基于ZigBee的大棚環境監測系統設計

黨磊 倪旭光

摘 要：本項目旨在研究渭南當地傳統溫室大棚的智能化改造，針對傳統溫室大棚因人工管理種植模式造成產量損失的問題，本文設計了一種基于ZigBee的大棚環境監測系統，其主要以影響農作物生長的大棚環境溫濕度、土壤濕度為被監測對象，建立星狀網絡結構，以協調器為核心，利用終端節點連接傳感器對大棚環境進行無線、快速和準確地監測。

關鍵詞：無線短距離通信；大棚；溫濕度；土壤濕度

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）08-0068-03

Abstract：The purpose of this project is to study the intelligent transformation of the traditional greenhouse shed in Weinan area. Aiming at solving the problem of the yield loss caused by artificial management and planting mode in the traditional greenhouse shed，a kind of environment monitoring system based on ZigBee is designed in this paper. It is mainly based on the greenhouse environment temperature and humidity which affect the growth of crops，and the soil moisture as the monitored object to establish the star network structure. With the coordinator as the core，the terminal node is used to connect the sensor to monitor the greenhouse environment wirelessly，quickly and accurately.

Keywords：wireless short-range communication；greenhouses；temperature and humidity；soil moisture

0 引 言

目前，傳統菜農依靠簡單的人工管理種植方式對大棚內的環境進行監測，這種測量方式的數據準確性較差，種植及管理作業方式費時費力且效率低，人們不可能時刻關注著農作物生長的環境因素。通常人們為了更好地了解大棚內部的環境參數，在大棚內部安裝各類采集設備，種植者進入大棚內部進行讀取才能夠清楚地了解情況。隨著科學技術的不斷增強以及智能化產品不斷普及，智能化溫室大棚必將成為發展趨勢，它將融合電子、計算機通信、傳感器等，具有多參數、功耗低、實用性強等特點。

1 系統總體設計方案

系統采用星狀網絡拓撲結構，主要由終端采集節點、協調器節點和PC機顯示三部分構成。包含多個終端采集節點，每個終端采集節點連接有溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器。各個終端分布在大棚的不同區域，對環境進行實時檢測；協調器節點將各個終端節點采集到的大棚內環境參數進行匯聚，將采集到的數據進行處理、存儲；液晶顯示屏將采集到的不同區域的數據進行顯示，同時協調器節點與PC機用USB數據線相連，構成監控中心，在PC機串口助手界面分區域1、區域2等區域顯示采集到的參數。系統的總體設計結構圖如圖1所示。

2 大棚監測系統網絡設計

無線短距離通信技術主要包括藍牙、WiFi、紅外、ZigBee等，考慮到農業大棚的種植規模在不斷擴大，需要對多個區域進行監測。相較于其他無線通信方式，ZigBee技術無論是在通訊的距離、傳輸的穩定性及組網的能力上均有顯著優勢。綜合考慮之后采用ZigBee技術作為本系統的通信方式，該技術具有低功耗、低成本等特點。有星狀網絡結構、樹狀網絡結構和網狀網絡結構三種組網結構可供選擇[1]，本設計選用星狀結構。

3 系統硬件設計

3.1 開發節點設計

在本設計中使用的節點有協調器節點和終端采集節點兩種。各節點以CC2530為核心，配合外圍電路，包括天線模塊、晶振模塊、電源模塊。其中CC2530在CC2430的基礎上改進得來，繼承了其優良的性能并加以改造，是真正片上系統。CC2530結合了RF收發器，是適用于IEEE802.15.4標準的增強型芯片，具有8KB的數據存儲器、32/64/128/256KB閃存和強大的外設[2]。天線模塊主要由SMA接口與桿狀天線構成；在使用過程中模塊與芯片的RF_P、RF_N相連，當節點在發送數據時，信號從RF_P、RF_N引腳輸出，當節點在接收數據時，信號從RF_P、RF_N進入芯片。晶振模塊分為內部RC振蕩器和外部晶振振蕩器兩種。CC2530內部有16MHz和32KHz兩種RC振蕩器；外部采用32MHz和32.768KHz兩種晶振振蕩器。系統中32MHz振蕩器比16MHz RC振蕩器啟動時間長，但數據更為準確，主要用來提供系統時鐘[3]；32KHz RC振蕩器和32.768KHz振蕩器相比，32KHz RC振蕩器功耗較低，32.768KHz晶振精度較高，但不能同時工作。

