基于ZigBee的溫室大棚環境遠程監控系統設計*

鄭曉茜，邵帥飛

（1.鄭州職業技術學院，河南 鄭州 450121；2.機械工業第六設計研究院有限公司，河南 鄭州 450007）

溫室大棚種植模式保證了果蔬產品的品質和產量，保證了反季節蔬菜的生產，同時減少了自然災害對作物的影響，增加了種植戶的收入。目前，對大棚環境參數的檢測和控制多采用人工或有線布線方式管理，存在監控不及時、布線復雜、造價高、維護不便等問題[1-2]。本設計采用ZigBee技術對溫室大棚內的環境參數進行實時監測，系統根據設定值自動（也可手動）對溫室大棚內受控制的設備（如風機、遮簾頂棚、灌溉設備等）發出控制命令，實現了大棚內設備的自動化監控管理，從而為果蔬生長和發育提供適宜的環境條件[3]。同時，該系統具有功耗小、投入成本低、控制精準等優點。

1 系統總體設計方案

溫室大棚遠程環境監控系統采用ZigBee樹狀網絡拓撲結構，系統對每個大棚配置一個ZigBee傳感器終端節點、一個ZigBee路由節點和一個ZigBee設備執行終端節點，各大棚內的執行設備是互不干擾、獨立工作的[4]。溫室大棚內環境參數遠程監控系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 溫室大棚遠程監控系統結構圖

終端監控節點包括傳感終端節點（檢測大棚內的環境參數信息）和執行終端節點（控制相關設備的啟停）。傳感采集裝置和設備執行裝置均布置在各個大棚內[5]。系統將傳感器采集到的相關數據（土壤濕度、空氣溫濕度、CO2濃度、光照強度），通過ZigBee無線通信技術傳輸給路由節點，再由路由節點傳輸給ZigBee協調器模塊，ZigBee協調器模塊接收數據后進行信息的匯總并傳輸給上位機、手機，上位機進行數據的查詢、處理管理，并與預設參數進行比較，根據結果發出相應的控制指令，各執行設備終端節點收到控制指令后啟停風扇、卷簾機等設備。控制指令也是由ZigBee路由節點發送至終端執行節點，然后根據指令控制各設備的開關[6]。

2 系統的硬件設計

2.1 ZigBee模塊

ZigBee模塊具有體積小、功耗低、設備成本小、傳輸可靠性高且距離遠等優點。為解決多個溫室大棚布線復雜的問題，本設計采用CC2530-F256模塊作為控制芯片，實現大棚內數據的傳輸及現場的控制。ZigBee模塊包含了三部分：ZigBee終端模塊、路由器模塊和協調器模塊。CC2530-F256的電路原理圖如圖2所示。

圖2 CC2530-F256的電路原理圖

2.2 ZigBee終端節點設計

ZigBee終端節點結構如圖3所示。ZigBee傳感終端節點包括兩部分，即ZigBee傳感終端節點和ZigBee執行終端節點。ZigBee傳感終端節點負責接收傳感器采集的數據并傳輸給ZigBee路由節點，ZigBee執行終端節點負責接收控制信號并傳輸給執行設備。

圖3 ZigBee終端節點結構圖

2.2.1 空氣溫濕度傳感器的選擇

AM2302溫濕度傳感器的優點是穩定性好、可靠性高、具有數字信號輸出功能等，廣泛應用于農業環境的溫濕度監測。故本系統的空氣溫濕度傳感器選用AM2302模塊。AM2302溫濕度傳感器接線圖如圖4所示。

圖4 AM2302溫濕度傳感器接線圖

2.2.2 土壤濕度傳感器的選擇

TH-FDR2000型土壤水分傳感器具有測量精度高、響應速度快、耐腐蝕性好、封閉性佳等特點，常用于土壤墑情監測、溫室控制、節水灌溉等領域。本系統的土壤濕度傳感器選擇TH-FDR2000模塊。

2.2.3 光照傳感器的選擇

B-LUX-V30B光照傳感器具有抗干擾能力強、體積小、便于安裝、傳輸距離長等優點，故選擇BLUX-V30B模塊作為本系統的光照傳感器模塊。該模塊將采集的光照強度參數傳給CC2530-F256模塊，通過與預設值的比較，決定是否開啟補光設備（LED光源）。

2.2.4 CO2傳感器模塊的選擇

GMP343傳感器具有功耗低、靈敏度優、外殼防護等級高和散熱功能好等優點，通信方式采用RS485，適用于惡劣環境。故本系統的CO2傳感器選擇GMP343模塊。

2.3 執行終端節點

ZigBee設備執行終端節點將控制數據傳給固態繼電器，控制灌溉設備、熱風機、風扇、補光設備、卷簾機等的開關，從而為大棚提供適合農作物生長的環境條件。

3 系統軟件設計

ZigBee模塊完成組網后，開始對環境各參數進行監測。傳感器模塊分別采集相應數據并將數據處理后發給ZigBee網絡協調器，網絡協調器再發給上位機，上位機與預設值比較后，發出相應的控制指令，最后通過繼電器控制相應執行設備的啟停，從而實現大棚內環境的遠程監控。監控系統的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 監控系統主程序流程圖

4 結束語

基于ZigBee技術的溫室大棚遠程監控系統，通過多個不同的傳感器節點采集各大棚內的環境參數數據，并通過ZigBee網絡上傳至上位機或手機[7]。上位機或手機根據數據發出控制指令，控制各執行裝置的啟停，從而保證大棚內的環境在合適范圍內，該系統對智能農業具有重要的現實意義。