基于ZigBee的溫室無線測控網絡構建

摘 要 針對現有溫室大棚缺乏有效在線測控手段，以及布線困難等問題，設計開發了基于ZigBee的溫室無線測控網絡，將信息采集、無線傳輸、數據處理與遠程控制集于一體，既可解決數據遠程傳輸技術問題，又避免安裝大量傳感器和終端設備的弊端，從而滿足溫室環境監測過程中對多測點、多要素、移動性、便捷性等方面的要求。系統采用ZigBee星型拓撲結構，溫濕度傳感器采用DHT11，微處理器采用超低功耗片上系統CC2530，實現數據的多點采集和無線傳輸。從硬件和軟件兩方面考慮了低功耗設計的要求，搭建了系統的硬件結構及軟件設計方案。最后實驗調試結果表明，搭建的網絡可實現良好的自組網性和可擴展性，工作性能穩定，并且有效簡化了現場設備安裝與拆移等過程，使之更適合溫室大棚現場數據測控的需求。

關鍵詞 溫濕度傳感器；無線測控；ZigBee

中圖分類號：S625.5+1 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.11.055

作為種植果蔬的主要地點，溫室大棚在農作物生產體系中占據越來越重要的地位[1]。溫室大棚中農作物質量和產量的高低與溫室大棚中環境因素密切相關。其中，溫濕度更是直接影響溫室農作物產品的質量和產量[2]，故對溫室大棚溫濕度的監控是必不可少的。傳統的溫濕度測量一般采用溫度計、濕度計或者分體溫濕度傳感器，易受到測量場所及環境的限制，長期使用會導致性能下降，需要定期檢查與更換，并且有線傳輸存在布線麻煩、設備移動性不強、抗干擾能力差、測量精度不高等缺點，同時給系統的更新與維護帶來諸多不便[3]。

隨著計算機網絡和無線傳感技術的發展，無線傳感器網絡技術在溫室大棚環境數據采集上起到了革命性的作用。本文主要針對溫室種植環境要求，以溫室大棚的溫濕度為控制對象，經過溫濕度傳感器采集溫濕度，微處理器對采集到的數據進行處理、存儲和預警，并將處理后的數據無線傳輸至終端設備，并控制繼電器對溫濕度進行調控，用戶通過終端設備可實現溫濕度大棚遠程監控[4]。采用ZigBee技術進行數據遠程傳輸，讀取各個溫室大棚的溫濕度數據，真正意義上實現無人值守，具有低功耗、低成本、通訊距離遠、抗干擾能力強、組網靈活等優點和特性[5]，因而滿足溫室大棚對溫室測控網絡的實際需求。

1" 系統總體結構設計方案

ZigBee網絡支持星狀、樹狀和網狀3種網絡拓撲結構，本論文采用星狀結構，包括1個協調器節點和3個終端節點，整體結構簡單，能夠測量溫室大棚的溫濕度，成本低廉且易于移動維護，其中協調器為全功能設備（FFD），終端節點選用精簡功能設備（RFD）[6]。在星狀網絡中，所有的終端節點只能與協調器進行通信，相互之間的通信是禁止的。

本系統主要包括3個ZigBee終端節點和1個ZigBee協調器，終端節點通過ZigBee協議與協調器進行信息交互，終端節點將采集到的溫濕度信號進行初步處理，并將初步處理后的溫濕度信號傳輸至協調器。協調器對3個終端節點采集到的溫濕度進一步處理，將處理后的溫濕度信號傳輸至LCD屏實時顯示，同時，無線傳輸至遠程終端設備，用戶可通過遠程終端設備對溫濕度進行遠程控制。協調器外接LED預警系統，根據不同季節和不同時期農作物對生長環境的不同需求，用戶通過按鍵或遠程終端APP設置大棚溫濕度的上下限參數，協調器通過控制繼電器開啟影響農作物生長環境的執行設備，如加熱器、加濕器、風機、天窗/遮幕和卷被等來改變環境參數[7]，系統總體結構框圖如圖1所示。

2" 系統硬件結構設計

ZigBee無線傳感網絡由終端節點、路由節點和協調器組成。協調器是傳感網絡的核心，相當于1個網絡管理控制器，負責傳感網絡的建立、連接、退出及網絡地址的分配。路由節點具有網絡接力、擴大信號傳輸范圍的作用，一般情況下處于活動狀態，根據傳輸距離選擇是否使用路由節點。終端節點作為傳感器部署在監測區域內，采集區域內濕溫度信息，采集的信息經路由節點發送給協調器[3]，終端設備的工作原理是定時發送采集到的環境數據，若發送成功，收到協調器回復后進入休眠，保證低功耗的需求。

