基于ZigBee和GPRS的溫室群監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

孫茂澤 張愛麗 王來剛 劉團(tuán)寧

摘要：針對傳統(tǒng)溫室檢測系統(tǒng)傳輸速率低、成本高、穩(wěn)定性差等問題，設(shè)計了一種基于ZigBee和GPRS的溫室群監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ZigBee無線傳感器技術(shù)采集環(huán)境參數(shù)，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機(jī)，用戶使用應(yīng)用軟件APP查看相關(guān)數(shù)據(jù)，采取相應(yīng)操作。實地驗證表明，該系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確，使用簡單方便，滿足系統(tǒng)需求。

關(guān)鍵詞：智能溫室；ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；傳感器；GPRS

DOIDOI：10.11907/rjdk.161113

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0126-03

0 引言

智能溫室群已廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植中。以往的溫室環(huán)境檢測需要埋設(shè)大量線纜，不僅影響作物耕作，而且增加投入成本，加大了維護(hù)難度[1-3]。袁洪波等[4]利用GPRS技術(shù)實現(xiàn)了溫室環(huán)境參數(shù)的無線監(jiān)測，但存在傳輸速率較慢、信道不穩(wěn)定等問題。而基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸穩(wěn)定、功耗低、距離遠(yuǎn)，適用于溫室環(huán)境監(jiān)測。本文設(shè)計了一種基于ZigBee和GPRS的溫室群監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)測各溫室大棚內(nèi)的溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳含量等參數(shù)，用戶可以根據(jù)參數(shù)變化及時作出調(diào)控，使溫室環(huán)境更好地滿足作物的生長需要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

溫室群環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、ZigBee子節(jié)點、智能主機(jī)、ZigBee轉(zhuǎn)GPRS發(fā)射模塊和用戶終端等5部分組成。如圖1所示，采集終端將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給智能主機(jī)，再由 GPRS發(fā)射模塊使用移動通信網(wǎng)絡(luò)和用戶終端通信，用戶在移動終端通過應(yīng)用軟件APP實時獲得溫室的環(huán)境信息[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ZigBee采集終端模塊

ZigBee采集終端由核心控制芯片CC2530F256搭配空氣溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、二氧化碳傳感器和土壤溫濕度傳感器組成，各路傳感器采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)通過主控芯片完成傳送，如圖2所示。CC2530F256是TI公司研發(fā)的一種主控芯片，內(nèi)核采用加強(qiáng)的單周期8051CPU，配備8KB低功耗靜態(tài)內(nèi)存和256KB的Flash閃存。內(nèi)置無線射頻模塊，最大功率4.5dbm。通過結(jié)合CC2592無線射頻放大電路，無障礙覆蓋范圍可達(dá)260m，滿足低功耗下無線收發(fā)需求[6-7]。外部由5V直流電源經(jīng)AMS1117穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換電路變?yōu)?.3V工作電壓為芯片供電。

空氣溫濕度傳感器：采用CG-01室外溫濕度傳感器，內(nèi)置高集成溫濕度傳感器芯片，傳輸距離約900m，供電電壓7-24VDC ，實測耗電量15mA，溫度測量精度達(dá)±0.4℃，濕度測量精度達(dá)±5%，功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)。

光照強(qiáng)度傳感器：采用QY-150A高精度光照傳感器，光照范圍0-150 000LUX，供電電壓9-24VDC，體積小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)。

二氧化碳傳感器：采用KCD-AN100X二氧化碳傳感器，測量范圍0-5 000ppm，實際平均耗電量65mA，采用雙波長紅外線測量，準(zhǔn)確度高。

土壤溫濕度傳感器：采用CG-03土壤溫濕度傳感器，12-24VDC電源供電，傳輸線路用環(huán)氧樹脂密封，耐腐蝕、性價比高。

CC2530F256電路如圖3所示。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊位于智能主機(jī)內(nèi)部信號接收和傳送部分，是各路采集終端信息傳送的中心，負(fù)責(zé)信息的接收、處理以及網(wǎng)絡(luò)的組建。模塊主要由STM32F407微控制器和集成了CC2530的ZigBee模塊M_SZ8構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

