基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

梁一嘯，劉志欣，范 恩，蔣忠莉，鄧貴妃

（1.紹興文理學院 生命科學學院，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學院 機械與電氣工程學院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

近年來，隨著無線通信和數據傳輸的需求不斷增長，ZigBee技術也得到飛速發(fā)展。ZigBee網絡具有節(jié)能、可靠、成本低、容量大、安全性高等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)自動化、農業(yè)自動化等領域。當ZigBee協(xié)調器與上位機通過串口通信后，用戶便可以通過上位機發(fā)出操控命令，讓下位機將命令解釋成相應的時序信號，從而控制傳感器；同時，它還可以讀取傳感器狀態(tài)數據，將其轉換成數字信號，再反饋給上位機。因此，用戶可以聯(lián)合上、下位機更方便地采集和處理多傳感器數據，從而獲得一致的環(huán)境信息。

研究表明，蘭花的生長受溫室環(huán)境的影響非常大。當室溫過高時，會引起蘭花氣孔關閉，酶活性下降，呼吸、光合作用減弱，甚至出現(xiàn)焦尖、灼燒等現(xiàn)象。當氣溫過低時，又會使蘭花代謝下降，蒸騰作用減弱，同化物質的運轉和貯存效率下降。當夏天溫室濕度過大時，會抑制蘭花蒸發(fā)散熱，使蘭花生長出現(xiàn)不適。當冬天溫室濕度過大時，又會加速熱傳導而使蘭花受寒。溫室光照強度也同樣會影響蘭花葉片乃至整個植株的健康。光線太強會使蘭花的葉片脫水蔫萎或枯死，光線太弱會使蘭花的葉片葉質薄弱、無力，葉柄易彎垂，不易開花。為了提醒管理者及早采取預防措施，實時采集溫室環(huán)境信息十分重要。

為此，本文開發(fā)了一套基于多傳感器的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實時獲取室內溫濕度、光敏值，同時將溫濕度和光敏數據進行圖形化顯示。首先，通過溫濕度傳感器、光照傳感器與ZigBee協(xié)調器節(jié)點進行組網，并通過編寫上位機程序實現(xiàn)節(jié)點串口通信；然后，采用ZigBee協(xié)調器節(jié)點接收串口指令，并發(fā)送指令給終端節(jié)點；ZigBee終端節(jié)點接收指令后，分別解析溫濕度、光敏數據，再將數據返回給協(xié)調器節(jié)點；最后，協(xié)調器節(jié)點將數據發(fā)送給上位機，并在上位機進行圖像化顯示。

1 系統(tǒng)設計

設計系統(tǒng)的目的在于監(jiān)測溫室的溫濕度和光敏數據，并實時反饋給用戶，使用戶能夠及時采取措施。當溫度過低或過高時，適當調整溫度。當光照過強時，打開遮陽膜等。本系統(tǒng)主要通過ZigBee組網、傳感器數據處理、編寫上位機程序實現(xiàn)ZigBee開發(fā)板對溫室環(huán)境數據的采集，以及與上位機的串口通信。主要思路如下：

（1）采用溫濕度傳感器、光照傳感器分別接收協(xié)調器指令信息，解析溫濕度、光敏數據后，返回給協(xié)調器節(jié)點；

（2）ZigBee協(xié)調器節(jié)點負責接收串口指令，并發(fā)送指令給2個ZigBee終端節(jié)點；

（3）協(xié)調器節(jié)點通過串口與上位機通信，即上位機通過串口發(fā)送指令給協(xié)調器，協(xié)調器通過串口發(fā)送溫濕度、光敏解析數據給上位機，上位機刷新界面并顯示。

2 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結構如圖1所示?；诙鄠鞲衅鞯臏厥噎h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要分為3大部分：ZigBee協(xié)調器模塊、ZigBee終端模塊和上位機模塊。ZigBee協(xié)調器節(jié)點主要負責接收串口指令，并發(fā)送指令給ZigBee終端節(jié)點；ZigBee終端節(jié)點接收到指令后，分別解析溫濕度、光敏數據，然后返回給協(xié)調器節(jié)點；最后，協(xié)調器節(jié)點將數據發(fā)送給上位機。

圖1 系統(tǒng)結構

2.2 系統(tǒng)各模塊工作原理

2.2.1 ZigBee協(xié)調器模塊工作原理

ZigBee協(xié)調器是網絡節(jié)點信息的匯聚點，也是網絡的核心節(jié)點，主要負責組建、維護和管理網絡，并通過串口實現(xiàn)各節(jié)點與上位機的數據傳輸。它具有較強的通信能力、處理能力和發(fā)射能力，能夠將數據發(fā)送至遠程控制端。圖2所示為CC2530協(xié)調器，圖3所示為協(xié)調器流程。

