基于Zigbee的農(nóng)業(yè)溫室大棚測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

金偉，陶偉，谷龍龍，孟浩

（安徽農(nóng)業(yè)大學信息與計算機學院，安徽合肥230036）

我國國土幅員遼闊，位居世界第三，但是人均耕地面積少。而且我國可耕種地面在逐年減少。如何充分利用現(xiàn)有的土地資源，是一個值得研究的課題。我國大部分地區(qū)屬于大陸性季風氣候，四季溫度差別大。同時我國南北氣候相差很大，北方大部分的時間都是低溫，不能正常的進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，浪費大量的人力、物力。文獻[1]是使用GSM網(wǎng)絡對溫室大棚環(huán)境因素進行檢測，文獻[2]是基于RS485總線的形式對溫室大棚相關參數(shù)進行檢測與調(diào)控，文獻[3]是采用CAN總線傳輸方式設計了溫室大棚檢測系統(tǒng)。通過對以上學者和工程技術人員研究成果的分析，可以嘗試采用無線自組網(wǎng)形式進行溫室大棚相關研究。

作物的生長需要合適的生長環(huán)境，這種環(huán)境可以是自然（如田間）的生長環(huán)境，也可以是人工可控制的環(huán)境（如溫室內(nèi)）。感知環(huán)境的變化是作物生長環(huán)境的首要工作，它包括溫度、濕度、光照、營養(yǎng)成分、土壤酸堿度等等。本系統(tǒng)主要針對將作物生長環(huán)境信息采集后，通過Zigbee無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，控制中心的管理人員可根據(jù)需要控制相應的電氣裝置，從而達到環(huán)境的感知和控制，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

系統(tǒng)利用了單片機技術、傳感器技術、無線通信技術等，設計了一款基于Zigbee的農(nóng)業(yè)溫室大棚測控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有價格低廉，運行穩(wěn)定等特點，具有廣闊的應用前景。

1 系統(tǒng)整體設計

溫室中影響農(nóng)作物生長的環(huán)境因子主要有溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照等。在作物的整個生長發(fā)育周期中，這些環(huán)境因子不可能完全滿足作物的需要。因此，就需要采取必要的調(diào)節(jié)措施把這些環(huán)境因子維持在適合于作物生長發(fā)育的水平，收獲優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的農(nóng)作物。因此，系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)溫室大棚內(nèi)溫度、濕度和光照強度等環(huán)境因子的監(jiān)測和控制。

1.1 系統(tǒng)設計思路

本著低成本、高性價比的技術創(chuàng)新為指導思路，挑選了價格低廉和功能強大的51 單片機作為系統(tǒng)的核心控制器，以功能強大、穩(wěn)定且價格適中的DHT22溫濕度傳感器、光照傳感器作為主要采集設備，穩(wěn)定的Zigbee協(xié)議棧實現(xiàn)無線組網(wǎng)通訊，以及單片機控制的可控硅、繼電器作為最終的執(zhí)行機構。

1.2 系統(tǒng)技術原理

系統(tǒng)通過分布在溫室內(nèi)四處的各種傳感器設備采集諸如溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度、EC值、pH值等信息，利用新一代的Zigbee無線通信技術將數(shù)據(jù)進行匯總，再通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到控制中心，實現(xiàn)對大棚環(huán)境信息的無線監(jiān)控。各傳感器采集的數(shù)據(jù)既可以通過5110 液晶屏就地實時顯示，也可以通過Zigbee網(wǎng)絡匯總分析后在控制中心進行相應的顯示，還可以根據(jù)相關的條件，設置是否打開或關閉溫室的相關電氣設備，實現(xiàn)溫室環(huán)境監(jiān)控的自動化操作，實現(xiàn)遠程操作。系統(tǒng)結(jié)構圖如圖1所示，系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構

