一種智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

喬占通　趙娟

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能溫室大棚的應(yīng)用越來越普遍。主要是利用無線通信技術(shù)、無線識別技術(shù)和智能處理技術(shù)實現(xiàn)對植物生長環(huán)境的全面感知、可靠傳輸和智能處理。該文所設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ε飪?nèi)植被進行溫濕度、營養(yǎng)成分和光照強度等參數(shù)進行有效監(jiān)控，再通過ZigBee技術(shù)獎數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳給控制中心，從而實現(xiàn)自動施肥、自動澆水、自動除濕等功能。

關(guān)鍵詞：智能溫室大棚? ZigBee技術(shù)? 溫濕度監(jiān)控

中圖分類號：S625.3 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）02（c）-0026-02

植物生長與陽光、水分和營養(yǎng)有著密切關(guān)系，合適的環(huán)境能夠大幅度提高植物生長周期和產(chǎn)量。智能大棚無疑是可以實現(xiàn)這種環(huán)境的，主要通過短距離傳輸協(xié)議ZigBee的組網(wǎng)、溫濕度采集和上位機程序設(shè)計，及時對大棚內(nèi)環(huán)境進行相應(yīng)調(diào)整達到最佳狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟、可靠、高效的溫濕度監(jiān)控，為解決大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提供參考方案。

1? 系統(tǒng)整體方案

該設(shè)計采用傳感器感知環(huán)境，ZigBee協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，單片機作為控制中心，根據(jù)農(nóng)作物需求設(shè)置報警裝置，從而實現(xiàn)智能化處理。系統(tǒng)主要包含溫度采集模塊、數(shù)據(jù)匯聚和傳輸模塊、實時監(jiān)控模塊幾個部分，首先通過各個節(jié)點對溫濕度進行數(shù)據(jù)采集，然后匯聚控制中心，控制中心接收到數(shù)據(jù)后和設(shè)定的閾值進行比較，如果超出設(shè)定范圍則報警，并找出解決方案，再通過控制中心傳給各個端口采取相應(yīng)的解決措施。如果數(shù)據(jù)正常再通過控制中心匯聚到路由器，并進行相應(yīng)傳輸，再通過協(xié)調(diào)器串口把數(shù)據(jù)傳送到電腦終端。

利用ZigBee的自組網(wǎng)和多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能特點，智能大棚在擴展時很容易實現(xiàn)溫濕度的監(jiān)控問題。該設(shè)計采用CC2530芯片作為智能大棚的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，DHT11芯片進行溫濕度傳感器進行采集數(shù)據(jù)，通過上位機把采集的數(shù)據(jù)實時地顯示并保存，再通過協(xié)調(diào)器節(jié)點進行數(shù)據(jù)匯聚并通過上位機進行處理后傳輸給用戶終端。該設(shè)計要求數(shù)據(jù)傳輸距離有障礙時在10～100m范圍內(nèi)、無障礙時在200m以上;溫濕度傳感器的誤差范圍小于等于1℃;數(shù)據(jù)存儲時間以7d為周期進行;報警通過外接音響設(shè)備進行。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括CC2530控制電路、傳感器數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)傳輸電路、顯示電路、電源電路幾個部分。系統(tǒng)整體硬件電路如圖1所示。內(nèi)部電源是3.3V，外部電源是5V，故需一個電源轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)5V到3.3V的轉(zhuǎn)換。溫濕度采集電路采用溫度和濕度復(fù)合的數(shù)字信號輸出傳感器DHT11和ZigBee模塊組成。數(shù)據(jù)傳輸電路采用CC2530芯片來完成，是一種集成51單片機內(nèi)核的開發(fā)板。數(shù)據(jù)接口通信電路采用CH340G芯片構(gòu)成USB串口通信進行傳輸，外部電路與一個晶振和幾個電容電阻。

智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要是進行溫濕度檢測、網(wǎng)絡(luò)安全傳輸和智能監(jiān)控。首先傳感器進行溫濕度數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)過控制單片機處理后由天線發(fā)射出去，發(fā)射的數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee無線傳輸匯聚到協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器通過串口與電腦進行通信。其中傳感器節(jié)點是ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點，它可以根據(jù)用戶需要隨意增減。系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸兩個部分的設(shè)計。數(shù)據(jù)采集部分的工作是用DH11傳感器采集大棚溫濕度值，然后送到CC2530單片機的發(fā)送緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)傳輸部分由多個CC2530模塊，各模塊把數(shù)據(jù)從發(fā)生緩沖區(qū)中經(jīng)天線發(fā)生出來，延著距離最短的路徑把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器匯聚各節(jié)點的數(shù)據(jù)后經(jīng)串口上傳到電腦，監(jiān)控軟件收到協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)后實時顯示出來。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程圖設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括接入和接出兩個過程。先給協(xié)調(diào)器上電，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)并進行相應(yīng)的身份認證，再進行空閑通道掃描，使用沒有其他網(wǎng)絡(luò)使用的空閑通道，并提供身份認真信息，確認后即可接入網(wǎng)絡(luò)。同時指定Cluster-Tree的拓撲參數(shù)，包括最大節(jié)點數(shù)、的幻術(shù)層數(shù)、路由表生命周期和路由算法。任何一個節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)后，可從其父節(jié)點上查自己的物理地址、ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址和協(xié)調(diào)器指定的拓撲參數(shù)。同理，節(jié)點接出網(wǎng)絡(luò)時，只需向其父節(jié)點提出請求，節(jié)點成功地接收子節(jié)點或者子節(jié)點成功地從網(wǎng)絡(luò)中斷開時，都須向協(xié)調(diào)器匯報。因此，協(xié)調(diào)器可以隨時掌握網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點信息，維護網(wǎng)絡(luò)信息庫PIB。

網(wǎng)絡(luò)組建過程主要包括網(wǎng)絡(luò)初始化、主節(jié)點網(wǎng)絡(luò)配置、從節(jié)點入網(wǎng)3個過程。上位機軟件設(shè)計采用Visual Basic語言進行，主要完成對每個節(jié)點信息的匯總與顯示。采集到的數(shù)據(jù)通過串口讀入，并創(chuàng)建Excel文件用來保存數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)可以實時地顯示在文本框中。為了起提醒作用還設(shè)計了報警功能，在每個節(jié)點溫濕度值后可以根據(jù)用戶需要設(shè)計相應(yīng)的報警范圍。

4? 結(jié)語

該設(shè)計采用基于ZigBee的智能溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)大棚數(shù)據(jù)采集繁瑣、維護不便、傳輸不可靠等不利因素，經(jīng)過測試其性能良好，能夠在語言環(huán)境中正常實現(xiàn)程序的運行，硬件顯示也正常，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的正常采集、傳輸和控制，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實時性和溫濕度準確性達實際應(yīng)用要求。

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