基于ZigBee的智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉忠超， 范偉強(qiáng)， 常有周

(1.南陽理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，河南南陽 473004； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

我國(guó)是人口大國(guó)，人均耕地占有率排名較靠后，占有世界近22%人口的國(guó)家，卻依靠著占世界近7%的耕地來生存著[1]。此外，我國(guó)耕地質(zhì)量呈下滑的趨勢(shì)，這對(duì)糧食產(chǎn)量有著較大的影響，提高單位面積糧食產(chǎn)量和擴(kuò)大糧食種植面積是農(nóng)業(yè)發(fā)展迫在眉睫的要求。溫室栽培改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。打破了植物生長(zhǎng)的地域和時(shí)空界限，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)文明的發(fā)展?，F(xiàn)代溫室越來越廣泛地應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫室生產(chǎn)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的標(biāo)志。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，特別是隨著農(nóng)業(yè)人口向城市轉(zhuǎn)移，對(duì)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的要求越來越高，溫室技術(shù)也逐步向智能化方向發(fā)展[2]。

智能溫室能將溫度、濕度、光照度等環(huán)境量自動(dòng)調(diào)節(jié)到農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的范圍內(nèi)，從而可以不受自然環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)全年任何季節(jié)都能生產(chǎn)的需求。傳統(tǒng)的溫室大多采用人工方式進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的測(cè)量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在溫室面積較大時(shí)更是增加了勞動(dòng)量[3]。當(dāng)采用有線的方式進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，需要布設(shè)較多的線纜，出現(xiàn)故障的可能性較大，并且成本較高，降低了溫室的效益[4]。針對(duì)傳統(tǒng)溫室存在的問題，課題借助ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種智能溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)，利用傳感器自動(dòng)采集溫室環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的智能化監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控，系統(tǒng)主要由溫室終端環(huán)境因子采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)組成。終端通過溫濕度傳感器、光照度傳感器采集環(huán)境因子，并通過ZigBee組建的網(wǎng)絡(luò)將溫室環(huán)境量上傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器和STM32控制器之間采用串口直連的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)間的雙向傳遞，單片機(jī)在收到數(shù)據(jù)后會(huì)在液晶屏上進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的就地顯示及動(dòng)態(tài)曲線的繪制，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)上傳到基于WEB的上位機(jī)上，上位機(jī)會(huì)對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)上位機(jī)開啟自動(dòng)控制功能，如果溫室內(nèi)溫濕度、光照度高于或低于設(shè)定值，則會(huì)自動(dòng)發(fā)送相應(yīng)的命令給下位機(jī)，終端會(huì)對(duì)收到的命令進(jìn)行解析，控制風(fēng)扇、加熱器、除濕器、風(fēng)機(jī)的開和關(guān)，以此來實(shí)現(xiàn)溫室的智能調(diào)節(jié)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器選擇

STM32系列單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司推出的高性能、低成本、低功耗的嵌入式微處理器，該芯片的配置非常強(qiáng)大，片上資源十分豐富。結(jié)合系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)選用STM32F103ZET6作為ZigBee網(wǎng)關(guān)的微控制器，通過2路串口與協(xié)調(diào)器和電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并借助1路SPI接口和網(wǎng)絡(luò)模塊相連，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的以太網(wǎng)通信[5]。

2.2 溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用DHT11傳感器來測(cè)量溫濕度，該傳感器已經(jīng)對(duì)輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行了校準(zhǔn)，可靠性與穩(wěn)定性極高。傳感器采用單總線的串行通信方式，使硬件連線變得簡(jiǎn)單，使用起來較為方便[6]。DHT11傳感器電路如圖2所示。

2.3 光照度傳感器電路設(shè)計(jì)

光照度的測(cè)量通常簡(jiǎn)便的方法是采用光敏電阻。它是一種光照度與其阻值成反比的元器件，在強(qiáng)光條件下，光敏電阻的阻值僅有數(shù)百歐姆，在暗光條件下，它的阻值最大可達(dá) 10 MΩ。BH1750FVI是一種采用I2C總線來進(jìn)行通信的數(shù)字式光照度傳感器，這種傳感器具有很高的分辨率，能夠檢測(cè)的光照度變化范圍較大，并且受紅外線、溫度的影響很小[7]。光照度檢測(cè)電路如圖3所示。

2.4 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

為了在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室里的溫濕度、光照度等環(huán)境量，顯示界面必不可少。常用的顯示方式有數(shù)碼管、液晶屏和點(diǎn)陣等。本系統(tǒng)要顯示的數(shù)據(jù)比較多，數(shù)碼管只能顯示單一數(shù)字，不能顯示出數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，而TFT LCD液晶屏不僅能顯示不同顏色的漢字和數(shù)字，而且還能繪制出溫濕度、光照度的變化曲線，作為溫室監(jiān)控的顯示界面較為合適[8]。系統(tǒng)采用尺寸為3.2英寸、分辨率為240×320像素的液晶屏，液晶顯示電路如圖4所示。

2.5 繼電器輸出電路設(shè)計(jì)

智能溫室不僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)視溫濕度、光照度等環(huán)境量，而且還需要對(duì)風(fēng)扇、加熱器、除濕器、風(fēng)機(jī)等進(jìn)行控制。終端節(jié)點(diǎn)帶負(fù)載能力有限，輸出信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)這些大功率器件，因此采用繼電器的方式來控制[9]。選用松樂直流5 V繼電器，最大承受10 A/30 V的直流電，能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求?？紤]到風(fēng)機(jī)等大功率器件啟動(dòng)時(shí)電流的影響，加入光耦來對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。繼電器輸出電路如圖5所示。

