基于ZigBee的智能溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王憲磊

摘要：根據(jù)新疆南疆地區(qū)智能溫室大棚的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于ZigBee無線通信技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲取環(huán)境因子數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)環(huán)境因子實(shí)時(shí)監(jiān)測和無線通信傳輸，提高溫室大棚環(huán)境監(jiān)測效率。

關(guān)鍵詞：ZigBee；溫室大棚；監(jiān)測；自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）07-0027-04

近年來，新疆南部地區(qū)（南疆）設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展較快，但設(shè)施農(nóng)業(yè)主要以投資較少的塑料大棚為主，對(duì)南疆溫差變化較大的惡劣氣候條件適應(yīng)性差，且自化程度較低，對(duì)農(nóng)作物的生長環(huán)境的控制精度不高。目前，南疆農(nóng)牧團(tuán)場正積極向多參數(shù)檢測的智能溫室大棚種植模式發(fā)展。這種智能溫室大棚綜合各種先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)施，能夠?yàn)檗r(nóng)作物發(fā)育和生長創(chuàng)建良好環(huán)境，實(shí)現(xiàn)溫室科學(xué)管理經(jīng)營，充分展示設(shè)施農(nóng)業(yè)的巨大優(yōu)越性。

目前，南疆的智能溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多采用有線通信方式，需要進(jìn)行大量布線，且線路復(fù)雜，工作可靠性差，需專人值守。為此，基于ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)智能監(jiān)測系統(tǒng)，采用溫室大棚環(huán)境監(jiān)測無線傳輸方式，提高環(huán)境因子監(jiān)測的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境的自動(dòng)化控制，進(jìn)而提高農(nóng)作物生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZigBee是一種短距離、低功耗的新型無線通信技術(shù)，為基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)協(xié)議。隨著ZigBee技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，將其應(yīng)用于智能溫室大棚進(jìn)行信息傳輸成為必然趨勢。智能溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測模式如圖1所示。

本系統(tǒng)上位機(jī)采用PC機(jī)，其主要功能包括以下幾個(gè)方面：1） 通過RS232串行接口與ZigBee網(wǎng)絡(luò)關(guān)口節(jié)點(diǎn)建立通信，接收下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)，與此同時(shí)向下位機(jī)發(fā)送指令；2） 對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示操作、解碼并保存；3） 對(duì)系統(tǒng)之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理及更新。

溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)分為6大模塊，詳見圖2。模擬信號(hào)采集模塊包括前傳感器、調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；中央處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整合控制調(diào)配；開關(guān)輸入輸出控制模塊；上位機(jī)通信模塊主要用于和上位機(jī)（PC機(jī)）通信，采用ZigBee無線通信方式；人機(jī)接口模塊主要為工作人員現(xiàn)場查看和修改各個(gè)參數(shù)提供方便，包括LCD顯示屏和4×4矩陣鍵盤；EEPROM存儲(chǔ)模塊可以大容量存儲(chǔ)溫度、濕度、光強(qiáng)、CO2濃度等數(shù)據(jù)及工作參數(shù)。

圖2 智能溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測裝置的模塊

2 溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)通過溫濕度傳感器、光照傳感器和CO2傳感器采集溫室大棚內(nèi)的環(huán)境信息，經(jīng)系統(tǒng)的中央處理器處理后，輸出結(jié)果被送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)并顯示相關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度控制等一系列功能。該系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

為便于連接和調(diào)試，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，將特定功能編成子程序，以調(diào)用子程序方式組成程序流。這樣既可以做到修改和調(diào)試程序方便，又可以實(shí)現(xiàn)軟件自診斷，從而使軟件更容易理解和維護(hù)，為程序通用性、功能擴(kuò)展可行性、軟件資源共享性提供條件。整個(gè)程序主要由主程序和若干子程序組成，子程序主要包括溫濕度測量模塊、CO2及光照強(qiáng)度測量模塊。人機(jī)接口模塊包括鍵盤處理模塊和顯示模塊。

將智能溫室大棚近似看作一個(gè)矩形，將其平均分成8個(gè)部分并編號(hào)為A～H（如圖4所示）。主程序運(yùn)行時(shí)，首先顯示第一個(gè)分區(qū)的溫濕度、CO2濃度及光照強(qiáng)度，如果數(shù)值越限，則報(bào)警顯示；同時(shí)，顯示下一個(gè)分區(qū)的溫濕度、CO2和光照強(qiáng)度值，并檢查是否越限，以此類推，直到檢測完所有分區(qū)。

智能溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

本系統(tǒng)主要完成溫室大棚環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集與處理，以及與上位機(jī)之間進(jìn)行通信。根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度與CO2濃度信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)ZigBee檢測節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)間ZigBee無線通信，通過設(shè)置相關(guān)監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行信息顯示，具備實(shí)時(shí)信息輸出、控制、功能自檢等一系列功能。

3 溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)仿真

通過對(duì)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師十團(tuán)花卉基地和溫室大棚進(jìn)行參觀和調(diào)研，確定現(xiàn)代智能溫室需要對(duì)大棚內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)控，使之保持在適當(dāng)范圍。但光照和CO2濃度只需檢測和顯示，不需要借助系統(tǒng)程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制，原因?yàn)椋?） 在白天光照充足的情況下，溫室盡可能利用自然光照；白天光照不充足時(shí)，采用室內(nèi)照明設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)光。2） 利用通風(fēng)裝置保持溫室內(nèi)的空氣與大氣接近，CO2濃度大約占大氣濃度的0.03%。

鑒于上述原因，主要對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行仿真。

3.1 Keil uVision4

采用Keil uVision4編寫C語言程序，通過編譯器進(jìn)行編譯、連接，最后將生成的機(jī)器碼下載到單片機(jī)上。

Keil編譯器是目前應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)開發(fā)軟件之一，為美國Keil Software公司開發(fā)的C語言開發(fā)系統(tǒng)。其提供一個(gè)完整的開發(fā)平臺(tái)，包括宏匯編、C語言編譯器、庫管理、連接器和功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器，并通過集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。

3.2 Proteus電路仿真

Proteus軟件用來對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，功能比較強(qiáng)大，可以對(duì)包括單片機(jī)在內(nèi)的絕大部分元器件進(jìn)行仿真。與此同時(shí)，可以把Keil編譯、連接后生成的hex文件導(dǎo)入Proteus單片機(jī)中進(jìn)行仿真。

3.3 系統(tǒng)仿真

打開Proteus ISIS，在Proteus ISIS編輯窗口中單擊元件列表上的“P”按鈕，添加元件及放置元件，可以得到對(duì)應(yīng)界面；選擇所需元器件后，對(duì)元器件進(jìn)行重新布局，使之看起來比較清晰、所占面積比較小。如果需要移動(dòng)某個(gè)元件或多個(gè)，單擊其元件，待其顏色變紅后，按下鼠標(biāo)左鍵不放即可拖動(dòng)元件。按照正確的方法將元器件進(jìn)行合理排布及連線后，即可得到系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。

通過仿真進(jìn)行系統(tǒng)環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測模擬演練，可以熟悉控制系統(tǒng)工作過程，有利于改進(jìn)及提高控制精度，實(shí)現(xiàn)溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測，減輕人工作業(yè)量。

4 結(jié)論

綜合運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)一套以AT89C52為主控芯片的智能溫室大棚環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)各環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測和無線通信傳輸，便于大棚管理人員實(shí)時(shí)了解溫室內(nèi)的環(huán)境因子，并及時(shí)控制調(diào)整，為提高農(nóng)作物產(chǎn)量提供技術(shù)支持。

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