基于ZigBee技術的農業大棚環境監測控制系統設計

楊忠華 何向鋒

1.南寧科泰機械設備有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西農業職業技術大學，廣西 南寧 530007

0 引言

溫室大棚因具有透光、保溫性能，受環境影響較小，可為農作物提供良好的生長條件。但是，傳統的溫室大棚存在保溫能力差、抗壓能力差、通風不良等局限，極大地影響了其中農作物的產量和品質。筆者研究設計的智能農業大棚系統可實時采集空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度等數據信息，并通過ZigBee技術將各終端采集的數據進行集中處理，實現遠距離實時監控溫室大棚內土壤濕度、光照強度等。同時，該系統可自動調節相關設備參數，保障農作物能夠獲取充足的光照、水分等，有效提高棚內農作物的產量和品質［1］。

國外在智能農業大棚方面的研究比我國起步早，研究成果豐碩。例如，美國學者研發了一種集溫濕度控制、農業灌溉、肥料供給于一體的溫室智能管理系統，能夠實時監控和自動控制溫室內的一系列指標［2］。以色列智能農業大棚發展迅速，借助計算機等設備實現了對環境條件的自動控制，如將控制中心的計算機與大棚內的噴灌設備建立通信，可無線控制滴灌和微噴灌系統進行灌溉和施肥，提高了水資源和肥料的利用率［3］。加拿大的智能農業大棚使用溫室控制軟件采集并分析大棚內的相關數據，顯著降低了生產成本，有效減少了農藥使用量［3］。

隨著各種先進技術的不斷涌現，融入計算機、互聯網技術的溫室大棚智能監控、控制系統真正使設施農業邁入了智能化、網絡化階段［4］。目前，我國溫室大棚種植面積位列世界第一，但智能農業大棚的發展起步較晚，基礎薄弱，依舊以普通塑料大棚為主，與國外相比存在較大差距［2］。我國智能農業大棚的不足主要表現在關鍵技術不夠成熟、計算機一體化程度低、對環境指標的采集與控制較為落后。目前，國內開發的智能農業大棚系統只能進行監測和簡單的控制，成本較高，對棚內環境的調節作用小，且帶來的經濟效益不高。因此，研究開發性價比高的智能農業大棚系統意義深遠。

1 農業大棚環境監測控制系統總體方案設計

1.1 系統需求

通過實際考察，筆者選擇利用ZigBee 技術、窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術、CC2530 芯片編程原理、阿里云技術等，結合應用各類傳感器和功能元件，開發設計智能農業大棚系統，以期實現對大棚環境的遠程監控和自動控制。該系統的具體功能需求如表1所示。

表1 農業大棚環境監測控制系統系統功能需求表

1.2 系統整體框架

根據系統的需求分析，農業大棚環境監測控制系統的總體框架如圖1所示。系統分為ZigBee傳感器終端、ZigBee協調器、云端三大部分。

圖1 農業大棚環境監測控制系統系統總體框圖

1.2.1 ZigBee 終端。該系統共包含兩個傳感器終端節點（可擴展為多個），且兩者功能相同。終端節點接入傳感器測量大棚環境溫濕度、土壤濕度、光照強度，將采集的數據通過協議棧以單播模式發送給協調器。針對3種數據分別設置閾值，當采集的數據低于下限閾值時，系統會通過繼電器自動控制水泵、打開補光燈；當大棚環境各項數據恢復正常后，繼電器會自動關閉。

1.2.2 ZigBee 協調器。協調器作為該系統的主控平臺，主要負責兩個方面的工作：一是通過連接Air724UG實現與阿里云的連接，將兩個傳感器終端節點的數據上傳到阿里云平臺進行實時監控；二是連接兩個傳感器終端節點，接收終端節點單播發送過來的數據。協調器可以通過按鍵分別控制兩個終端節點上水泵、補光燈的開關，實現遠程監控與控制。

1.2.3 云端。云端這一部分包含NB-IoT 模塊和阿里云平臺。NB-IoT 模塊即Air724UG 芯片，在數據傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）管理平臺注冊賬號登錄建立設備，通過三元組連接阿里云平臺，將協調器的數據通過串口上傳至阿里云，實現數據上云。NBIoT 模塊可插物聯網卡，當終端上傳數據超出設定閾值時，Air724UG自動發送短信給預留手機號。阿里云平臺通過建立物模型將NB-IoT模塊上傳的數據實時顯示在面板，實時監控，實現智能農業大棚的可視化管理。

1.3 無線通信方案選擇

大棚內部環境較為復雜，需要經常松土、澆水、施肥、噴藥，不利于布線，并且布線成本高。無線通信方式節點布置較為靈活，更容易調整監控范圍，所以筆者設計的農業大棚環境監測控制系統采用無線通信方式進行數據傳輸和遠程控制［5］。常用的無線通信技術主要有ZigBee、Wi-Fi、藍牙等。

