基于ZigBee技術的北方設施農業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

摘 要：目前我國農業(yè)的自動化水平處于較低的層次，尤其是北方農業(yè)更為嚴重，因此大力發(fā)展農業(yè)的現代化管理具有非常重要的意義。針對上述問題，本文介紹了基于ZigBee的設施農業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計，該系統(tǒng)采用單片機作為主控制器，布置在大棚內部的傳感器可實時檢測室內溫度、濕度和光照強度等數據，同時通過ZigBee協議將各分散的采集節(jié)點組成網絡，以共享數據，使用此系統(tǒng)可以大幅度的提高農業(yè)生產的自動化水平。

關鍵詞：ZigBee；設施農業(yè)；遠程監(jiān)控

中圖分類號：TP277

近年來，設施農業(yè)的規(guī)模在我國北方發(fā)展十分迅速，利用設施農業(yè)種植蔬菜瓜果成為城市居民菜籃子的主要途徑，也是農戶增產創(chuàng)收的捷徑之一。然而目前的設施農業(yè)普遍存在著自動化水平較低、人力消耗大以及水肥資源浪費嚴重等諸多問題，影響著設施農業(yè)的進一步發(fā)展。采用ZigBee技術實現北方設施農業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以大幅度的增強農業(yè)的現代化水平，促進農業(yè)自動化的飛速發(fā)展[1]。

1 系統(tǒng)的基本構成

為實現遠程監(jiān)控的目的，系統(tǒng)將由采集節(jié)點、控制節(jié)點和上位機節(jié)點組成，各個節(jié)點之間將由ZigBee技術實現通信。

（1）采集節(jié)點使用ZigBee的終端設備，完成現場數據信息的采集，主要包括溫度、濕度、光照強度等，并將其上傳給控制節(jié)點。

（2）控制節(jié)點使用ZigBee的路由器，完成信息的上傳和下載，是信息傳遞的中轉站，擴展信號的傳輸范圍，同時負責提供控制接口，使得用戶可以直接手動控制或遠程控制，主要包括滴灌電磁閥、水箱水泵、通風風扇和卷簾電機等，此外還能提供數據顯示和按鍵控制功能。

（3）上位機使用ZibBee的協調器，協調器是整個網絡的核心，它主要的作用是啟動網絡，形成一個PANID。同時協助建立網絡中的安全層及處理應用層的綁定。當整個網絡啟動和配置完成后，其功能退化為一個普通的路由器，完成信息的傳遞和匯總。

2 系統(tǒng)硬件設計方案選擇

本系統(tǒng)主要實現對設施農業(yè)內部環(huán)境參數的實時監(jiān)測，同時用戶還可以通過遠程群控系統(tǒng)控制多個設施農業(yè)內的情況，操作方便快捷。

2.1 通信方式方案選擇

在近100年的時間里，人類社會從電氣時代步入了信息時代，各種各樣的新技術以驚人的速度出現在我們的生活里，其中的佼佼者當屬無線通信技術。隨著無線通信技術不斷朝著更快速、更穩(wěn)定、更廉價的目標向前發(fā)展，同時傳感器技術、微型計算機技術也在不斷前行，人類的生活將變得越來越便捷，越來越離不開無線通信技術。

目前有四種短距離無線通信技術正在成為業(yè)界談論的熱點，他們分別是無線局域網（WIFI）、超寬帶通信（UWB）、藍牙（BlueTooth）和ZigBee。由于在設施農業(yè)中，對于成本的要求較為苛刻，所以首先排除性能優(yōu)越但是成本較高的UWB；其次由于藍牙技術的通信距離較短，且功耗較高，故也不選用；最后在對比了WI-FI和ZigBee技術之后，發(fā)現WI-FI技術在各個方面均具有性能方面的優(yōu)勢，但是對于本系統(tǒng)來說，其性能已屬于浪費，而ZigBee技術提供的性能完全滿足設計需要，且成本以及耗電量均低于WI-FI技術，同時還具有很好的易用性[2]，因此選擇ZigBee技術作為無線通信的手段。

