基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)研究

毛弋

摘 要：要保證農(nóng)作物在溫室里健康的生長就必須將影響它們生長的環(huán)境因素給排除，溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等因素影響著農(nóng)作物的生長。本文通過對比國內(nèi)外溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，著重研究利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)對溫室環(huán)境信息實時監(jiān)控的系統(tǒng)，系統(tǒng)以傳感器節(jié)點、通信軟件和監(jiān)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和信息發(fā)布。

關(guān)鍵詞：ZigBee；環(huán)境因素；傳感器

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

在農(nóng)作物生長過程中，空氣中的溫度、濕度、光照強弱及環(huán)境溫度和濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境因素影響著農(nóng)作物的生長和生產(chǎn)量，因此控制這些因素需要提取空氣和環(huán)境中含有這些因素的數(shù)值，才能精確的和有效的控制空氣和環(huán)境中這些環(huán)境因素，從而保證農(nóng)作物在正常的環(huán)境下生長及提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。在舊的農(nóng)業(yè)生長過程中，這些因素主要靠目測和經(jīng)驗等這些手段來檢驗，缺少正真的數(shù)據(jù)，這些因素大大限制了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，還影響農(nóng)作物的生長質(zhì)量，使我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期處于低水平層次。

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前溫室環(huán)境控制系統(tǒng)主要針對溫度和濕度控制進行研究：有采用模糊控制方法，通過建立模糊控制系統(tǒng)模型和對模糊控制器的設(shè)計，引入解藕參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的溫濕度解耦控制，提高了溫濕度控制的精度；有針對溫室氣候控制方法中溫濕度之間的耦合作用，提出以溫度控制為主、濕度控制為輔的控制策略，并建立兩變量輸入、三變量輸出的控制主回路和補償回路模糊控制系統(tǒng)，從而為溫濕度控制提供了一種行之有效的方法；有采用逆系統(tǒng)方法對溫室環(huán)境非線性系統(tǒng)進行了解耦和線性化，同時對隨機的擾動進行補償，采用PDF控制算法和Smith預(yù)估補償對線性化后的系統(tǒng)進行了綜合校正，在選擇校正后閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)時考慮了非線性系統(tǒng)解耦的要求；有通過對歷史溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的合理分析，將溫室的溫度控制模型近似為一階慣性加時滯環(huán)節(jié)；有基于該溫度近似模型，采用時間為權(quán)誤差積分指標(biāo)最優(yōu)的參數(shù)，自整定公式來整定PID控制器參數(shù)，將整定后的PID控制器應(yīng)用于溫室控制；有通過數(shù)據(jù)挖掘，利用采集的溫室內(nèi)、外溫度及室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)對溫室狀態(tài)進行分類，提出一種基于各類別中的溫室溫、濕度變化率相關(guān)性進行模糊解耦控制；有考慮開關(guān)設(shè)備組合作用下溫室測控系統(tǒng)的非線性動態(tài)特性，提出結(jié)構(gòu)簡單、不需復(fù)雜數(shù)值計算的離散預(yù)測模型，對設(shè)備組合進行滾動優(yōu)化預(yù)測控制，大大簡化溫室測控系統(tǒng)預(yù)測控制算法的復(fù)雜性，緩解了測控系統(tǒng)分布大時滯問題。

1.2 國外現(xiàn)狀

國外的溫室環(huán)境起步較早，溫室環(huán)境控制經(jīng)過多年的發(fā)展，控制性，提出結(jié)構(gòu)簡單、不需復(fù)雜數(shù)值計算的離散預(yù)測模型，對設(shè)備組合進行滾動優(yōu)化預(yù)測控制，大大簡化溫室測控系統(tǒng)預(yù)測控制算法的復(fù)雜性，緩解了測控系統(tǒng)分布大時滯問題。隨著用于溫室環(huán)境控制的作物模型的研究，研究人員將溫室物理模型和作物模型結(jié)合起來，以實現(xiàn)溫室的高效生產(chǎn)：有進行模擬研究確定溫室二氧化碳施肥的優(yōu)化措施，其方法是在建立一系列函數(shù)（作物生長函數(shù)、溫室函數(shù)、設(shè)備函數(shù)及成本函數(shù)）之后，進行數(shù)值尋優(yōu)得到不同溫光水平下最優(yōu)的二氧化碳施肥量，并給出一系列圖表用于指導(dǎo)實際二氧化碳施肥操作管理；有利用作物的光合作用和蒸騰作用進行溫室內(nèi)短期的優(yōu)化與控制，利用有效積溫的原理進行溫室的長期的優(yōu)化與控制，將短期優(yōu)化和長期優(yōu)化相結(jié)合，實現(xiàn)了以經(jīng)濟最優(yōu)為目標(biāo)的溫室環(huán)境控制；有利用作物的光輻射吸收、葉片的光合作用和呼吸作用預(yù)測模型建立了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，根據(jù)自然光照來控制溫室內(nèi)的溫度，系統(tǒng)在節(jié)省能源和由于光照減弱而導(dǎo)致的作物產(chǎn)量降低之間取得了很好的平衡。國外進行溫室環(huán)境監(jiān)控時，已經(jīng)考慮到農(nóng)作物與環(huán)境的相互作用機制，同時考慮到作物動態(tài)響應(yīng)與環(huán)境動態(tài)響應(yīng)的時間尺度不一致。

