ZigBee技術在大棚環境監測系統中的應用

王子博

（遂川縣氣象局，江西 遂川 343900）

溫室大棚的應用歷史較長，但由于以往在技術方面存在一定短板，使得溫室大棚在應用過程中仍存在諸多實際問題。例如，在大棚環境監測中，受儀器精密度的影響，加之方法不科學，造成應用成本較高，從而導致使用效果難以得到保障。針對此類問題，可采用大棚環境監測系統，提高大棚管理效率。此系統是ZigBee 技術的拓展應用，受益于Zigbee的自組網、低功耗、大規模的特點，可大量部署傳感器，實現大棚內環境的精細化、規模化監測，通過將獲取到的數據傳輸至遠程終端，進而實現遠距離管理溫室大棚的目的。

1 大棚環境監測系統的組成結構

大棚環境監測系統主要由ZigBee 物理層、媒體接入控制層、網絡層及應用層組成，能及時獲取大棚內環境狀況。根據大棚環境監測實際需求，可將Zigbee 硬件構建成星形拓撲結構或網狀拓撲結構，拓撲網絡結構由主協調器和多個從設備組成。主協調器用以建立Zigbee網絡服務，啟動一個新的個人區域網絡，管理各類設備的入網及通信；路由器和終端設備等負責數據的采集及網內的信息傳遞；終端設備能及時采集大棚環境參數，將有效數據經路由器傳送至主協調器，再到達網絡層［1］。如果設備終端出現故障，系統可利用數據融合技術顯示出具有一定意義的參考數據，并持續進行故障報警。數據控制層由控制管理服務器、數據庫服務器、Web 服務器組成，其中，控制管理服務器可針對系統中的服務進程進行統一管理，將數據及環境等情況及時錄入數據庫服務器中，如與既定溫度參數不一，還能采取人工干預措施，及時調節溫度。數據庫服務器應用了MySQL數據庫管理系統，具有極強的安全性能，此系統支持安卓（Android）智能手機進行遠程訪問及控制。應用層中，為用戶提供了一個全面開放的平臺，用戶可借助不同類型的終端設備進行聯網控制。

2 Zigbee網絡硬件結構

大棚環境監測系統中Zigbee網絡硬件包含Zigbee協調器節點、路由器節點、終端節點3 種節點，半功能設備（RFD）、全功能設備（FFD）2 種設備。節點由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊、射頻模塊等組成，通過集成化技術，達到信息采集的目的。其中，大量半功能設備部署為終端節點，將采集到的外界環境信息傳遞至全功能設備的路由節點，最終由協調器節點完成Zigbee 協議數據到以太網TCP/IP 協議數據的轉換通信。在信息采集終端，主要應用了空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器。通過一系列傳感裝備，可以迅速準確地采集大棚內的各項環境參數。安裝時可選擇使用直插式封裝法，將眾多數據集中于顯示終端中，極大地提升設備安裝調試及維修效率。日常中Zigbee處理器處于待機休眠狀態，只有在到達既定時間后方可開始工作，對各類傳感裝備下達數據收集指令，此時傳感器即可按照自身功能，采集環境中的各項參數，并將此類數據及時傳遞至Zigbee處理器中，隨之做出相應的判斷。

3 Zigbee技術軟件設計

3.1 傳感器節點

位于傳感網絡底層的采集終端即網絡節點，可快速收集大棚內的溫濕度等關鍵性數據，并將其顯示在LCD（Liquid Crystal Display 液晶顯示屏）上，此時即可采用ZigBee 無線通信協議將信息傳遞至協調器中，對此類數據進行初步處理。在采集終端首次通電的狀態下，需進入系統初始化（硬件外設初始化、ZigBee 協議棧初始化）環節，在初始化完成后，即可自動搜尋自身所在范圍內的無線網絡。待組網成功后，能及時將各類數據借助Zig‐Bee 無線通信協議傳輸至協調器中，數據發送成功后，終端傳感網絡即會進入休眠狀態，只有再次進行數據采集時方可將其喚醒。

3.2 數據控制層軟件

數據控制層可為應用層提供必要的數據支撐，實現應用層的多項功能。在Web 服務器中，所采用的各類軟件可滿足遠程用戶的諸多需求，其中部署B/S 結構的監控系統及提供給終端用戶使用的Web Service，控制服務管理器需持續運行，以及時接收用戶指令，并在處理完畢后給予用戶反饋。