當(dāng)采集器終端加入組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器和各采集終端進(jìn)行“握手”通信，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)主機(jī)和各終端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信[8-9]，并存儲和處理采集的信息數(shù)據(jù)，最后通過GPRS模塊發(fā)送給用戶。

2.3 GPRS無線通信模塊

GPRS通信模塊在智能主機(jī)內(nèi)部，連接ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過GPRS移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機(jī)[10]。其核心采用USR-GPRS 232-7S2無線傳輸終端，內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧，支持RS232和RS485接口，采用5V/2000mA直流電源供電，是一款具有四頻850/900/1800/1900MHZ的GPRS通信模塊。模塊外圍電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分為：采集終端軟件、智能主機(jī)軟件和用戶手機(jī)軟件。采集終端是系統(tǒng)獲取溫室環(huán)境信息的始發(fā)站，采集終端加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，會進(jìn)入低功耗待機(jī)。當(dāng)智能主機(jī)需要獲取數(shù)據(jù)時，向采集終端發(fā)送一個請求，終端收到請求即進(jìn)入采集數(shù)據(jù)狀態(tài)，采集完畢后向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)主機(jī)完成數(shù)據(jù)接收后，采集終端再次待機(jī)等待下次請求。軟件流程如圖6所示。

智能主機(jī)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)交匯的核心，采用Z-stack-CC2530協(xié)議棧開發(fā)。智能主機(jī)首先會初始化協(xié)議棧和各節(jié)點并組建網(wǎng)絡(luò)，等待各采集終端請求加入網(wǎng)絡(luò)；成功組網(wǎng)后，主機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)需要獲取數(shù)據(jù)時，主機(jī)向采集終端發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求并等待接收數(shù)據(jù)。接收過程完成后，將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過存儲和壓縮處理后發(fā)送給GPRS模塊，通過移動基站發(fā)送到用戶手機(jī)終端。流程如圖7所示。

用戶手機(jī)終端APP基于MyEclipse平臺開發(fā)，使用Java語言編譯，該平臺目前是安卓手機(jī)應(yīng)用軟件的主流開發(fā)工具。手機(jī)終端軟件主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)處理后，以可視化數(shù)字形式直觀展示給用戶，并存儲數(shù)據(jù)。軟件界面用線形圖或直方圖顯示，方便用戶查詢。軟件包含用戶注冊、登錄、溫室環(huán)境信息顯示、數(shù)據(jù)定時更新、參數(shù)值預(yù)警等功能，幫助用戶更方便地管理溫室。應(yīng)用軟件功能框圖如圖8所示。

4 實地測試

系統(tǒng)實地測試地點為河南省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)推廣基地溫室大棚組。測試對象包含一組ZigBee采集終端（空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳），一臺智能主機(jī)和一部安裝該系統(tǒng)應(yīng)用軟件的手機(jī)終端。選取35m×10m×3m的半圓式塑料薄膜溫室大棚，室內(nèi)種植蔬菜作物，除噴灌機(jī)和支撐架外無大型遮擋物。測試過程更新周期為15min，手機(jī)測試終端地點距溫室約300m。圖9為手機(jī)終端顯示的溫室數(shù)據(jù)，接收延時約為5s，客戶端顯示值和實際值誤差約為±1.2%。測試過程中網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較好，無網(wǎng)絡(luò)中斷現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了基于ZigBee和GPRS的溫室群監(jiān)測系統(tǒng)，一定程度上解決了傳統(tǒng)無線溫室檢測系統(tǒng)功耗高、穩(wěn)定性差、速率低等問題。使用Java語言編譯開發(fā)了移動手機(jī)安卓應(yīng)用軟件，數(shù)據(jù)顯示清晰、操作簡單、可用性強(qiáng)，方便用戶即時管理溫室，提高了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理的信息化、數(shù)字化和智能化水平。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）