3.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11數字式溫度傳感器采用單串行總線，具有高速數據處理能力、功率低、節省用戶使用空間等優點。在采集過程中，DHT11一直處于低速模式，當接收到采集命令后，立刻轉換到高速狀態下，并送出40bit數據，觸發第一次采集，在測量過程中，溫濕度分辨率為8bit[4]。本次設計中DHT11的DATA端口與CC2530的P0.7管腳相連，其電路圖如圖2所示。

3.3 土壤濕度傳感器

設計以FC-28濕度傳感器作為探頭，LM393作為比較器，在使用過程中將探頭插入待測土壤中，探頭與電路中的電阻分壓，通過LM393比較得到土壤水分含量值[5]。其中土壤濕度傳感器AOUT、DOUT接口分別與CC2530的P0.6、P1.5管腳相連，其電路圖如圖3所示。

4 系統軟件設計

4.1 協調器軟件設計

協調器是網絡的核心，首先由協調器進行網絡的組建，對各設備進行初始化，選擇最優的網絡信道進行組建；其次，當網絡組建好后，等待終端采集節點加入網絡，當有節點加入時，協調器允許合法的終端節點加入網絡，加入的節點開始對負責區域的數據進行采集并傳輸給協調器，若協調器接收到數據，則將其送入液晶和PC機顯示，其流程圖如圖4所示。

4.2 終端節點軟件設計

終端節點采用關聯式入網方式。終端采集節點初始化后，在它能夠覆蓋的通信范圍內尋找協調器節點，并向組建好的網絡發起入網請求，協調器節點允許合法的終端采集節點加入網絡。各終端節點入網成功后，開始控制傳感器設備對大棚內的環境進行實時監測，并將采集到的數據整理、儲存，并將數據打包發送給協調器設備。其流程圖如圖5所示。

4.3 DHT11采集軟件設計

在網絡組建成功后，DHT11溫濕度傳感器進行初始化，當接收到讀取命令時，終端節點利用傳感器對棚內溫濕度進行采集，芯片將采集到的模擬信號處理成計算機可識別的數字信號，中央控制中心將數據處理后得到大棚內溫濕度的個位及十位數據，經校驗位檢測數據是否正確，若數據無誤，將其數據打包發送給協調器；若數據有誤，則重新采集數據。其流程圖如圖6所示。

4.4 土壤濕度采集軟件設計

系統組網成功后，對土壤濕度傳感器進行初始化，啟動定時器，當定時器超時后，調用ADC采樣函數，設置最大采樣值為8192，將采集到的數值轉化成百分比形式，取百分比前兩位數字得到相應的土壤濕度模擬量。其流程圖如圖7所示。

5 結 論

本設計針對渭南當地傳統溫室大棚因人工管理方式難以掌控作物生長所需環境的問題，設計了一種基于ZigBee的大棚環境監測系統。系統以CC2530為核心，通過搭建星型無線傳感網絡，利用終端采集節點采集大棚的環境數據，并將數據轉發給協調器，在液晶顯視屏和串口界面分別顯示，實現了大棚內部植物生長所需環境參數的采集、傳輸及顯示，方便了管理者對大棚內環境數據的掌控，減少了重復的勞動，對傳統農業大棚的改造具有一定的意義。

參考文獻：

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[2] 張猛，房俊龍.基于Zigbee的溫室遠程監控系統設計 [J].自動化技術與應用，2012，31（2）：32-36+42.

[3] 徐兆文.基于ZigBee的群組定位與環境監測設計 [D].南京：南京理工大學，2015.

[4] 蔡立晶，李文勇.簡易穩定多路溫濕度巡檢系統設計 [J].黑龍江八一農墾大學學報，2013，25（4）：58-60+64.

[5] 王憲磊.基于ZigBee的智能溫室大棚環境自動化監測系統設計 [J].農業科技與裝備，2016（7）：27-29+33.

作者簡介：黨磊（1994.02-），男，陜西寶雞人，本科。研究方向：電子通信。