圖2 系統(tǒng)整體拓撲圖

2 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)下位機各監(jiān)測點采用STC89C52 單片機為中央處理器[4]，通過串口與Zigbee模塊進行通信，同時通過相關傳感器的通訊，監(jiān)測環(huán)境信息。本部分電路可分為溫濕度數(shù)據(jù)采集部分、光照傳感器數(shù)據(jù)采集部分、Zigbee 通訊部分和調(diào)光調(diào)速部分。

2.1 溫濕度采集

系統(tǒng)選用DHT22 數(shù)字溫濕度傳感器，其內(nèi)部含有已經(jīng)校準的數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它通過單總線外接一個約4.7～10 K的上拉電阻再與MCU 相連，電路簡單，抗干擾能力強。DHT22 包含一個電容式感濕元件和一個NTC 測溫元件，可以同時輸出環(huán)境中溫度和濕度信息,數(shù)據(jù)輸出格式為40 bit，其中高位在前，低位在后，輸出格式為

40 bit數(shù)據(jù)=16 bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗和[5-6]

2.2 光照傳感器采集

系統(tǒng)選用的光照傳感器為模擬電壓式光照傳感器，測量范圍為1～200 klx，測量精度為±5%，信號輸出范圍為0～5 V，供電電壓為12 V。由于本系統(tǒng)提供5 V 供電，光照傳感器需要12 V 供電，所以本系統(tǒng)采用MC34063 進行升壓，給光照傳感器提供穩(wěn)定的電壓。升壓電路如圖3所示。

圖3 升壓電路

2.3 Zigbee通信

系統(tǒng)選用的Zigbee模塊，是基于TI 公司CC2530F256 芯片[7]，內(nèi)部運行Zigbee2007/PRO協(xié)議棧，具有Zigbee的全部特點，Zigbee模塊接口如圖4所示。系統(tǒng)Zigbee模塊功能如下：

1）可以形象地理解為“無線的RS232 連接”，所以使用這個模塊就像使用RS232電纜一樣；

圖4 Zigbee接口

2）不用考慮ZIGBEE協(xié)議，串口數(shù)據(jù)透明傳輸；

3）所有模塊上電即自動組網(wǎng)，Coordinator自動給所有的節(jié)點分配地址，不需要手動分配地址，網(wǎng)絡加入、應答等專業(yè)Zigbee組網(wǎng)流程。

2.4 調(diào)光調(diào)速

系統(tǒng)通過調(diào)光來模擬溫室中進行人工補光的工作，通過風扇調(diào)速來模擬控制溫室中的通風系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動器是一種新型的光電耦合器件，它可用直流低電壓、小電流控制交流高電壓、大電流。用該器件觸發(fā)晶閘管，具有結(jié)構簡單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點。調(diào)光調(diào)速電路原理圖如圖5所示。

圖5 調(diào)光調(diào)速

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要組成部分。本系統(tǒng)分為下位機軟件設計部分和上位機軟件設計部分。下位機是各監(jiān)測點進行溫室大棚環(huán)境信息采集并且與上位機進行通信，上位機主要跟各監(jiān)測點進行通信同時進行服務器相關處理。

下位機軟件流程如圖6所示，首先要進行MCU初始化和Zigbee組網(wǎng)，然后進行相關環(huán)境參數(shù)采集并存儲到MCU 自帶的EEPROM中，在上位機進行輪詢時，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機并清除。在數(shù)據(jù)上傳時，采用握手機制識別上、下位機是否準備好或成功接收數(shù)據(jù)，下位機在發(fā)送完數(shù)據(jù)后一定時間內(nèi)接收到上位機回送的ACK 則認為發(fā)送成功，否則將繼續(xù)發(fā)送，直到3次失敗以后停止發(fā)送，同時下位機實時接收控制指令。