2.2 主控制器方案選擇

做為控制系統(tǒng)的核心部件，單片機最小系統(tǒng)是整個系統(tǒng)中最重要的一個組成部分，它的穩(wěn)定性、片內外設、開發(fā)難度等因素都是決定設計能否在最短的時間內取得成功的關鍵因素。

在針對ZigBee的應用中，最常見的單片機最小系統(tǒng)有ZigBee模塊+MCU以及片上系統(tǒng)（SoC）兩種。由于ZigBee模塊+MCU的方案至少需要兩種不同類型的芯片，使得其外圍電路較為復雜，在一定程度上提高了成本以及不確定性，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；片上系統(tǒng)（SoC）解決方案選用TI公司出品的CC2530芯片，CC2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，能夠以較低的成本組成網絡連接，內嵌有業(yè)界標準的增強型8051 CPU[3]。而CC2530是一款SoC芯片，具有強大的性能以及豐富的片內外設，因此在本系統(tǒng)中選用CC2530作為單片機最小系統(tǒng)的主控制器。

2.3 采集節(jié)點傳感器方案選擇

傳感器技術的日新月異使得我們的生活越來越美好，本系統(tǒng)可以采用先進的傳感器實現相應的功能。

2.3.1 溫濕度傳感器的選擇

由于本系統(tǒng)中的采集節(jié)點安裝在設施農業(yè)的內部，需要采集溫度和濕度信息，而目前業(yè)界在同時需要采集溫度及濕度信息的時候，通常使用集成的溫濕度傳感器，以減少器件數量，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本系統(tǒng)選擇AM2321數字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器。采用專用的溫濕度采集技術，確保其具有較高的可靠性與良好的穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個高精度集成測溫元件，并與一個集成微處理器相連接。具有抗干擾能力強，響應速度快等特點，用戶無需對數字輸出進行二次計算，也無需對溫度、濕度進行溫度補償，便可得到準確的溫濕度信息[4]。

2.3.2 光照強度傳感器的選擇

在設施農業(yè)中光照強度是一個很重要的參數，光照強度的大小決定了作物的生長速度，且還需要根據光照強度來控制卷簾電機動作。

這里選用光敏電阻來進行光強度的測定，它是利用半導體的光電導效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，又稱為光電導探測器。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換[5]。光敏電阻在一般系統(tǒng)的設計中，常使用串聯分壓電阻的的形式，之后采集光敏電阻兩端的電壓值變化來獲得光照強度的變化。

3 系統(tǒng)的工作流程

首先由采集節(jié)點采集所需環(huán)境參數，例如溫度、濕度和光照強度等，然后通過ZigBee協議組網，采集節(jié)點與控制節(jié)點直接可實現數據的傳輸；然后控制節(jié)點負責操作現場的各類機構，例如卷簾電機、高位水箱水泵、滴灌控制電磁閥、通風風扇等；同時控制節(jié)點處理數據之后將環(huán)境參數轉發(fā)至上位機節(jié)點，最后上位機節(jié)點在上位機界面中將各個數據進行顯示，同時允許用戶在上位機界面對各控制機構進行控制。

4 結束語

在設施農業(yè)上加入上位機控制系統(tǒng)與遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，用戶足不出戶就能監(jiān)視并控制農作物的生長情況，一定程度上實現了農業(yè)生產的自動化，使農作物始終生長在適宜的環(huán)境中，不但解放了人力，節(jié)約了資源，同時還能提高作物的經濟效益，為農戶增產增收。

參考文獻：

[1]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].農業(yè)工程學報，2013（04）.

[2]龐娜，程德福.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].吉林大學學報，2010（01）.

[3]呂鑫，王忠.ZigBee無線數據傳輸模塊的設計與實現[J].安徽師范大學學報，2010（07）.

[4]李水明.基于ZigBee農業(yè)大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電子科技，2014（06）.

[5]周嶺松，余春暄.基于ZigBee技術的溫?濕度控制系統(tǒng)[J].電子測量技術，2011（06）.

作者簡介：王麗平（1974-），女，吉林永吉人，教師，講師，碩士，研究方向：計算機應用。

作者單位：長春工程學院，長春 130021

基金項目：應用太陽能的蔬菜大棚灌溉群控技術研究（項目編號：201205043）；灌溉水肥一體化自動控制系統(tǒng)研究（項目編號：2014322）。