2 ZigBee協(xié)議簡介

2.1 技術(shù)說明

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴展。

2.2 技術(shù)特點

ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有低功耗、成本低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、安全性強等特點。

3 基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

3.1 研究概述

本文利用ZigBee技術(shù)，研究設(shè)計溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。本設(shè)計包含傳感器采集節(jié)點，繼電器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。采集節(jié)點能夠?qū)崟r精確采集農(nóng)作物生長環(huán)境中的空氣溫度、空氣濕度、光照強度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、環(huán)境中的二氧化碳濃度等環(huán)境要素，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器存儲、分析。通過無線通信模塊完成網(wǎng)絡(luò)的加入及退出、傳感器數(shù)值的上傳及各種命令的接收等工作；通過數(shù)據(jù)采集模塊完成各種傳感器數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)的封包等工作；通過人機交互模塊完成用戶操作的輸入及系統(tǒng)各種信息的輸出等工作；通過電源監(jiān)控及控制模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)供電電源電量的監(jiān)控及傳感器電源的控制；通過系統(tǒng)配置模塊，實現(xiàn)用戶遠程對本節(jié)點某些參數(shù)的配置功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點，可上行發(fā)送所控制設(shè)備的運行狀態(tài)信息給數(shù)據(jù)匯集節(jié)點，也可接收協(xié)調(diào)器節(jié)點下行發(fā)來的控制命令開啟或關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備。

3.2 設(shè)計思路

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點主要由傳感器模塊、繼電器模塊、協(xié)調(diào)器模塊和電源管理模塊組成，傳感器模塊負責(zé)通過各種類型的傳感器采集物理信息；繼電器模塊負責(zé)協(xié)調(diào)器發(fā)送來的命令來控制設(shè)備；協(xié)調(diào)器模塊負責(zé)與其他節(jié)點進行無線通信，它通過ZigBee無線組網(wǎng)功能將數(shù)據(jù)傳送到路由節(jié)點或主協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由節(jié)點再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到主協(xié)調(diào)器節(jié)點或經(jīng)過上級路由節(jié)點轉(zhuǎn)給主協(xié)調(diào)器節(jié)點，主協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS232串口將所有信息匯集傳至PC機或服務(wù)器。本系統(tǒng)的模型主要分為四塊：溫濕度的數(shù)據(jù)采集節(jié)點、負責(zé)從節(jié)點接收數(shù)據(jù)并向主機發(fā)送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)節(jié)點、主機（服務(wù)器）以及控制設(shè)備的節(jié)點。該系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1-1所示：

該系統(tǒng)由上位機（PC）監(jiān)控端和下位機ZigBee網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。下位機ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負責(zé)采集溫室溫室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，上位機負責(zé)顯示溫濕度數(shù)據(jù)并進行實時監(jiān)控。下位機ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由溫濕度傳感器模塊、路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊組成。溫濕度傳感器模塊主要負責(zé)采集、存儲和上傳溫濕度信息。路由器模塊主要負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)溫濕度信息。協(xié)調(diào)器模塊主要完成溫濕度數(shù)據(jù)的匯聚。下位機ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和上位機之間通過RS-232串口進行通信。當(dāng)監(jiān)控溫室溫濕度信息時，首先通過上位機端監(jiān)控軟件，設(shè)置好波特率和串口號等參數(shù)，然后協(xié)調(diào)器開始組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，此時路由器節(jié)點和溫濕度傳感器節(jié)點開始加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。分布在各個溫室內(nèi)的溫濕度傳感模塊開始采集溫濕度信息，并存儲在Flash中，通過單跳或者多跳的方式發(fā)送到上位機，上位機監(jiān)控端接收到溫濕度信息后，把各個溫室內(nèi)的溫濕度信息顯示出來。當(dāng)溫濕度信息異常時，在監(jiān)控端會有異常提示，以便及時處理。各個傳感器節(jié)點每隔一定的時間采集一次它周圍的溫濕度，并將溫濕度數(shù)據(jù)通過臨近節(jié)點或直接傳給基站核心板上；基站核心板負責(zé)收集從各個幾點上傳來的數(shù)據(jù)，并通過串口轉(zhuǎn)傳到服務(wù)器端上；遠程主機將建立數(shù)據(jù)庫來存儲這些數(shù)據(jù)，為用戶提供查詢操作，主機也可以實現(xiàn)報警等功能。

4 結(jié)語

綜上所述，基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究，將為環(huán)境監(jiān)控的發(fā)展提供新的手段和工具。環(huán)境監(jiān)控的發(fā)展是一種目的，而ZigBee技術(shù)正是促進發(fā)展目的的更好實現(xiàn)。新時期，我們要加強對ZigBee技術(shù)和溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究，利用穩(wěn)定可靠的技術(shù)實現(xiàn)方式，把ZigBee技術(shù)推廣應(yīng)用到溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中來。

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