圖6 下位機軟件流程圖

上位機軟件設計中，主控部分首先要進行MCU的初始化和Zigbee 組網(wǎng)，上位機然后向下位機發(fā)送輪詢指令或控制指令，上位機獲得相關的溫室大棚的數(shù)據(jù)以后進行數(shù)據(jù)的存儲、分析與顯示。其軟件流程如圖7所示。

圖7 上位機軟件流程圖

4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設計

系統(tǒng)如果有多個監(jiān)測點同時向主控發(fā)送數(shù)據(jù)時，就有可能造成數(shù)據(jù)沖突，為保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性，需要在軟件設計過程中引入合適的通信協(xié)議。上、下位機之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程采用握手確認、CRC校驗保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?、穩(wěn)定和正確[8-9]。

幀頭、幀尾：0xAA表示幀頭，0xAF表示幀尾。用于識別數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始和結(jié)束，防止信息的混淆、錯亂。

數(shù)據(jù)長度：幀頭、數(shù)據(jù)長度和CRC校驗值的總字節(jié)數(shù)。

節(jié)點編號：用來識別該數(shù)據(jù)由哪個節(jié)點發(fā)送,上位機發(fā)送時該值設為0。

命令值：由4個字節(jié)組成。下位機上傳數(shù)據(jù)時該值設為0，上位機發(fā)送時，第1個字節(jié)用于區(qū)別系統(tǒng)的監(jiān)測與控制指令（參數(shù)設置也認為是控制的一部分）。當?shù)?個字節(jié)為0xBA時，表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集指令，第2個字節(jié)表示需要采集數(shù)據(jù)的節(jié)點，剩余2個字節(jié)設置為全1；當?shù)?個字節(jié)為0xCA時，表示系統(tǒng)控制指令，第2個字節(jié)表示設備的編號，第3個字節(jié)表示控制的動作（例如0x01表示打開設備，0x02表示關閉設備），第4個字節(jié)表示系統(tǒng)傳遞的控制參數(shù)（例如進行補光時光照度的值），如果控制的設備不需要控制數(shù)值，那設置為全1；當?shù)?個字節(jié)為0xDA時，表示系統(tǒng)設置指令，第2個字節(jié)表示設置類型的編號（例如0x03表示采集頻率遠程設置），剩下2個字節(jié)表示設置的具體參數(shù)（如果是采集頻率遠程設置，這2個字節(jié)表示多少秒采集一次信息）。

光照值、溫度值、濕度值：系統(tǒng)所需采集的一些信息。

CRC校驗：驗證數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，對數(shù)據(jù)幀中的所有數(shù)據(jù)進行CRC校驗，保證數(shù)據(jù)的正確性。系統(tǒng)通信協(xié)議格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)通信議格式

5 實地測試與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)對安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)翠園的玻璃溫室的溫度、濕度、光照度進行實時監(jiān)測，根據(jù)場地要求設置了6個監(jiān)測點，根據(jù)農(nóng)作物的生長規(guī)律，系統(tǒng)每隔30 min 采集一次數(shù)據(jù)[10]。表2為某一時刻系統(tǒng)采集的部分實驗結(jié)果，圖8為系統(tǒng)實物圖。

表2 部分實驗結(jié)果

圖8 系統(tǒng)實物圖

6 結(jié)束語

利用Zigbee模塊將傳感器整合到無線傳感器網(wǎng)絡中，通過在溫室大棚內(nèi)布置溫度、濕度、光照等傳感器，對棚內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測，實時就地顯示，同時數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，管理人員通過上位機軟件對棚內(nèi)的電氣設施進行控制，通過這種更加精細和動態(tài)監(jiān)控的方式對農(nóng)作物進行管理，更能貼切地感知到農(nóng)作物的生長環(huán)境，更精準地控制水、肥等生產(chǎn)物資的投入，從而提高資源利用率和生產(chǎn)水平。后期將結(jié)合太陽能供電的方式進行改進，以便系統(tǒng)可以更方便地進行布置，可以進行更大范圍地監(jiān)測研究。

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