2.1" ZigBee終端節點

ZigBee終端節點由傳感器模塊、CC2530模塊和電源模塊組成。傳感器模塊包括3個溫濕度傳感器DHT11。CC2530模塊包括微控制器和ZigBee無線收發器，溫濕度傳感器DHT11負責采集溫室的溫濕度。微控制器將接收到的溫濕度信號進行數據處理。ZigBee無線收發器負責與ZigBee協調器進行通信。電源模塊為傳感器模塊和CC2530模塊提供電源[2]。圖2為ZigBee終端節點結構框圖。

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，帶有數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性，溫度測量范圍為-20至60 ℃，測溫分辨率可達到±2 ℃，濕度測量范圍為5%～95%RH，測量分辨率可達到±5%RH。DHT11具有超小的體積和超低的功耗，傳輸距離可達20 m以上，單線制串行接口系統集成簡易快捷，因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點，已經成為各類應用場合的最佳選項，DHT11是四線制封裝，采集的溫濕度信號經DATA數據線上傳到CC2530的P1_1口。

CC2530是一款兼容IEEE 802.15.4的片上系統，集成了增強型8051內核，結合TI Z-STACK協議棧可方便地組建自己的無線通信網絡，內部配置包括：具有代碼預取功能的增強型8051CPU、可編程256 kB閃存、8 kB RAM、1個16位定時器、1個8位定時器、IEEE 802.5.4 MAC定時器、看門狗定時器、AES安全協處理器、5通道DMA、2個支持多種串行通信協議的USART，具有穩定性離、功耗低、外圍器件少等優點。此外，CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統，運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了超低能耗[8]，圖3為CC2530的外圍電路圖。

由于溫室大棚一般無人值守，而且環境多變，盡量選擇對供電電壓要求較低的數字型傳感器，同時，無線傳感節點具有移動性，因此選擇容量大、使用壽命長且免維護的高性能電池。ZigBee無線通訊過程通過控制數據采樣間隔和采取休眠等低功耗措施，2節5號電池就可以滿足所有模塊的供電需求[9]，大大降低了能量消耗，降低了農民的生產成本。

2.2" ZigBee協調器

ZigBee協調器包括CC2530模塊、LCD顯示模塊、繼電器模塊、報警模塊和電源模塊。LCD顯示模塊實時顯示終端節點上傳的溫濕度信號，將溫室大棚傳感器實測溫濕度作為反饋值，用戶給定溫濕度作為輸入值，溫濕度差值作為控制偏差，對控制對象溫濕度進行PID控制，具體包括：將控制偏差輸入微處理器，微處理器經過處理后觸發相應的繼電器，在繼電器后加上執行設備來有效的調控溫室的溫濕度[10]。

報警模塊采用單片機驅動四個LED燈L1、L2、L3、L4，當溫度超過預設閾值時點亮L1；當溫度低于預設閾值時點亮L2；當濕度高于預設閾值時點亮L3；當濕度低于預設閾值時點亮L4[7]，報警模塊同時向遠程終端設備發送報警信號，用戶通過手機、計算機、平板電腦等終端均可實現遠程監控。

3" 軟件設計

ZigBee協議棧運行在OSAL操作系統上，該操作系統基于任務調度機制，通過對任務的事件觸發來實現任務調度[2]。ZigBee的核心是CC2530芯片，對CC2530芯片編程是在IAR Embedded workbench 環境下實現的，IAR Embedded Workbench是瑞典IAR Systems 公司為微處理器開發的一個集成開發環境（簡稱IAR EW），支持ARM，AVR，MSP430等芯片內核平臺，IAR EW的C交叉編譯器是一款完整、穩定且容易使用的專業嵌入式應用開發軟件，對不同的微處理器提供統一的用戶界面，目前可以支持至少35種的8位、16位、32位的ARM微處理器結構[11]。

終端節點的傳感器模塊采集溫濕度信號，通過ZigBee無線收發器將讀取的溫濕度信號傳輸至協調器，協調器通過ZigBee無線收發器接收溫濕度信號，微處理器對溫濕度信號進行處理，并將處理后的溫濕度信號發送至LCD屏顯示，判斷溫濕度是否超過預設閾值，若超過，則觸發報警和對應的繼電器，若不超過，則繼續接收并處理終端節點發送的溫濕度信號（見圖4）。