2.6 ZigBee網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵木褪蔷W(wǎng)絡(luò)模塊。STM32單片機(jī)一般有2種方式接入以太網(wǎng)：即軟件TCP/IP協(xié)議棧和硬件TCP/IP協(xié)議棧的方式。系統(tǒng)采用W5500以太網(wǎng)芯片來實(shí)現(xiàn)硬件協(xié)議棧方案，采用硬件協(xié)議棧能減輕單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)量。W5500是Wiznet公司設(shè)計(jì)的全硬件協(xié)議棧芯片，具有超高的性價(jià)比。在使用過程中，不需要再植入軟件協(xié)議棧，大大降低了代碼量，同時(shí)具有較高的安全性[10]。用STM32控制W5500網(wǎng)絡(luò)模塊，用TCP Client的方式來接入互聯(lián)網(wǎng)。

W5500硬件電路如圖6所示。

2.7 直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中ZigBee芯片、傳感器、STM32單片機(jī)工作電壓均為3.3 V，而單片機(jī)對(duì)電壓要求較高，因此單獨(dú)采用穩(wěn)壓芯片為其供電。選擇2節(jié)鋰電池串聯(lián)來為系統(tǒng)提供電能， 由于系統(tǒng)正常工作的電流不是太大，選擇常用的AMS1117-3.3 V線性穩(wěn)壓芯片來轉(zhuǎn)換成需要的電壓[11]。AMS1117-3.3 V電源電路如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括兩大部分：第一部分是由ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的溫室數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，第二部分是以ZigBee網(wǎng)關(guān)為核心的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)主要有ZigBee組網(wǎng)、 無線通信、傳感器采集、 I/O輸出控制4個(gè)模塊組成。數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件系統(tǒng)主要有MCU、以太網(wǎng)通信、LCD顯示、上位機(jī)監(jiān)控4個(gè)模塊組成[12]。軟件系統(tǒng)總體框架如圖8所示。

3.1 溫濕度程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)上的DHT11溫濕度傳感器與ZigBee進(jìn)行通信的方式為串行單總線，通信1次的時(shí)間需要約4 ms，開始時(shí)主機(jī)發(fā)送1個(gè)下降沿啟動(dòng)信號(hào)，傳感器響應(yīng)該信號(hào)并從低功耗模式變?yōu)楦咚倌Ｊ?。DHT11將在啟動(dòng)信號(hào)結(jié)束后輸出一個(gè)響應(yīng)脈沖信號(hào)同時(shí)發(fā)送包含需要的5個(gè)字節(jié)的溫濕度數(shù)據(jù)，完成一次信號(hào)采樣過程[13]。讀出完整的一幀數(shù)據(jù)格式為1個(gè)字節(jié)的濕度整數(shù)，1個(gè)字節(jié)的濕度小數(shù)，1個(gè)字節(jié)的溫度整數(shù)，1個(gè)字節(jié)的溫度小數(shù)，最后1個(gè)字節(jié)是校驗(yàn)和。溫濕度程序流程如圖9所示。

3.2 光照度程序設(shè)計(jì)

光照度程序流程如圖10所示。

3.3 網(wǎng)關(guān)主程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器之間以串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)每收到1字節(jié)的數(shù)據(jù)都會(huì)進(jìn)入中斷進(jìn)行判斷、讀取，直至完成1幀數(shù)據(jù)的接收并將其放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。單片機(jī)通過W5500模塊將收到的1幀完整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)格式并發(fā)送到WEB上，并在LCD上實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)及曲線，實(shí)現(xiàn)了本地和遠(yuǎn)程可以同時(shí)監(jiān)控溫室環(huán)境因子的功能。網(wǎng)關(guān)主程序流程如圖11所示。

3.4 上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求，溫室環(huán)境因子在上位機(jī)上以WEB的形式實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)和曲線。PHP是一種適合WEB開發(fā)的開源腳本語言，因此采用PHP作為上位機(jī)的編程語言。ZigBee網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)之間使用TCP協(xié)議進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)TCP通信用C語言進(jìn)行編程，上位機(jī)TCP通信用PHP語言進(jìn)行編程，兩者編程語言不同，網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為TCP Client，調(diào)用Connect函數(shù)接口，上位機(jī)作為TCP Server，調(diào)用Listen函數(shù)接口，通過調(diào)用Socket提供的函數(shù)接口來實(shí)現(xiàn)兩者間的通信。上位機(jī)登錄界面如圖12所示。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)軟硬件測(cè)試完成后在南陽某溫室大棚放置2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)整體功能進(jìn)行測(cè)試。終端液晶屏就地顯示結(jié)果如圖13所示，紅線代表溫度，綠線代表濕度，藍(lán)線代表光照度，在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示了終端采集節(jié)點(diǎn)1、2的溫濕度和光照度，并且改變溫濕度和光照度時(shí)曲線有相應(yīng)的變化，能反映出變化的趨勢(shì)。從系統(tǒng)整體測(cè)試結(jié)果來看，液晶屏能準(zhǔn)確反映出溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化趨勢(shì)。

通過遠(yuǎn)端WEB頁面登錄上位機(jī)成功后可以查看不同時(shí)間的溫度、濕度和光照度的變化趨勢(shì)，溫度、濕度曲線、光照度曲線分別如圖14至圖16所示。

5 結(jié)論

借助于ZigBee技術(shù)，網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心，把溫室內(nèi)的環(huán)境因子無線發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了溫室的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，系統(tǒng)具有布線簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理、使用方便的特點(diǎn)。

利用DHT11溫濕度傳感器和BH1750FVI光照傳感器采集終端所在溫室的環(huán)境因子，并實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境因子的無線遠(yuǎn)距離傳送。

基于PHP和以太網(wǎng)開發(fā)了溫室環(huán)境人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了能通過Web遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù)。