基于ZigBee的溫室監測系統設計與實現

李佳轅 劉彬

摘? 要：隨著網絡的不斷發展和無線通信技術的成熟，傳統的溫室物聯網系統已經遠不能滿足現代溫室大棚的需求。當前，國內多數大棚的溫室監測采用有線部署，不僅成本高而且管理復雜。采用B/S模式體系結構并結合Vue框架開發設計一種基于Linux的ZigBee遠程溫室環境監測系統，可有效解決傳統溫室環境數據采集低效、人工成本高等問題。該系統能夠使用戶實時遠程掌握溫室環境變化，遠程動態調節溫室環境，從而使溫室內作物穩定高效的生長。

關鍵詞：溫室大棚;環境監測;遠程控制;ZigBee

中圖分類號：TP274? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）24-0013-04

Design and Implementation of Greenhouse Monitoring System Based on ZigBee

LI Jiayuan，LIU Bin

（Panzhihua University，Panzhihua? 617000，China）

Abstract：With the continuous development of network and the maturity of wireless communication technology，the traditional greenhouse internet of things system has been far from meeting the needs of modern greenhouse. At present，most greenhouse monitoring in China adopts wired deployment，which is not only high cost but also complex management. A ZigBee remote greenhouse environment monitoring system based on Linux is designed by using B/S mode architecture and Vue framework，which can effectively solve the problems of low efficiency and high labor cost of traditional greenhouse environment data collection. The system can remotely grasp the greenhouse environmental changes in real time，remotely modulating the greenhouse environment，so as to make crops grow stably and efficiently in the greenhouse.

Keywords：greenhouse;environmental monitoring;remote control;ZigBee

0? 引? 言

隨著互聯網時代的逐步發展，網絡應用到了各行各業，傳統的溫室環境檢測系統也必定迎來新一輪的技術革新。在各種大棚種植基地中，大棚的環境監測是農作物成長尤為重要的一個因素。目前，我國在溫室環境監測上的物聯網技術相比于其他國家較為落后，大棚種植基地采用的環境監測方式大多數還是傳統的有線部署方式。這種方式存在諸多問題，一是維護性差，例如當農場需要改造或擴大規模時，需要先拆掉原有線路然后重新對線路進行部署，十分不便。二是成本較高，種植基地除購置相關設備外，還有昂貴的人工費用。三是管理不夠方便，不能將數據實時地傳給用戶，不能自動反饋調節大棚溫度，工作人員的工作效率低下。

為了克服有線方式的溫室監測控制缺點，近幾年來，無線通信技術成了重點關注點。無線通信技術具有易拓展、移動性強、費用低、自動連接組織、靈活性高等優點，使它在溫室大棚技術應用中具有明顯的優勢。ZigBee作為一種新型的無線通信技術，由于對網絡要求低、擴展方便、易于維護、移動性強，在新型現代化農、工業控制，智能家居、商業樓宇自動化等各個領域都得到了廣泛的認可，是目前使用最廣泛的一種無線網技術，表現出了強大的應用前景。該技術還適用于網絡信號較差的環境，能夠有效地應對農村地區的溫室大棚環境，可有效解決用戶的問題。

本文提出一種基于Linux的ZigBee遠程溫室環境監測系統，使用ZigBee自組網代替傳統的有線網絡，使用輕型的SQLite3數據庫和超小型boa服務器。用戶可以通過手機信息獲取溫室大棚內溫度、濕度、光照強度、煙霧濃度等環境數據，能夠及時發現異常，有效保證溫室大棚作物的產量和質量。

1? 需求分析

隨著大棚產業的不斷發展，人們對自動化、精確化和效益最大化不斷提出更高要求。利用快速發展的互聯網技術取代人工管理，減少人工費用是當前所需。使用無線技術部署溫室監測更加方便和靈活。針對當前大棚產業的需求提出“基于ZigBee的溫室監測系統設計”項目，我們從可行性和功能需求兩個方面進行分析。

1.1? 可行性分析

1.1.1? 經濟可行性

傳統的溫室監測方式大多采用有線部署方式，有線方式在初次使用時，不僅安裝麻煩，而且在成本上相對于無線部署方式更高。當農場需要改造時，有線方式需要拆掉以前的線路然后重新部署，花費大量的人力、財力，而無線方式只需把傳感器移到需要監測的位置即可，具有經濟、方便部署及維護等特點，更適用于現代農業。

1.1.2? 技術可行性

當前網絡信息技術快速發展，該系統總體使用B/S模式，前端采用當下最為流行的Vue框架進行開發。在技術層面，該項目運用到的技術有Zigbee、MQTT等一些主流信息傳輸和收集技術，這些技術具備良好的兼容性和易于在該項目實現的操作性，有很好的前景和潛力。