3.1" ZigBee終端節點

ZigBee終端節點主要負責溫濕度的采集、發送及控制指令的接收執行。終端節點開啟初始化后進行系統和網絡配置初始化，主動掃描有效網絡信道，發送加入網絡請求，尋找合適的父節點，通過關聯過程加入協調器節點創建的網絡。在沒有數據請求的時候，終端節點處于睡眠狀態；而一旦有了數據請求，終端節點馬上進入工作狀態，對數據請求命令解析并回應；然后再進行傳感器的啟動、數據的采集和數據的發送等；發送完畢終端節點進入休眠狀態[2，12]。終端節點在休眠期間，如果有外部中斷或定時器中斷，節點會恢復到工作狀態，開始執行任務。

3.2" ZigBee協調器

ZigBee協調器主要是建立和管理1個無線網絡。協調器掃描信道，接收新的節點加入，給新加入的節點分配1個特定的網絡地址；接收并處理終端節點發送的數據，并將處理后的數據發送至LCD顯示屏；判斷加入網絡的節點數是否低于采集節點數。若低于，還有采集節點未加入網絡，則繼續等待節點申請加入網絡；若不低于，所有的采集節點均已加入網絡，則執行溫濕度控制程序判斷是否達到環境參數的閾值。如果達到，則對溫濕度進行PID控制，通過控制偏差觸發相應的繼電器啟動執行設備，具體包括：1）當溫度過高時，打開卷被等設備進行降溫處理；2）當溫度過低時，打開加熱器等升溫設備；3）當濕度過高時，打開風機、天窗、遮幕等設備進行通風降濕處理；4）當濕度過低時，打開加濕器等加濕設備[13]。

由于溫室大棚的封閉性、空間大及無人值守，溫室大棚內部環境參數會有差異性，ZigBee終端節點采集環境參數時選用多個傳感器，分散在溫室大棚的各個角落或者重點區域位置，終端節點申請加入協調器建立的網絡后，多個傳感器將采集到的溫濕度發送至協調器，協調器處理數據后每隔3s輪流顯示在LCD顯示屏并同時發送至遠程終端，通過多個終端節點對溫室溫濕度進行精準控制。

本系統在溫室大棚東北角、西南角及中心區域共設置3個溫濕度傳感器，協調器接收到3個溫濕度值后，判斷3個溫濕度值是否超出溫濕度閾值，若超出，則點亮對應的LED報警，并將報警信號傳輸至遠程終端，同時獲取該終端節點位置，控制該位置的執行設備對溫室大棚的溫濕度進行調控。若東北角的1號溫濕度傳感器上傳的溫度低于閾值，協調器獲取該溫濕度傳感器的位置，打開該位置的加熱器進行升溫處理，同時用戶可通過遠程終端控制該位置的執行設備來調控溫室環境（見圖5）。

4" 系統測試

本文以辣椒溫室大棚作為實驗對象，在溫室大棚中東北角、西南角和中心區域分別設置溫濕度傳感器，協調器和LCD顯示屏設置在溫室中心區域，搭建的網絡可實現良好的自組網性，連續24 h整點時刻采集中心區域溫濕度傳感器所測的溫濕度數據（見圖6）。其中，溫室辣椒最佳生長溫度為20～30 ℃，最佳生長濕度為60%～70%。

溫室無線測控網絡可將溫室大棚的溫濕度控制在辣椒最佳生長環境下，在允許的誤差范圍內，工作狀態良好，測試結果穩定。用戶可在遠程終端更改溫濕度的上下限，根據不同農作物不同時期的生長需求更改溫濕度的上下限，及時監控溫室大棚內的溫濕度，并且還可查看大棚溫濕度歷史數據，以便對農作物的生長條件進行分析。

5" 結論

本文通過硬件電路設計及軟件編程，能夠實現對溫室大棚溫濕度的實時監控及預警。針對當前溫室大棚數據傳輸基本上是一對一的在線監測，本系統采用星型結構，實現一對多在線監控，采集溫室多點溫濕度信號，并且在LCD顯示屏上輪流顯示。能夠實現溫濕度預警，當采集的溫濕度超過預設值則點亮報警燈并觸發相應的繼電器，控制加熱器、加濕器、風機、天窗/遮幕、卷被等執行設備，從而實現溫室大棚溫濕度調控。系統采用數字式溫濕度傳感器DHT11，測量精度較高、穩定性好，單片機采用CC2530，片內集成微處理機和射頻單元，具有不同的運行模式且轉換時間短，進一步確保了低能耗。基于ZigBee構建的溫室無線測控網絡，減少了布線帶來的各種問題，具有結構簡單，功耗低，易移植且測量精度高、穩定性好，能夠滿足現代農業智能化管理需求。

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（責任編輯：敬廷桃）