1.3.1 ZigBee 技術?；赯igBee 技術的無線傳感網絡技術是物聯網行業應用非常廣泛的技術之一，是以IEEE 組織的802.15.4 無線通信標準為基礎實現的無線組網技術，可以很好地滿足傳輸數據量小、傳輸范圍在10～100 m 的業務需求［3］。ZigBee 技術具備設備成本低、設備兼容性強等特點［4］，在增加射頻發射功率后，傳輸范圍可增加到1～3 km，能很好地適應占地面積廣、環境溫度較高、鋪設電路困難等溫室大棚環境，是無線傳感器通信方案的最佳選擇。

1.3.2 Wi-Fi 無線通信技術。Wi-Fi 俗稱無線寬帶，是一種可以將各種搭載Wi-Fi的終端設備連接在一起的技術。Wi-Fi無線通信技術覆蓋范圍小，只有30～45 m。Wi-Fi設備功耗較大，溫室大棚環境下設備發熱嚴重，影響設備壽命，并不適用于農業大棚環境監測控制系統。

1.3.3 藍牙技術。藍牙技術可以用于數據無線傳輸和語音通信。藍牙設備價格友好、功耗低、穩定性強，但在傳輸過程中數據包較小，傳輸距離短，最大的組網規模只有8 臺設備，不適用于筆者所設計的農業大棚環境監測控制系統。

2 系統硬件選取

筆者設計的農業大棚環境監測控制系統硬件主要分為無線通信模塊、傳感器采集模塊、其他模塊3部分。

2.1 無線通信模塊

無線通信模塊包括1個協調器、2個傳感器終端節點及NB-IoT 模塊，負責將傳感器采集模塊采集的數據上傳至云端。協調器和終端節點均選用CC2530 芯片作為處理器。當參數出現異常時，云端發出指令進行有效控制，使得大棚的環境溫度、環境濕度、土壤濕度、光照強度維持在合理范圍。

2.1.1 CC2530芯片

CC2530 芯片是德州儀器公司生產的一款無線射頻芯片［1］。CC2530芯片搭載增強型8051內核，具有很強的兼容性，可以兼容模數轉換器、串口、各種傳感器和外接模塊。CC2530芯片具有穩定、安全的數據收發功能，能滿足此次設計的需求。

2.1.2 NB-IoT模塊

NB-IoT 模塊內置的Air724UG 芯片由上海合宙公司研發，內置消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議，可以通過串口與CC2530芯片相連，實現系統與阿里云的連接。系統通過DTU 管理平臺配置參數，并將Air724UG 芯片通過三元組采用“一機一密”的方式進行通信，將數據實時顯示在阿里云平臺。用戶可以隨時通過阿里云平臺查看大棚環境溫濕度、土壤濕度、光照強度，還可以設置各項參數閾值。當環境數值超出閾值范圍時，Core-Air724 芯片可通過物聯網卡發送短信給用戶，實現警報功能。

2.2 傳感器采集模塊

傳感器采集模塊主要由DHT11 溫濕度傳感器、GY-302光強度傳感器及YL-69土壤濕度傳感器組成。

2.2.1 DHT11 溫濕度傳感器。DHT11 溫濕度傳感器主要依靠數字信號采集技術和溫濕度傳感技術采集數據，由1 個電阻式測濕元件和1 個NTC 測溫元件構成，并與1 個高性能8 位單片機相連接［5］。設計中，每個ZigBee終端節點連接一個DHT11溫濕度傳感器，采集的溫濕度數據精準度高、穩定性強。

2.2.2 GY-302光強度傳感器。GY-302模塊是一款基于I2C 通信的16 bit的數字型傳感器［6］。該傳感器的核心是一塊BH1750數字型光強感應芯片。BH1750是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器，采用標準的I2C總線傳輸方式。筆者設計的系統包含2塊GY-302模塊，光照強度范為0～65 535 lx，不區分環境光源，接近于人眼的視覺靈敏度，在設計中表現良好。

2.2.3 YL-69土壤濕度傳感器。該系統所使用的是電阻式土壤濕度傳感器，包括傳感器探頭和傳感器芯片。其中，傳感器金屬探頭采用鍍鎳處理，防止傳感器生銹。濕敏電阻為傳感器的敏感元件。該土壤濕度傳感器具有反應速度快、集成度高等特點，能夠很好地反映溫室大棚的土壤濕度情況。

2.3 其他模塊

2.3.1 有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示屏。OLED 顯示屏在玻璃基板上涂上有機涂層，整個屏幕水平方向分為8 page，垂直方向分為128 column，每個page-column 包含8 個像素，通過一個十六進制數控制，每個比特控制一個像素。當接通電源時，這些有機材料會發光，通過控制每個像素點的明滅實現對相應文字或圖案的顯示。OLED 屏幕可視角大、功耗低、對比度高、厚度薄、反應速度快，可用于顯示ZigBee協調器和終端的連接狀態。

2.3.2 串口通信模塊。CC2530 芯片有2 個串行通信接口：通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）模式（USART0）和串行 外 設 接 口（Serial Peripheral Interface，SPI）模 式（USART1）。每個通用同步/異步串行接收/發送器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART）外設有5 個相關的寄存器，通過寄存器可以設置2個USART接口，對應外部輸入/輸出（Input/Output，I/O）引腳的映射關系。筆者設計的系統采用CH340 實現通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）轉串口。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee協議棧

