zigbee技術(shù)在農(nóng)業(yè)溫室大棚中的應(yīng)用研究

趙嘉偉 呂俐衡 沈洪吉 張杰

摘 要：結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和我國農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于zigbee技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先，詳細(xì)地研究zigbee技術(shù)，包括zigbee協(xié)調(diào)器、zigbee終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)模型等；其次，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用搭建了基于zigbee技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)溫室大棚的溫濕度等信息進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)；最后，經(jīng)過系統(tǒng)的上位機(jī)和手機(jī)app功能測(cè)試，表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作簡單，實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)溫室大棚；zigbee；監(jiān)測(cè)；無線通信

隨著無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，zigbee技術(shù)因其短距離、低價(jià)格、高效率、高可靠性的特點(diǎn)使其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在溫濕度和氣體等環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。zigbee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)域網(wǎng)的新興的通訊協(xié)議。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)已不能滿足現(xiàn)代化要求，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)性價(jià)比高的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展來說是至關(guān)重要的。本文采用zigbee無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)農(nóng)業(yè)溫室大棚的溫濕度等信息進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度、氣體濃度和燈光信息實(shí)時(shí)地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)和手機(jī)終端app中，同時(shí)，上位機(jī)和手機(jī)終端app還可對(duì)采集信息進(jìn)行控制。

1 系統(tǒng)整體方案

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是由上位機(jī)（PC機(jī)和手機(jī)）和下位機(jī)（zigbee網(wǎng)絡(luò)）兩部分組成，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中上位機(jī)負(fù)責(zé)信息的顯示、保存和處理，下位機(jī)負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)溫室大棚信息的采集和傳輸，下位機(jī)受到上位機(jī)控制。zigbee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行后，上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示溫室大棚的采集信息，包括溫度、濕度、氣體和光照信息，如果監(jiān)測(cè)到采集的信息值不在規(guī)定范圍內(nèi)，上位機(jī)將通過串口以9600波特的速率發(fā)出命令給zigbee協(xié)調(diào)器，zigbee協(xié)調(diào)器受到命令后解析成相應(yīng)的時(shí)序信號(hào)去控制zigbee終端節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，zigbee終端節(jié)點(diǎn)也會(huì)一直讀取各個(gè)傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息后傳送給zigbee協(xié)調(diào)器，zigbee協(xié)調(diào)器再通過串口將信息傳送給PC機(jī)，進(jìn)而再傳送給手機(jī)終端app軟件。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

zigbee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的下位機(jī)部分，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，zigbee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的通信通過zstack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。其中，zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用CC2530模塊，CC2530集成了ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻收發(fā)模塊、增強(qiáng)型8051 CPU、8000比特RAM、電源接口、串口等，可以發(fā)出命令和讀取狀態(tài)，CC2530功能非常強(qiáng)大。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)也稱為中心節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)的核心芯片是cc2530模塊，cc2530模塊通過相應(yīng)的引腳與電源模塊、RS232模塊、晶振模塊、RF模塊相連接。協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址一直是0x0000，主要負(fù)責(zé)組網(wǎng)，具有網(wǎng)絡(luò)配置和網(wǎng)絡(luò)信息管理信息的功能，協(xié)調(diào)器會(huì)向終端監(jiān)測(cè)發(fā)送指令并收集監(jiān)測(cè)信息，然后通過串口將采集信息傳到上位機(jī)。其中電源模塊為cc2530模塊功能，RS232模塊完成串口轉(zhuǎn)換，晶振模塊用來確定cc2530是處于無線數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)還是處于休眠狀態(tài)，RF模塊采用用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線接收和發(fā)送。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)不用于組網(wǎng)時(shí)，它的功能類似于路由器功能。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

終端節(jié)點(diǎn)核心芯片也采用cc2530模塊，cc2530模塊通過相應(yīng)的引腳與電源模塊、RF模塊、傳感器模塊和存儲(chǔ)器模塊相連接。終端節(jié)點(diǎn)的作用主要是采用溫室大棚的溫度、濕度、光照信息，并將處理后的信息通過天線傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。其中土壤濕度傳感器類型為DHT11，空氣溫濕度傳感器類型為DS18B20，二氧化碳傳感器類型為MQ2。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 PC機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)信息采集測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于visual C++2005開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建應(yīng)用程序，并在PC機(jī)上運(yùn)行。設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)采集信息的顯示和控制，PC機(jī)上顯示的信息如圖2所示。

3.2 手機(jī)app軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

手機(jī)app利用Eclipse4.4開發(fā)，手機(jī)和PC機(jī)通過wife通信，只要上位機(jī)和手機(jī)在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，當(dāng)上位機(jī)打開管理系統(tǒng)、串口和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，手機(jī)上的app就可以連接上PC機(jī)，這時(shí)PC機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)虛擬的服務(wù)器，這樣，傳感器采集的各類信息就可以同時(shí)在手機(jī)和上位機(jī)上顯示[5]。手機(jī)app軟件上顯示的信息如圖3所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于zigbee技術(shù)的溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)溫濕度、二氧化碳濃度、光照信息的采集。該系統(tǒng)性價(jià)比高、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單，可使得系統(tǒng)使用者準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地了解溫室大棚的信息，更好地促進(jìn)農(nóng)作物生長。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：本文為大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（編號(hào)：2016083）

作者簡介：趙嘉偉、呂俐衡、沈洪吉為吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化系學(xué)生。

通訊作者：張杰，女，碩士，助教，吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院教師，研究方向：電力系統(tǒng)通信。