送成功后由主控芯片關閉所有外圍電路，進入休眠模式。

2.1 ZigBee模塊

ZigBee技術具有低功耗、低成本、短時延、高容量、免布線等特點，以其為核心對現有的溫室監測系統進行技術升級，將極大提高監測效率，降低監測復雜度及維護成本[6]。采用ZigBee技術構建無線傳感器網絡，實現對各傳感器節點數據的實時處理，具有組網簡單、系統花費少、擴展網絡容易、通信穩定、維護簡便等優點[7]。CC2530是TI公司推出的處理器芯片，采用低功耗靜態CMOS設計制造的支持IEEE802.15.4協議[8]。CC2530在單個芯片上整合ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器等。它具有128K系統內可編程閃存、12位模數轉換器、32kHz休眠定時器、看門狗定時器、21個可編程I/O引腳等[9]。由于它封裝小、低功耗、多種運行模式等特點[1]，所以很適合用于本系統的設計。圖2為本系統所應用的ZigBee模塊，該模塊是系統的核心控制和處理模塊。

2.2 溫濕度傳感器模塊

以溫濕度傳感器模塊為例進行介紹，模塊的溫濕度采集采用DHT81數字傳感器，它是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數字輸出，傳感器帶有防腐蝕罩，并帶有14位的A/D轉換器，超快響應，抗干擾能力強，品質卓越[10]。其典型的應用電路如圖3所示。該系統采用5V電源供電。

DHT81的溫度采集具有極好的線性度，SOT為單片機采集到的2字節數值[11]。溫度的計算公式為：

Temperture=D1+D2×SOT.

(1)

D1和D2參數從表1和表2中查詢得到，通過式(1)計算得到所要測量的溫度值。例如,按我國溫度單位一般采用攝氏度，此時可以查詢表1的第一行數值；然后再根據系統所使用的電源，若采用5V電壓，那么查詢到的D1系數是-40.00。該傳感器默認的測量分辨率分別為14bit(溫度)、12bit(濕度)，也可分別降至12bit和8bit。因此表2溫度轉換若是采用默認值則查詢到的結果是0.01。

表1 溫度轉換系數D1

在參考溫度為25℃(-77℉)時，相對濕度的計算公式為：

RHlinear=c1+c2×SORH+c3×SORH2.

(2)

SORH是由DHT81采集到的一個2字節數，系數c1、c2、c3從表3可以查詢得到，經式(2)計算得到相對濕度RHlinear。圖4為其轉換到相對濕度的曲線圖，可以看出DHT81的濕度采集幾乎呈現線性。

表3 濕度轉換系數

表4 溫度補償系數

濕度的大小在一定程度上依賴于溫度的高低，并且實際濕度往往不是測試參考濕度。因此，實際的濕度需要進行修正，修正如下：

RHtrue=(T-25)×(t1+t2×SORH)+RHlinear.

(3)

其中，T為溫度值，系數t1和t2由表4查詢得到，RHtrue為修正后的濕度值。

3 監測器的部分軟件設計

傳感器節點的軟件流程如圖5所示。網關節點可以選擇由太陽能或者交流市電供電，內部設有1MByte以上的數據存儲器作為數據緩存，每隔一段時間將數據存儲器中的待發數據打包，通過3G模塊發送至網絡服務器。發送成功后清空數據存儲器，準備進行下一輪的數據收集。網關節點作為整個子網絡的中轉站，還負責子網的建立、鑒別有用數據、非法設備的踢出。該節點作為中轉站無休眠狀態，24小時不間斷運行。

4 測試結果

上位機監測用戶系統采用LabVIEW開發的界面。該上位機監測用戶系統主要負責與溫室的ZigBee網關節點進行通信，從而獲得各環境參數，其界面如圖6所示。這些數據同時存儲到數據庫，以便于后期處理和分析。

系統在福建省漳州市某大棚進行模擬測試，本監控器以溫濕度傳感器和光照度傳感器進行測試，預留其他傳感器接口，如CO2傳感器、NH3傳感器等。測試表明該控制系統能夠很好地監測大棚的溫濕度和光照度。