筆者采用事件輪詢機制構建ZigBee 協議棧。協議棧經過一系列硬件初始化后進入任務輪詢，判斷是否有事件發生。如果有，則比較優先級，調用事件處理函數執行事件，執行完畢繼續輪詢，判斷是否有新的事件發生，周而復始地循環，直到有新任務出現。

3.2 傳感器終端節點

系統包含2 個功能相同的ZigBee 終端節點，主要作用有2個：一是發送數據，通過單播模式將DHT11溫濕度傳感器、GY-302 光強度傳感器、YL-69 土壤濕度傳感器采集的數據發送給ZigBee 協調器；二是自動控制，預設土壤濕度和光照強度的報警值，當環境數據超出正常范圍時，ZigBee 終端節點通過繼電器自動控制水泵和打開補光燈，當數據恢復正常后，自動控制水泵和關閉補光燈。

3.3 ZigBee協調器

ZigBee 協調器作為系統的總控制中心，主要的工作內容有2 項：一是將傳感器終端節點發送的數據通過串口上傳阿里云；二是通過按鍵無線控制2 個終端節點上的水泵和補光燈的開關狀態。

協調器通過“SampleApp_MessageMSGCB”函數接收終端單播發送過來的溫濕度、土壤濕度、光照強度等數據，通過“case SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID”語句實現接收，之后通過串口發送給阿里云；協調器通過按鍵無線控制終端利用“SampleApp HandleKeys（uint8 shift，uint8 keys）”函數實現。當按下按鍵時，協調器會通過“SampleApp_SendPeriodicMessage”函數廣播發送一個變量給終端，終端收到對應變量，會在“SampleApp_MessageMSGCB”下 的“SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID”執行相應操作，使繼電器閉合或斷開。

3.4 連接阿里云

阿里云是阿里巴巴開發的一個云平臺，致力于提供在線云計算與調試。筆者設計的農業大棚環境監測控制系統用到了阿里云的物聯網平臺。連上阿里云是系統實現遠程監控的關鍵一步，具體有以下5 個步驟。

①通過淘寶賬號登錄阿里云。②進入物聯網平臺，開通公共實例。③新建產品，選擇自定義設備，直連設備節點類型，蜂窩聯網方式，ICA 標準數據格式。④添加設備，輸入設備名稱。⑤進入DTU 管理平臺，通過三元組配置參數，連接阿里云。

4 系統試驗調試

筆者設計的農業大棚環境監測控制系統由1 個ZigBee 協調器、2 個ZigBee 終端及傳感器節點構成。ZigBee協調器連接著1塊Air724UG芯片和1塊1×4鍵盤。2臺ZigBee終端及傳感器完全相同。ZigBee終端節點上連接有DHT11 溫濕度傳感器、YL-69 土壤濕度傳感器、GY-302 光強度傳感器及兩個繼電器，兩個繼電器分別連接水泵和補光燈。每臺設備上都裝有天線。該系統總體構成如圖2所示。

圖2 系統整體實物圖

4.1 ZigBee協調器遠程控制調試

ZigBee 協調器上擁有4 個按鍵，按下按鍵“1”時，終端1啟動補光燈，再按下按鍵“1”時，終端1補光燈關閉；按下按鍵“2”時，終端1 啟動水泵，再按下后水泵關閉；同理，按下按鍵“3”“4”時分別控制終端2 補光燈和水泵的打開或關閉。

傳感器模塊上設置有閾值。當土壤濕度、光照強度低于所設閾值時，ZigBee 終端可以控制ZigBee 協調器上的蜂鳴器報警，經過水泵補水、補光燈補光，指標恢復正常后，蜂鳴器停止報警。

4.2 ZigBee終端無線數據發送調試

ZigBee 終端節點采集環境數據后通過單播模式發送給ZigBee 協調器，ZigBee 協調器通過串口將數據發送至計算機。ZigBee 終端通過移動電源供電，串口助手依舊能收到“T&H&G&S”參數值，依次為溫濕度、土壤濕度、光照強度。在ZigBee 終端設置土壤濕度和光照強度的閾值，當土壤濕度低于所設下限閾值時，水泵自動打開。同理，當光照強度低于所設下限閾值時，補光燈自動開啟。

4.3 數據上云調試

ZigBee 協調器接收來自ZigBee 終端節點無線發送的溫濕度、土壤濕度、光照強度數據，通過串口按照阿里云的固定格式將數據上傳阿里云，利用功能定義構建物模型，實現數據上云。

5 結論

筆者以ZigBee 技術為基礎，設計了一套具有遠程監控功能的智能農業大棚系統。該系統具有精準采集、遠程監控、自動控制、實時警報等功能，通過功能測試和系統調試基本符合功能預期，理論上可以解決傳統溫室大棚光照不足、農作物缺水等問題。