基于 Zigbee 的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘曉貝 郭志冬

（1.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院；2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

基于 Zigbee 的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘曉貝1郭志冬2

（1.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院；2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

對 我 國 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 的 現(xiàn) 狀 進(jìn) 行 了 分 析 ，根 據(jù) 各 環(huán) 境 因 子 對 農(nóng) 作 物 生 長 的 影 響 ，采 用 先 進(jìn) 的 ZigBee 無線傳輸技術(shù)來設(shè)計(jì)出溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。 實(shí)現(xiàn)了對溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度及 CO2濃度等的信息采集、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控等任務(wù)。

溫室控 制；智能 監(jiān)控 ；ZigBee 技術(shù) ；無 線傳感 網(wǎng)絡(luò)

引言

溫室是指通過人工干預(yù)的方式來對指定區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤水分、養(yǎng)分等諸多環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)控，使之適合所培育作物的生長需求，由于它擺脫了地點(diǎn)、季節(jié)和外界氣候的影響和限制，從而能夠有效地改善農(nóng)業(yè)生態(tài)、生產(chǎn)條件，促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源的科學(xué)開發(fā)和合理利用，提高土地產(chǎn)出率、勞動(dòng)生產(chǎn)率和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。 因此，在 世界范圍內(nèi)得 到了廣泛的應(yīng) 用[1]。

我國作為全球設(shè)施栽培種植面積最大的國家之一，近幾年溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展得也很快。 溫室環(huán)境監(jiān)控技術(shù)是智能溫室的核心技術(shù)之一，同時(shí)也是最難掌握的技術(shù)之一[2]。 近 些 年通過從國外 引 進(jìn)先進(jìn) 的溫室技術(shù)以及我們國內(nèi)研究人員的自主研發(fā)，我國的溫室技術(shù)雖然取得了長足的進(jìn)步，但是在溫室環(huán)境的智能監(jiān)控方面還是較為落后的，筆者對現(xiàn)代化溫室環(huán)境參數(shù)控制的智能化進(jìn)行了探索和研究，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于 Zigbee 的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，為智能化在溫室環(huán)境參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做了有益的嘗試。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選取溫室內(nèi)的溫度、濕度、CO2濃度以及光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)來作為系統(tǒng)的被控制量，將加熱器、加濕器、遮陽網(wǎng)、天窗/側(cè)窗、風(fēng)機(jī)等作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，使溫室大棚的環(huán)境參數(shù)達(dá)到農(nóng)作物生長所需條件的最佳參數(shù)狀態(tài)。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示，主要由五部分組成：DSP 監(jiān)控平臺(tái)、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器、ZigBee 無線傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和各參數(shù)傳感器。 本系統(tǒng)可自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，進(jìn)而調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的各個(gè)環(huán)境參數(shù)，使之 達(dá)到最佳環(huán)境 條件[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

筆者主要設(shè)計(jì)了基于 Zigbee 的溫室環(huán)境無 線傳感網(wǎng)絡(luò)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。 硬件的研究設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)、ZigBee 無線組網(wǎng)等；軟件設(shè)計(jì)主要包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。

2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等溫室環(huán)境參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)包括：傳感器模塊、處理器模

塊 、無線通信模塊、能量供應(yīng)模 塊 四 個(gè) 部 分[4]。 本設(shè)計(jì)中的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成框圖如下圖 2 所示。其中，傳感器模塊包括：溫濕度傳感器與 CC2430 的接口電路、光照強(qiáng)度傳感器與 CC2430 的接口電路、CO2濃度傳感器與 CC2430 的接口電路； 處理器模塊和無線通信模塊被 CC2430 芯片集于一體； 能量供應(yīng)模塊就是電源電路。

圖2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成框圖

2.1 CC2430SoC 電路設(shè)計(jì)

CC2430 單芯片系統(tǒng)內(nèi)部集成了增強(qiáng)型 8051微控制器、存儲(chǔ)器等和大量的包括無線收發(fā)機(jī)在內(nèi)的常用電路。 故用 CC2430 片實(shí)現(xiàn)無線射頻信號收發(fā)控制的話其外圍只需要添加很少的電路即可。

CC2430 的無線通信 SoC 電路原理圖如圖 3 所示。 圖中，CC2430P1 口的 P1.0 和 P1.1 兩引腳各接1 個(gè) LED，這 2 個(gè) LED 作為指示信號燈；JTAG 的專用下載口占用了 CC2430P2 口的 P2.1 和 P2.2 兩個(gè)引腳。 CC2430 中剩余的引腳供給像時(shí)鐘電路、傳感器接口電路和電源管理電路等一些外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)使用。 CC2430 的天線電路在設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高其性能，選用的方式是非平衡變壓器連接非平衡天線。 電路中的一個(gè)電容、三個(gè)電感和一個(gè) PCB 微波傳輸線 組成了非平衡 變壓器[5]。

圖3 基于 CC2430 的無線通信 SoC 電路

2.2 各種傳感器與 CC2430 接口電路設(shè)計(jì)

（1）溫濕度傳感器 SHT11 與 CC2430 的接口電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器 SHT11 與 CC2430 的接口電路如圖 4 所示。 因?yàn)?CC2430 沒有 I2C 總線接口，設(shè)計(jì)時(shí)就用通用的 I/O 口總線， 用 CC2430 的 P0.2 腳接SHT11 的數(shù)據(jù)線（DATA）引 腳，CC2430 的 P0.1 腳接 STH11 的時(shí)鐘（SCK）引腳，在 SHT11 的數(shù)據(jù)線