圖2 CC2530協(xié)調器

圖3 協(xié)調器流程

2.2.2 傳感器模塊工作原理

ZigBee終端模塊分別依靠溫濕度傳感器和光敏傳感器進行數據采集、解析和傳輸。在監(jiān)測系統(tǒng)中，溫濕度傳感器型號為DHT11，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保數據的可靠性和穩(wěn)定性。光敏傳感器利用光敏元件將光信號轉換為電信號，ADC引腳連接CC2530的P0_1口，通過此I/O口輸出控制信號，控制ADC轉換得到相應數值。圖4所示為溫濕度傳感器模塊，圖5所示為光敏傳感器模塊。

圖4 溫濕度傳感器模塊

圖5 光敏傳感器模塊

上位機主要借助Visual Studio采用C#語言編寫，連接串口后，通過點擊按鈕觸發(fā)事件，將命令通過串口發(fā)送給下位機，下位機傳送的數據通過上位機解析成hex碼，并轉換成int類型值，然后將int類型的值（溫度、濕度、光敏值）賦值給圖形化控件，圖形化控件自動渲染后刷新界面。點擊“溫度”按鈕，發(fā)送獲取溫度指令；點擊“濕度”按鈕，發(fā)送獲取濕度指令；點擊“溫濕度”按鈕，發(fā)送同時獲取溫濕度指令；點擊“光敏”按鈕，發(fā)送獲取光敏的值；點擊“溫濕度光敏”，發(fā)送同時獲取溫濕度、光敏值指令。上位機工作流程和界面分別如圖6和圖7所示。圖8所示為上位機測試數據。

圖6 上位機工作流程

圖7 上位機初始界面

圖8 上位機測試數據

2.3 傳感器關鍵代碼

（1）溫濕度采集、解析關鍵代碼及說明。

溫濕度采集：

溫濕度數據解析：

（2）光敏數據采集關鍵代碼及說明。

節(jié)點C光敏數據采集：

3 數據采集與分析

3.1 溫室內溫濕度數據采集與分析

監(jiān)測系統(tǒng)分不同時段采集數據。從8:20開始，每隔60 s采集1次，共采集10次；從15:20開始，每隔60 s采集1次數據，共采集10次。圖9、圖10分別為早晨、下午監(jiān)測系統(tǒng)所采集的溫度數據；圖11、圖12分別為早晨、下午監(jiān)測系統(tǒng)采集的溫度數據。為方便比較，圖13為當天溫度、濕度的折線圖。

圖9 早晨溫度采集顯示

圖10 下午溫度采集顯示

圖11 早晨濕度采集顯示

圖12 下午濕度采集顯示

圖13 溫濕度數據統(tǒng)計折線圖

上述實測數據表明，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時、準確地采集溫室環(huán)境中的溫濕度信息。統(tǒng)計數據表明，適宜蘭花生長的溫室內溫度為20°～30 ℃，土壤濕度為40%RH～80%RH。從溫濕度圖形化顯示結果來看，當天濕度適宜，但溫度偏高，易使蘭花蒸騰作用變強，宜提前采取水空調降溫等措施降低溫室溫度。

3.2 室內光敏數據采集與分析

該監(jiān)測系統(tǒng)早晨、下午共采集2次光敏數據。從8:20開始，每隔60 s采集1次，共采集10次；從15:20開始，每隔60 s采集1次數據，共采集10次。圖14為早晨、下午的光敏數據折線圖。

圖14 光敏數據折線圖

通過光敏數據監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)，光度經ADC轉換后輸出值穩(wěn)定在1 600左右，屬于偏暗的范圍，這與當天陰雨天氣有關。統(tǒng)計數據表明，溫室內光照強度影響蘭花葉片生長和植株健康，太強的光線會讓葉片焦灼；太過昏暗的光線會讓葉質薄弱，蘭花容易倒伏。為了避免蘭花光合作用不充足的情況出現(xiàn)，應合理調整大棚內的光照強度。

4 結 語

針對蘭花溫室生長環(huán)境的要求，本文設計了一款溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)主要通過ZigBee組網技術、傳感器采集數據、上位機編寫程序等實現(xiàn)ZigBee開發(fā)板對溫室環(huán)境參數的采集。實驗表明，該系統(tǒng)能夠通過多傳感器對溫室環(huán)境參數（溫濕度、光敏值）進行實時監(jiān)測，并將傳感器采集的數據通過上位機圖形化界面進行實時顯示，提醒用戶調整溫室環(huán)境參數。此外，該監(jiān)測系統(tǒng)具有功耗低、精準度高、信息傳輸可靠、成本低等優(yōu)點，不僅可用于溫室環(huán)境監(jiān)測，還可以廣泛應用于其他農業(yè)自動化系統(tǒng)。