1.1.3? 市場可行性

市場對大棚產品的需求不斷增加，溫室大棚得到了應有的發展，所以在溫室環境監測方面有很大的需求。該系統使用ZigBee無線傳輸協議進行數據收集和傳輸，部署方便，靈活性強，符合用戶對大棚監測的需求，另外，目前采用無線設計的環境監測系統很少，市場競爭方面也有著巨大優勢，在市場方面可行性高。

1.2? 系統功能需求

遠程溫室環境系統設計主要分為四大模塊，分別為數據采集模塊、遠程數據轉發、分析存儲控制模塊以及用戶模塊，功能需求設計如圖1所示。

其功能需求描述為：

（1）數據采集模塊。在終端處通過傳感器進行溫室數據的采集，并等待數據轉發，當后臺通過數據分析，發現光照不夠時，就傳入增加光照的控制信號，開啟日照燈，達到環境控制的功能。

（2）遠程數據轉發模塊。將采集的數據通過消息傳送協議將數據進行上傳，并把這些數據實時的顯示在QT面板上，另外負責接收分析存儲控制模塊處理后的調控信號。

（3）分析存儲控制模塊。第一，對溫室數據進行存儲，也是最基礎的功能。第二，對溫室數據進行分析，比如求平均值、判斷是否超過閾值（即超過用戶設定的范圍），自動將數據反饋給用戶模塊，然后做出相應的調節，第三，起到橋梁作用，將數據轉發模塊和用戶模塊連接起來。

（4）用戶模塊。首先實現登錄和個人信息修改，然后實現溫室數據查詢功能，并發出控制信號，實現溫室設備的控制功能。

2? 系統設計與實現

2.1? 系統總體設計

該系統采用當下主流的無線監測與控制方式，使用ZigBee終端實現數據的采集，通過ZigBee協調器對終端實現管理，通過MQTT協議實現轉發控制信息和采集的數據信息。服務器和數據庫之間的數據交互利用CGI通用網關接口實現，然后用戶通過帶有用戶信息等參數請求服務器進行溫室數據查詢并進行控制，服務器自動對收集的數據進行自動化分析存儲，通過對比用戶設置的參數對光照控制器等終端節點實現自動化的控制。

該系統主要由三大部分組成，總體設計如圖2所示。

根據數據的主要狀態分為三大部分，第一部分Zigbee自組網絡部分對數據進行收集，第二部分數據的轉發分析存儲和控制模塊對數據進行分析存儲，第三部分用戶終端的使用模塊對數據進行查看，具體功能為：

（1）ZigBee自組網絡。通過協調器開啟終端節點，通過終端節點采集數據，包括溫度、陽光、濕度和煙霧等，組成最基礎的邊緣部分。

（2）數據的轉發分析存儲和控制。利用協調器完成對終端數據收集，轉發到網關，然后上轉數據到服務器，經過一系列自動化處理后，通過分析的數據和用戶設置的閾值進行對比，服務器做出響應，發送控制信息到網關，然后協調器再對控制信息進行分析，最終達到自動控制的目的。

（3）用戶終端的使用。用戶使用網頁請求服務器，服務器判斷數據庫是否有請求數據，有就直接從數據庫取出，否則通過服務器將數據轉發到協調器，然后進行解釋和響應。

2.2? 系統具體設計

2.2.1? 數據采集模塊設計

數據采集模塊主要包含溫室數據采集、環境控制和數據轉發3個功能：

（1）溫室數據采集。傳感器部署在ZigBee終端上，當收到來自協調器的開啟監測信號后，溫濕度傳感器置于OSAL系統的事件，實現5秒自動采集數據。光敏傳感器的數據采集類似于溫濕度傳感器，但控制是設置在協調器上，使用I2C通信方式讀取。煙霧傳感器的數據采集同溫濕度，但讀取時先是將煙霧傳感器采集的AD模數轉換為電壓值，再通過計算得到煙霧值百分比。

（2）溫室環境控制。繼電器連接光照調節器，部署在協調器上，協調器接收到光照傳感器的數據時，就將繼電器狀態和光照傳感器讀取的數據打包通過UART發送到網關。

（3）數據轉發。數據轉發是關鍵部分，ZigBee數據轉發功能主要包含UART串口收發和ZigBee無線自組網絡的通信功能，實現遠程轉發和ZigBee無線自組網絡的相互通信。UART串口先是讀取協調器，然后再將數據通過MQTT協議轉發到服務器上，同時接受服務器傳回的數據，UART進行解析并判斷系統閾值，如果當前煙霧值大于了閾值，打開煙霧報警器，反之則關閉煙霧報警器，這樣就實現了終端和服務器的通信。前端通過Vue來進行項目的界面開發，通過Ajax異步通信技術與后臺網關程序進行交互，后臺網關收到請求后進行解析，如果能直接從數據庫拿到數據，則訪問數據庫讀取數據并返回，如果需要與守護進程通信或需要發送到硬件部分，則通過FIFO管道將數據發送到守護進程，并由守護進程的MQTT線程將數據發送到硬件部分，同時守護進程對請求做出響應，同樣，再由網關響應轉發給前端，實現數據交互。

