基于ZigBee和GPRS的溫室控制系統(tǒng)研究

李將　俞阿龍　蔡文科　李倩倩

摘要：為了適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，提高農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)的智能化水平，提出了以CC2530處理器為核心組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合GPRS無(wú)線通信模塊和Web遠(yuǎn)程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與溫室設(shè)備控制的方案。該系統(tǒng)根據(jù)采集到的溫度、濕度、照度、CO2濃度等溫室參數(shù)，與事先設(shè)定的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)分析后通過(guò)服務(wù)器控制軟件和手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。性能測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定、智能化程度高，具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)；CC2530處理器；ZigBee；溫室控制；GPRS；性能測(cè)試

中圖分類號(hào)： S126；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0494-04

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，智能溫室與當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的結(jié)合程度越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)了植物生長(zhǎng)小環(huán)境中溫度、濕度、照度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和控制[1]，保證了植物全年能夠不受外界因素影響地處于最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，從而提高產(chǎn)量，縮短生長(zhǎng)周期。智能溫室有很多普通溫室所不具備的優(yōu)點(diǎn)，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求，是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向。目前，國(guó)內(nèi)溫室控制主要采用人工實(shí)地測(cè)試和有線監(jiān)控方式，摻雜過(guò)多的人工經(jīng)驗(yàn)[2]。人工實(shí)地測(cè)試不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境變化，更不能根據(jù)需求自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)溫室設(shè)備，無(wú)法滿足現(xiàn)代溫室農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的要求。有線控制方式布線復(fù)雜，性能不穩(wěn)定，成本高，不利于提高溫室大棚的利潤(rùn)率。 因此，本研究提出了一種基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)，結(jié)合GPRS以及嵌入式技術(shù)[3]，通過(guò)Web實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和控制指令的無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸，系統(tǒng)集成度高，克服了原有智能溫室控制系統(tǒng)的許多缺點(diǎn)，適合在農(nóng)業(yè)中廣泛運(yùn)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以CC2530處理器為核心設(shè)計(jì)了采集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)和控制系統(tǒng)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。WSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）節(jié)點(diǎn)上集成了空氣溫濕度、照度及CO2濃度傳感器，測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理并存儲(chǔ)，發(fā)送給GPRS模塊，經(jīng)由移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)及Internet網(wǎng)絡(luò)，最終傳給指定IP地址的終端服務(wù)器[4]。服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，客戶端通過(guò)智能手機(jī)或連接網(wǎng)絡(luò)的電腦從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，以曲線和讀數(shù)2種方式進(jìn)行顯示[5]。若采集的環(huán)境數(shù)據(jù)超出預(yù)先設(shè)定的參數(shù)范圍，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送警告信息提醒管理者注意并按相應(yīng)的邏輯控制關(guān)系自動(dòng)發(fā)出控制指令，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，反向發(fā)送到WSN執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，以控制相應(yīng)設(shè)備的啟停，達(dá)到控制環(huán)境參數(shù)的目的。系統(tǒng)總體框見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)最基本的元素，主要負(fù)責(zé)采集溫度、濕度、照度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、CC2530模塊和電源模塊3部分組成，硬件框見(jiàn)圖2。系統(tǒng)所使用的數(shù)字溫濕度傳感器AM2301/DHT21是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。照度傳感器采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，直接數(shù)字輸出，模塊內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)NXP IIC通信協(xié)議，測(cè)量精度高，工作溫度在-40～85 ℃范圍內(nèi)，能適應(yīng)條件惡劣的環(huán)境。CO2濃度檢測(cè)方面采用“快樂(lè)海岸”MG811高性價(jià)比CO2濃度傳感器，受溫濕度的變化影響較小，具有良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。測(cè)量范圍350～20 000 mg/L，輸出4～20 mA 的線性信號(hào)，可滿足農(nóng)業(yè)溫室的要求。

2.2 執(zhí)行節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)由CC2530、繼電器、溫室設(shè)備和電源4部分組成。執(zhí)行節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)，在溫室控制系統(tǒng)中起著控制溫室設(shè)備以調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的功能。

CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU、8 kB的RAM、ADC、USART、DMA等功能部件，因此主模塊只需很少的外圍元件，就可構(gòu)成滿足節(jié)點(diǎn)功能的主控模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。CC2530外圍電路見(jiàn)圖3，主時(shí)鐘晶振采用32 MHz無(wú)源晶振和32.768 kHz時(shí)鐘晶振，無(wú)線RF模塊外圍電路采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，且模塊內(nèi)部都選用質(zhì)量較好的電感器、電容器等元件，天線使用50 Ω鞭狀負(fù)極性天線。在溫室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面，CC2530需要實(shí)現(xiàn)的功能和外圍模塊主要有3個(gè)部分：通過(guò)A/D口控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；通過(guò)I/O口相應(yīng)主機(jī)控制；控制無(wú)線RF模塊完成數(shù)據(jù)的收發(fā)[3]。

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)部分CC2530通過(guò)繼電器來(lái)控制各溫室設(shè)備的啟停，根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的是一款帶光耦隔離

的八路繼電器模塊，性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，采用大電流繼電器（AC250 V 10 A DC30 V 10 A），可以控制各種溫室設(shè)備及大電流負(fù)載。具體的繼電器控制原理見(jiàn)圖4。八路繼電器總共有10個(gè)接口：1個(gè)接地，1個(gè)接電源端，其余8個(gè)接口分別連接CC2530的P0_0至P0_7接口。具體工作原理如下：執(zhí)行節(jié)點(diǎn)根據(jù)終端服務(wù)器發(fā)送的控制命令決定各輸入口置高電平或低電平，置低電平信號(hào)時(shí)，電源端通過(guò)發(fā)光二極管回到輸入端形成通路，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，光敏管受光照射產(chǎn)生光電流[6]，使輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，該電信號(hào)使得三極管導(dǎo)通，經(jīng)三極管放大后連通電磁鐵，從而銜鐵被電磁鐵吸下來(lái)，進(jìn)而打開(kāi)相應(yīng)的溫室設(shè)備進(jìn)行加溫，通風(fēng)等操作，控制溫室內(nèi)的環(huán)境因子。當(dāng)輸入端置高電平時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)的溫室設(shè)備。各具體的溫室設(shè)備限于篇幅本研究不作討論。