（DATA）引腳和時(shí)鐘（SCK）引腳分別接 1 個(gè) 5.1k 的上拉電阻。

圖4 SHT11 與 CC2430 的接口電路

（2）光照強(qiáng)度傳感器 TSL230B 與 CC2430 的接口電路設(shè)計(jì)

圖 5 所示 為 TSL230B 與 CC2430 的接 口 電路。 為了節(jié)省 CC2430 芯片的可用端口，用撥碼開關(guān)來控制 TSL230B 的輸入端。 TSL230B 的工作電壓為 3.3V，其電源輸入端和信號輸出端的兩個(gè)電容（0.1uF 和 0.01uF）都起到去耦的作用。 TSL230B的信號輸出端 （OUT 引腳） 接在 CC2430 的 P0.3口上。

圖5 TSL230B 與 CC2430 的接口電路

（3）CO2濃度傳感器 T6004 與 CC2430 的接口電路設(shè)計(jì)

CO2濃度傳感器采用紅外式 CO2氣體模塊T6004，其與 CC2430 的接口電路如圖 6 所示。 圖中應(yīng)用 T6004 的模擬輸出模式， 并通過內(nèi)部 ADC 轉(zhuǎn)換器采樣，這是為了節(jié)省 CC2430 的引腳資源。由于 T6004模擬輸出的最大電壓是 4V，直接采樣無法實(shí)現(xiàn)，故需要用 LM358 把 T6004 的輸 出衰減至 0～3.2V[6]。

圖6 T6004 與 CC2430 的接口電路

3 ZigBee 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

在本文的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)中，路由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn) （即數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)） 和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成了ZigBee 節(jié)點(diǎn)的硬件部分，故應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)兩部分。

3.1 ZigBee 無線傳感器 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)前面分析的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的采集節(jié)點(diǎn)即 ZigBee 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的作用是把溫室內(nèi)的各種傳感器包括溫濕度傳感器 SHT11、光線強(qiáng)度傳感器 TSL230B 和 CO2濃度傳感器 T6004 采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到路由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)即 ZigBee 數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)。圖 7 所示為 ZigBee 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)流程圖。

圖7 基于 ZigBee 的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的整體設(shè)計(jì)流程

3.2 ZigBee 匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee 數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)即 ZigBee 協(xié)調(diào)器/路由器的作用是將把 ZigBee 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)整合以后傳送給 DSP 控制臺(tái)。 圖 8 所示為 ZigBee數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的程序流程。

圖8 ZigBee 匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件流程

4 結(jié)束語

采用 Zigbee 無線傳輸技術(shù)， 選用單芯片系統(tǒng)（SoC）CC2430，設(shè)計(jì)了基于 Zigbee 的無線傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)行了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)， 包括 Zigbee 無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，為智能化在溫室環(huán)境參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做了有益的嘗試。當(dāng)然，本系統(tǒng)還可以進(jìn)一步擴(kuò)展，可考慮將 CC2430升級到第二代 SoC 芯片 CC2530，使系統(tǒng)的整體性能再得提高；可通過優(yōu)化硬件電路設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增強(qiáng)各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力；可考慮在系統(tǒng)的供電電路中添加太陽能光伏板，這樣能克服系統(tǒng)中傳感器功耗較大的缺點(diǎn)，讓節(jié)點(diǎn)更好的工作。 此外，本文基于 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)非常符合物聯(lián)網(wǎng)的理念，后續(xù)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，可考慮構(gòu)建 Web服務(wù)器， 利用 Internet 或者 GPRS 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

[1]段 朝偉.大 溫 室溫濕 度 遠(yuǎn) 程監(jiān)控 系 統(tǒng)[D]．武 漢：武 漢 理 工 大學(xué)，2008：1～6.

[2]尹 勁 松.智 能 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) 研 究 [D]．重慶：西南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004：1～6.

[3]董 文國．蔬 菜 溫室大 棚 智 能監(jiān)控 系 統(tǒng) 的設(shè)計(jì)[D]．曲 阜 ：曲 阜師范大學(xué)，2012：1～23，25～50．

[4]張 春峰，朱玉玉．基 于 ZigBee 的溫 室 無 線 CO2 傳 感器網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè) 計(jì)[J]．工 業(yè)控 制計(jì)算 機(jī)，2009（10）：36～37．

[5]張少 虎．基 于 ZigBee 的自動(dòng) 抄表 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)[D]．西 安 ：西安科技大學(xué)，2011：10～21．

[6]段 雨順．用 于 無線網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議轉(zhuǎn)換 的 嵌 入式網(wǎng) 關(guān) 的 設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn)[D]．濟(jì)南 ：山東大 學(xué)，2009：35～42.

（責(zé)任編輯 梁紅艷）

Design on Intelligent Monitoring System of Greenhouse Environment based on ZigBee Technology

PANXiao-beiGUOZhi-dong
（1.Electric Engineering Department; Sanmenxia Polytechnic，2.Mechanical and Electronic Engineering Department，Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia 472000，China）

This paper studies the present situation of the system in China，analyzes the factors affesting crop growth.The system is designed by using advanced ZigBee wireless transmission technology to realize information collection， data processing， and monitoring for temperature， humidity， light intensity and concentration of CO2in the greenhouse.

Greenhousecontrol，intelligencemonitoring， ZigBeetechnology，wirelesssensornerwork

S126

：B

：1671-9123（2014）04-0112-04

2014-10-07

潘曉貝（1982-），女，河南靈寶人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院講師。