3.3 應用軟件

為直觀顯示大棚環境監測系統數據，要通過專業化的軟件搭建起大棚智能監控平臺，及時調節溫濕度等環境狀況，協助用戶完成管理工作。應用軟件系統應具有環境監控、設備操作、報表統計、數據曲線分析、系統配置及數據查詢等功能。其中，環境監控功能可將大棚內環境變化情況以三維動畫的形式實時展現在顯示系統中，用戶可在控制室內及時了解環境變化及生產狀況，如發現環境異常波動，系統可及時報警。設備控制功能方便了用戶操作，能夠依據天氣變化情況及生產所需手動調節控制器參數。報表統計功能是為便于查詢日報表、周報表等歷史報表所設計，能及時儲存各類歷史數據，作為數據分析的重要參考［2］。曲線分析則可全面展示出大棚內的溫度變化情況，系統不僅能提供實時的曲線分析圖，還可儲存歷史曲線圖，便于后期進行查詢及使用。系統配置可滿足用戶個性化需要，用戶可設置個人賬號，使管理更為方便、快捷。

3.4 主機應用程序實現

主機應用程序基于Visual Studio 2010 系統進行開發，主要借助了ASP.NET 技術，采用了C#作為開發語言。此軟件為模塊化設計，依據不同的模塊功能，做出針對性極強的設計，有助于降低軟件功能模塊間的耦合性，保障系統平穩運行。軟件是在三層結構設計要求下進行的開發，可使表現層、控制層、邏輯層所包含的內容更為豐富，提升軟件及系統的實用性。另外，為加強客戶端的可操作性及美觀度，運用Ajax 技術優化了客戶端的表現方式。在邏輯層中，可直接調用Web Service 方法，直接對終端服務器發送管理指令，借助此方式，用戶可進一步提升系統管理的便捷度，能在網絡內的任一位置進行全方位管理，實現對大棚生產過程的不間斷監控。

4 Zigbee系統性能測試

為進一步驗證系統的有效性，應在系統安裝完畢后及時進行性能測試。本文在某溫室大棚基地進行了相關的系統性能測試工作，將試驗觀察期設定為7 d，查看在此時間段內此系統軟硬件的工作狀態。要在溫室內布置一批協調器、路由器、信息終端采集裝備，其中，協調器需連接基地的監控中心，與相應的監控軟件形成統一整體。安裝路由器時，不宜將其安置于遠離溫室的區域，以防數據傳輸失真。為達到最佳效果，應將路由器放置于溫室耳房內，并將數據采集裝置放置于溫室中間區域［3］。在終端節點中，可將采集周期設定為5 min，可在每次采集各項數據參數（如光照、溫濕度、二氧化碳濃度等）時，及時通過路由器將其傳送至監控系統內，待采集結束后進入休眠狀態，可在下次采集周期到來時再次喚醒，將第一手資料傳遞出去。本系統中，終端節點距離路由器節點的距離在80 m 以內，路由器節點與監控中心協調器的距離為150 m。軟件系統可將采集到的信息及時儲存，再將數據進行打包傳送至信息服務系統中，及時將數據加入農業信息服務平臺，以備今后查詢使用。通過本次試驗可以看出，此類溫度控制系統具有較強的穩定性能，能勝任大部分情景下的溫室大棚種植，發揮出自身的實用價值。為進一步提升系統性能，保障數據傳輸的穩定性及準確性，今后應不斷完善系統功能，將誤差率降至最低水平。

5 結語

ZigBee 技術適合應用于大棚環境監測中，取得了良好的應用效果。此技術可對大棚內的環境狀況進行實時檢測，通過數據傳輸技術，將其發送至數據處理系統，具有使用便捷、成本低廉等優點。ZigBee 技術突破了有線傳感器的局限性，可使用戶隨時了解大棚內的環境變化情況，依據此類數據資料及時進行種植調整，避免因人為疏忽影響農業物長勢。ZigBee技術是智慧化農業的具體表現，具有顯著的應用優勢，值得在農業生產中大范圍推廣應用。