2.2.2? 分析存儲控制模塊設計

該模塊是核心部分，類似于中央處理器，設計采用boa輕型服務器和SQLite3數據庫作為核心控件，接收到數據后進行智能化分析和存儲，通過分析存儲的數據和閾值對比，做出響應實現自動化控制。

服務器部署的遠程數據轉發模塊的溫室環境控制功能和分析存儲控制模塊的MQTT數據收發功能通過信號量實現同步，同一時間只能有一個消息可以發送，當MQTT訂閱線程接收到來遠程數據轉發模塊的數據后，將在回調函數中進行數據處理，該回調函數中主要完成數據解析和自動控制兩個功能，數據解析主要包括溫室環境的平均、最大、最小值，每5秒解析一次，設置一個定時器，判斷當前數據是否接收正常，每分鐘執行一次，出現異常則自動重啟設備，用戶設定的晝夜切換時間，當達到時間就自動切換晝夜模式。另外在自動控制之后，通過對比閾值，若超過閾值，表明煙霧值過高，很有可能發生火災，就需立即向用戶發送短信進行通知，而其他預警不是很緊急，則無需要通知，僅當用戶查看時顯示。以煙霧預警功能實現為例，當UART接收到數據之后，進行解析并判斷系統閾值，如果當前煙霧值大于系統閾值則打開煙霧報警器，反之則關閉煙霧報警器，核心代碼為：

void read_count（）{

char gpio_file[12] = "/dev/gpioC";

unsigned int value = 0， data = 0， stop = 0;unsigned int bit = 14;

fd_gpio = open（gpio_file， O_RDWR）; //打開煙霧報警器

ioctl（fd_gpio， S5P_GPIO_SET_OUTPUT， bit）; //煙霧報警器工作模式設置

write（fd_gpio， &value， 4）; //煙霧報警器控制，（默認關閉

while（1）{

if（tehu_count> 0 &&ligh_count> 0 &&smok_count> 0）{

if（write_current_data（） == 0）{ //一次完整數據采集，發送到QT

tehu_count = 0;ligh_count = 0;smok_count = 0;//清空標志位

}

}

if（smok_warning> 0 &&bee_sign == 0）{ //煙霧值超過煙霧閾值，需預警

data = 1;value = data<

write（fd_gpio， &value， 4）;

}else{ //解除預警，關閉煙霧報警器

data = 0;value = data<

write（fd_gpio， &value， 4）;

}

sleep（1）;

}

}

2.2.3? 用戶管理

用戶管理模塊主要包含登錄、注冊、個人信息修改、密碼修改和管理員重置普通用戶密碼5個功能，密碼重置功能僅有系統內置的管理員才能使用該權限，主界面效果如圖3所示。

用戶在瀏覽器中輸入本系統的IP和端口，即可跳轉到登錄界面，輸入賬號密碼請求服務器進入系統。如果沒有賬號則可以進行注冊，按照格式要求輸入正確的信息，使用MD5加密向持久層插入一條用戶記錄即可。登錄之后，我們可以通過點擊修改密碼按鈕，對密碼進行更正，然后跳回登錄頁面重新登錄。另外，和修改密碼類似的步驟進行對個人信息的更正，先是將需要更正的姓名電話信息輸入，然后點擊確認，即可實現信息的修改。

3? 結? 論

將無線通信技術應用于溫室中，是溫室環境監測和控制從有線到無線的一次變革和新的嘗試。無線通信技術在溫室中的應用主要涉及藍牙，ZigBee，GPRS，GS等模塊。從實際的應用狀況來看，ZigBee無線技術具有價格相對較低、功耗低、自組網能力強等諸多優點，其應用比較廣泛。實現了溫室大棚環境數據的遠程監測和控制，提高了監測系統的可靠性、實時性、穩定性、可擴展性。總之，從測試效果來看，能夠滿足現代溫室大棚的發展和需求，具有較好的實用性。

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作者簡介：李佳轅（2000—），男，漢族，四川廣安人，本科在讀;研究方向：物聯網;劉彬（1982—），男，漢族，四川資陽人，網絡安全高級工程師，講師，碩士，研究方向：計算機科學與技術。