2.3 GPRS模塊硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)根據(jù)廈門才茂提供的GPRS DTU設(shè)計(jì)了GPRS無(wú)線通信模塊。該模塊有標(biāo)準(zhǔn)的硬件連接電路，為了減少使用難度，內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議，它可看作是嵌入式微處理器與GPRS MODEM的結(jié)合，它具備GPRS撥號(hào)上網(wǎng)以及TCP/IP數(shù)據(jù)通信的功能，方便完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等復(fù)雜連接；提供串口數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換功能，可以將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送，而不須要改變?cè)械臄?shù)據(jù)通信內(nèi)容[7]。實(shí)現(xiàn)IP方式或動(dòng)態(tài)IP+動(dòng)態(tài)域名解析方式的模式。內(nèi)部硬件連接示意見(jiàn)圖5。endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器流程見(jiàn)圖6。ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)組織整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)系統(tǒng)信息傳送的中樞環(huán)節(jié)。協(xié)調(diào)器處理各終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集到的環(huán)境信息。同時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊組成嵌入式網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和指令的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。

3.2 服務(wù)器終端控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用B/S模式構(gòu)建，客戶端有著強(qiáng)大的自主功能，用戶只需通過(guò)瀏覽器就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)與預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，通過(guò)終端服務(wù)器控制軟件或通過(guò)手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程溫室現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送相應(yīng)的控制指令，以調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。服務(wù)器端控制軟件采用基于 . net framework 3.0的C# 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。運(yùn)用多線程處理技術(shù)，讓單個(gè)處理器都能使用線程級(jí)并行計(jì)算，提高CPU運(yùn)行效率，進(jìn)而提高程序處理與溫室設(shè)備控制的效率，保證溫室設(shè)備控制的時(shí)效性[8]。服務(wù)器端與GPRS模塊采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，主要完成了對(duì)溫室內(nèi)部的溫度、濕度、照度、CO2濃度的信息采集與管理，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息，發(fā)送終端設(shè)備控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。整個(gè)服務(wù)器軟件部分包括4部分：負(fù)責(zé)與終端通信及鏈路檢測(cè)軟件、WEB服務(wù)及訪問(wèn)控制軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件以及環(huán)境參數(shù)設(shè)置及相應(yīng)指令發(fā)送控制軟件。服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

3.3 GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)

重點(diǎn)要解決信息的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸，因?yàn)檫@是遠(yuǎn)程控制功能實(shí)現(xiàn)的前提條件。本系統(tǒng)采用基于GPRS DTU所組成的GPRS模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器端進(jìn)行通信。GPRS的通信具有速

度快、通信費(fèi)用低、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)[9]，可適用于所有帶串口的終端設(shè)備，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無(wú)線和透明傳輸，服務(wù)器端軟件將接收的數(shù)據(jù)包整理成Modbus-RTU協(xié)議的格式，通過(guò)電腦上的串口（或虛擬串口）發(fā)給服務(wù)器端控制軟件使用。GPRS DTU在使用前須要進(jìn)行一定的配置，DTU通電后，用RS-232信號(hào)傳輸線（只用到DB-9的2、3、5引腳，其他引腳必須懸空）連接到PC機(jī)的串口。在PC機(jī)上運(yùn)行DTU配置軟件。配置部分主要包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、DTU工作參數(shù)、激活參數(shù)、短信中心號(hào)碼以及協(xié)議參數(shù)的設(shè)定[10]。具體的配置界面見(jiàn)圖8。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試與總結(jié)

系統(tǒng)分手動(dòng)和自動(dòng)控制2種方式，所謂的手動(dòng)是指通過(guò)人工判斷和數(shù)據(jù)分析后，管理人員通過(guò)聯(lián)網(wǎng)電腦或移動(dòng)手機(jī)通過(guò)WEB技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令，以增強(qiáng)管理人員的能動(dòng)性和干預(yù)能力[5]，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

以江蘇淮安地區(qū)黃秋葵的種植對(duì)環(huán)境參數(shù)要求為例對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定參數(shù)時(shí)，管理人員會(huì)收到警告信息且服務(wù)器端會(huì)自動(dòng)遠(yuǎn)程發(fā)送相應(yīng)的控制指令，及時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，使溫室環(huán)境始終保持在最適合植物生長(zhǎng)的狀態(tài)，系統(tǒng)智能化程度高，可滿足現(xiàn)代溫室的要求。

系統(tǒng)的終端采集網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳送都采用了無(wú)線的方式，這使得整個(gè)系統(tǒng)更加靈活、成本更低，同時(shí)方便了系統(tǒng)后期的擴(kuò)展；管理人員采用Web瀏覽的方式靈活、方便地訪問(wèn)終端環(huán)境數(shù)據(jù)采集，根據(jù)環(huán)境要求能及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)送相應(yīng)的控制指令；采用GPRS DTU進(jìn)行GPRS模塊的設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)的集成度更高，性能更穩(wěn)定。盡管本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室種植方面，但系統(tǒng)所采用的技術(shù)與原理具有很強(qiáng)的通用性，所以可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)與控制過(guò)程中，因此本系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用空間。

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