基于ZigBee的溫室大棚監控系統的設計

舒丹丹，許 鐘，強大壯，李 寧

(1.朝陽師范高等專科學校 信息工程系，遼寧朝陽122000；2.三峽新能源朝陽發電有限公司 電力生產部，遼寧朝陽122000)

0 引言

我國傳統的溫室大棚缺乏科學的監測手段，不能及時準確采集信息，導致大棚內農作物不能及時得到所需的光照和營養，因此會造成不必要的損失.如果將ZigBee應用于農業大棚，構建規范化的環境監控系統，就能準確地采集農作物生長情況和環境變化情況的信息，從而大幅度減少勞動力，優化整體工作效率，真正實現農業自動化.因此，選取朝陽市綜合試驗站的多個溫室大棚，在其中建立了ZigBee無線傳感網絡，利用Wi-Fi等技術對長度為40 m、寬度為8 m的大棚進行監測，各個大棚內的無線傳感器網絡節點負責整個系統中信息的采集，使用者可隨時掌握大棚內農作物的生長情況，效果良好.

1 溫室大棚監控系統的功能

溫室大棚是一個非常繁雜的系統[1]，在溫室大棚環境中，能夠利用智能控制系統對影響農作物生長的環境溫度與濕度、土壤溫度與濕度、光照強度和CO2濃度等主要因素進行監控和調節，從而使環境調控在既定水平，同時增加了農作物產量和品質.溫室大棚監控系統功能如下：

(1) 溫室大棚智能控制系統可連續采集溫室內的土壤濕度、CO2濃度、空氣溫度、光照強度和空氣濕度5種對農作物生長影響顯著的環境因子，并在設備云平臺上實現實時顯示和在線監測.

(2) 當環境參數不適合農作物生長時，可以利用手機或者上位機遠程對水泵、風機、燈光、電機等進行控制，即啟動軟件系統運行實現各種控制設備的開關和功能狀態調節.

2 基于ZigBee的溫室大棚監控系統設計方案

2.1 系統總體設計方案

如圖1所示，該設計以ZigBee技術為核心，根據溫室大棚環境主要影響因素的特點，實現對溫室大棚的智能控制.首先在各個溫室大棚內的ZigBee終端節點上設計能夠檢測大棚內空氣溫度、濕度、光照強度、土壤濕度和CO2濃度的傳感器，在傳感器獲取數據之后，將其從終端節點發送給協調器.結合ZigBee無線通信協議構建完成無線傳感網絡系統，將采集的數據上傳至Wi-Fi網關，通過數據的融合處理以及數據協議的轉換，網關后端連接到Wi-Fi無線網絡，用戶通過計算機、手機、平板電腦等客戶端均可以實現遠程監控.

2.2 系統具體設計

2.2.1 數據采集模塊

本系統空氣溫度和濕度數據采集使用數字傳感器DHT11[2].在DHT11內部溫度測定過程中應用NTC元件,濕度檢測則選用電阻式感濕模塊；光照強度信息采集選用數字型光強傳感器BH1750FVI； CO2濃度檢測選擇固體電解質二氧化碳濃度傳感器MG811；土壤濕度采集則選擇 YL-69土壤濕度傳感器和數據發射器.

2.2.2 ZigBee無線傳感網絡節點的設計

數據采集層中，各種傳感器采集數據匯總到ZigBee無線傳感器網絡節點中，然后通過智能網關實現內部的傳輸網絡與互聯網連接，無線傳感網絡由ZigBee終端節點、ZigBee路由器節點和ZigBee協調器節點組成[3].系統無線網絡的協調器、終端以及路由器節點均采用相同的ZigBee硬件模塊設計，核心芯片采用德州儀器的CC2530 ZigBee射頻芯片.

無線傳感器網絡終端節點是實現數據采集的主體部分，ZigBee終端節點上接有各種傳感器，從而對溫室大棚當中的環境參數進行精確地采集，每個節點間隔2 min采集一次環境信息.每次采集完成后，終端節點將得到的數據信息通過無線傳感器網絡發送至協議轉換器(即ZigBee/Wi-Fi網關)，再通過ZigBee/Wi-Fi網關將信息傳輸給上位機.上位機對數據展開標準化的處理之后，調控調節系統所涵蓋的各項設備參數，最終實現對溫室大棚內溫度、濕度、光照等環境因素的調節.

如圖2(見 82頁)所示，ZigBee節點采用核心芯片CC2530，可以提高20 dBm的射頻功率，同時還能減少很多的外圍器件，因此既降低了電流消耗，還節約了成本.

2.2.3 Wi-Fi無線模塊

通信模塊選用ESP8266模塊.ESP8266是樂鑫公司研發的一款Wi-Fi芯片[4]，其搭配的外圍電路較少，能最大化減少占用的 PCB 空間，價格低、功耗小，把它作為通信終端，能夠有效地適配實時操作系統.ESP8266電路圖如圖3(見 82頁)所示.

2.2.4 終端控制模塊

在現代農業種植中，應該時刻保持通風，以提升環境中的O2濃度，幫助植物進行光合作用[5].氣溫較低的環境不利于農作物的生長，因此可在溫室內安裝加熱裝置和保溫裝置(如卷簾).另外，當空氣濕度和土壤濕度不足時還可以裝配滴灌裝置.上述各類控制設備通常情況下可以裝配在大棚內，并能夠對其進行智能化控制，因此如何通過網絡來控制終端執行器實現遠程控制是系統要解決的重要問題.可選用固態繼電器SSR控制，通過遠程控制端發出命令，利用特定的模塊進行接收，在這之后向繼電器傳輸相應的開關信號，以此調控執行器的開關狀態.此終端控制系統可靠性高、無噪聲、壽命長.

2.2.5 接口電路

為了實現ZigBee協調器與Wi-Fi模塊之間的通信，接口電路利用RS232串口電路來實現.串口通信模塊選擇能耗較低的MAX232，RS232串口電路如圖4所示(見 83頁).

2.2.6 電源電路

電路能否正常工作取決于電源的配置.溫室大棚一般無人值守，而且環境多變，有時還受到人為因素影響，因此在溫室大棚監控系統傳感器的選擇上，盡量選擇對供電電壓要求較低的數字型傳感器.為了適應溫室大棚多變惡劣的環境，無線傳感節點還需要具有移動性，并且Wi-Fi無線模塊和CC2530等模塊的供電電壓都是3.3 V，所以選擇2節5號電池就可以滿足所有模塊的供電需求.

3 結語

本研究中將ZigBee技術、Wi-Fi技術與現代農業相結合，構建了農業溫室大棚智能監控系統.該系統選擇了適合溫室大棚環境的低功耗數字型傳感器進行信息采集，完成了ZigBee無線傳感網絡的組建，通過Wi-Fi網關(ESP8266)進行傳輸.在無線傳感節點的軟件設計上，也考慮到了能量消耗的問題，如果沒有事件發生，則傳感器斷電，無線傳感節點進入休眠狀態.經過實際使用發現，基于ZigBee的溫室大棚監控系統應用效果良好，不僅能夠準確監測傳感器數據，實現高效通信，同時可以在線遠程控制排風、卷簾等設備.