基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

鄭慧珍

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建漳州 363000)

1 研究背景

溫室設(shè)施農(nóng)業(yè)是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率的重要途徑，這就需要對農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境進行精細監(jiān)測及控制[1]。但傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜，不容易維護，并且施工受地理因素影響較大。隨著計算機技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能傳感器的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)能夠很好地解決這些問題[2]。尤其是2017年被稱為IOT的新元年，2017年工業(yè)和信息化部辦公廳引導(dǎo)全面推進移動物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT)建設(shè)發(fā)展，建設(shè)廣覆蓋、大連接、低功耗NB-IOT基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)展基于NB-IOT技術(shù)的應(yīng)用[3]。電信行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)巨頭不再作為旁觀者，而是積極投入[4]。無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于各行各業(yè)，溫室環(huán)境的控制也在其中。無線物聯(lián)網(wǎng)的成熟和廣泛應(yīng)用為精確溫室控制提供了有利條件，本文提出了一種基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在溫室中鋪設(shè)溫濕度傳感器、CO2傳感器、光照度傳感器、NH3傳感器等。通過采集這些數(shù)據(jù)并調(diào)整環(huán)境因子的大小(加溫、降溫，開窗、遮陽等措施來實現(xiàn))來達到控制溫室環(huán)境的目的。將這些數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，上位機可以隨時監(jiān)測溫室內(nèi)環(huán)境情況并作出相應(yīng)處理，通過存儲和分析這些數(shù)據(jù)能夠更好地研究作物生長環(huán)境。

2 監(jiān)測器的總體設(shè)計

本系統(tǒng)分為上位機和下位機，上位機負責(zé)數(shù)據(jù)存儲和處理，下位機負責(zé)數(shù)據(jù)的采集、初步處理并接受上位機命令向各IO口發(fā)送相關(guān)處理命令，使執(zhí)行機構(gòu)動作。本文主要介紹下位機的控制系統(tǒng)。本控制器以TI公司的CC2530芯片作為通信芯片和主控模塊[5]。該芯片具有豐富的IO口并集成了ZigBee通信協(xié)議，從傳感器讀取溫室參數(shù)，利用ZigBee技術(shù)的自組網(wǎng)功能發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點將本子網(wǎng)的數(shù)據(jù)和監(jiān)測時間打包，通過3G模塊上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

本系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，傳感器節(jié)點以CC2530芯片為主控/通信芯片，每隔一小時自動喚醒一次，搜索相同子網(wǎng)編號的ZigBee子網(wǎng)，并加入子網(wǎng)。然后利用設(shè)置于各溫室中的各種傳感器讀取溫室參數(shù)和節(jié)點編號進行數(shù)據(jù)打包，通過射頻電路發(fā)射至網(wǎng)關(guān)節(jié)點。信號發(fā)送成功后由主控芯片關(guān)閉所有外圍電路，進入休眠模式。

2.1 ZigBee模塊

ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、短時延、高容量、免布線等特點，以其為核心對現(xiàn)有的溫室監(jiān)測系統(tǒng)進行技術(shù)升級，將極大提高監(jiān)測效率，降低監(jiān)測復(fù)雜度及維護成本[6]。采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對各傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的實時處理，具有組網(wǎng)簡單、系統(tǒng)花費少、擴展網(wǎng)絡(luò)容易、通信穩(wěn)定、維護簡便等優(yōu)點[7]。CC2530是TI公司推出的處理器芯片，采用低功耗靜態(tài)CMOS設(shè)計制造的支持IEEE802.15.4協(xié)議[8]。CC2530在單個芯片上整合ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器等。它具有128K系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、32kHz休眠定時器、看門狗定時器、21個可編程I/O引腳等[9]。由于它封裝小、低功耗、多種運行模式等特點[1]，所以很適合用于本系統(tǒng)的設(shè)計。圖2為本系統(tǒng)所應(yīng)用的ZigBee模塊，該模塊是系統(tǒng)的核心控制和處理模塊。

2.2 溫濕度傳感器模塊

以溫濕度傳感器模塊為例進行介紹，模塊的溫濕度采集采用DHT81數(shù)字傳感器，它是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出，傳感器帶有防腐蝕罩，并帶有14位的A/D轉(zhuǎn)換器，超快響應(yīng)，抗干擾能力強，品質(zhì)卓越[10]。其典型的應(yīng)用電路如圖3所示。該系統(tǒng)采用5V電源供電。

DHT81的溫度采集具有極好的線性度，SOT為單片機采集到的2字節(jié)數(shù)值[11]。溫度的計算公式為：

Temperture=D1+D2×SOT.

(1)

D1和D2參數(shù)從表1和表2中查詢得到，通過式(1)計算得到所要測量的溫度值。例如,按我國溫度單位一般采用攝氏度，此時可以查詢表1的第一行數(shù)值；然后再根據(jù)系統(tǒng)所使用的電源，若采用5V電壓，那么查詢到的D1系數(shù)是-40.00。該傳感器默認的測量分辨率分別為14bit(溫度)、12bit(濕度)，也可分別降至12bit和8bit。因此表2溫度轉(zhuǎn)換若是采用默認值則查詢到的結(jié)果是0.01。

表1 溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)D1

在參考溫度為25℃(-77℉)時，相對濕度的計算公式為：

RHlinear=c1+c2×SORH+c3×SORH2.

(2)

SORH是由DHT81采集到的一個2字節(jié)數(shù)，系數(shù)c1、c2、c3從表3可以查詢得到，經(jīng)式(2)計算得到相對濕度RHlinear。圖4為其轉(zhuǎn)換到相對濕度的曲線圖，可以看出DHT81的濕度采集幾乎呈現(xiàn)線性。

表3 濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)

表4 溫度補償系數(shù)

濕度的大小在一定程度上依賴于溫度的高低，并且實際濕度往往不是測試參考濕度。因此，實際的濕度需要進行修正，修正如下：

RHtrue=(T-25)×(t1+t2×SORH)+RHlinear.

(3)

其中，T為溫度值，系數(shù)t1和t2由表4查詢得到，RHtrue為修正后的濕度值。

3 監(jiān)測器的部分軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點的軟件流程如圖5所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以選擇由太陽能或者交流市電供電，內(nèi)部設(shè)有1MByte以上的數(shù)據(jù)存儲器作為數(shù)據(jù)緩存，每隔一段時間將數(shù)據(jù)存儲器中的待發(fā)數(shù)據(jù)打包，通過3G模塊發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。發(fā)送成功后清空數(shù)據(jù)存儲器，準(zhǔn)備進行下一輪的數(shù)據(jù)收集。網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為整個子網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站，還負責(zé)子網(wǎng)的建立、鑒別有用數(shù)據(jù)、非法設(shè)備的踢出。該節(jié)點作為中轉(zhuǎn)站無休眠狀態(tài)，24小時不間斷運行。

4 測試結(jié)果

上位機監(jiān)測用戶系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā)的界面。該上位機監(jiān)測用戶系統(tǒng)主要負責(zé)與溫室的ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行通信，從而獲得各環(huán)境參數(shù)，其界面如圖6所示。這些數(shù)據(jù)同時存儲到數(shù)據(jù)庫，以便于后期處理和分析。

系統(tǒng)在福建省漳州市某大棚進行模擬測試，本監(jiān)控器以溫濕度傳感器和光照度傳感器進行測試，預(yù)留其他傳感器接口，如CO2傳感器、NH3傳感器等。測試表明該控制系統(tǒng)能夠很好地監(jiān)測大棚的溫濕度和光照度。