基于ZigBee的智能大棚系統(tǒng)設(shè)計

饒章宇

摘? 要： 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展改變了各個行業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，文章使用ZigBee技術(shù)設(shè)計一種能夠監(jiān)測溫室大棚環(huán)境并自動控制的智能大棚系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)大棚內(nèi)作物的生長環(huán)境，作物的生長環(huán)境主要由水泵、換氣扇和遮陽板三種設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓大棚內(nèi)的環(huán)境始終保持在適合作物生長的最佳狀態(tài)，調(diào)節(jié)的依據(jù)是利用傳感器收集到的大棚內(nèi)各個環(huán)境參數(shù)的閾值。文章給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計、通信協(xié)議設(shè)計，以及移動端功能設(shè)計。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); ZigBee; 溫室大棚; 智能; 傳感器; 通信協(xié)議

中圖分類號：TP23; S126? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）08-21-03

Abstract： The development of Internet of Things technology has changed the traditional production methods of various industries. This paper uses ZigBee technology to design a intelligent greenhouse system that can monitor the greenhouse environment and automatically control it. The system can automatically adjust the growth environment of crops in the greenhouse. The growth environment of the crops is mainly regulated by three devices： water pump， ventilating fan and sun visor， so that the environment inside the greenhouse is always in the best state suitable for crop growth. The adjustment is based on the thresholds of various environmental parameters in the greenhouse collected by the sensors. This paper gives the overall design of the system， the design of the communication protocol， and the functional design of the mobile terminal.

Key words： Internet of things; ZigBee; greenhouse; intelligence; sensor; communication protocol

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國家的重要經(jīng)濟(jì)命脈。溫室大棚可以改變植物生長環(huán)境，根據(jù)作物的最佳生長條件，調(diào)節(jié)溫室氣候，使之一年四季滿足植物生長需要。與普通的溫室大棚相比，數(shù)字化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)溫室大棚不僅能夠種植優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)反季作物，而且將電子、計算機(jī)、通信和自動控制等信息技術(shù)引入到該領(lǐng)域，朝著精細(xì)農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展[1]。

采用無線方式對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因子進(jìn)行多點多參數(shù)的采集，可以避免在土壤中鋪設(shè)大量的線纜，影響作物的耕作。根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，需對溫室大棚的環(huán)境進(jìn)行良好的控制，有效地控制大棚內(nèi)作物在生長過程中需要的水分、通風(fēng)以及溫度等，高度有效地利用各種資源以求得到最大的產(chǎn)出。本文所設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)[2]的智能大棚系統(tǒng)可很好地滿足大棚的控制要求。

1 總體設(shè)計

智能大棚系統(tǒng)由ZigBee無線傳感網(wǎng)，ZigBee網(wǎng)關(guān)以及包括移動終端、云存儲在內(nèi)的上位機(jī)構(gòu)成。如圖1所示。

圖1中的各種傳感器節(jié)點和控制節(jié)點使用基于CC2530[3]的ZigBee節(jié)點來完成數(shù)據(jù)的傳輸。ZigBee網(wǎng)關(guān)主要由一個CC2530模塊和一個RT5350模塊構(gòu)成，前者充當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，后者在嵌入式Linux系統(tǒng)OpenWrt[4-5]的支持下，實現(xiàn)Wifi路由器的功能，二者之間通過串口通信。圖中的移動設(shè)備可以直接通過局域網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)關(guān)通信，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)連接云服務(wù)器，再與ZigBee網(wǎng)關(guān)通信。

每個大棚有一套環(huán)境參數(shù)傳感器節(jié)點、控制節(jié)點和對應(yīng)的設(shè)備，以及攝像頭。智能大棚系統(tǒng)具有如下功能。

⑴ ZigBee網(wǎng)關(guān)周期性地將各個大棚的環(huán)境參數(shù)及執(zhí)行類設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)保存到云端。保存的數(shù)據(jù)包括環(huán)境參數(shù)和控制設(shè)備的狀態(tài)，保存數(shù)據(jù)的周期可以更改。

⑵ 針對不同的季節(jié)和不同的作物，根據(jù)作物生長的環(huán)境參數(shù)閾值，自動啟停相應(yīng)的設(shè)備來調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。

⑶ 移動端查詢最新的環(huán)境參數(shù)及執(zhí)行類設(shè)備狀態(tài)。查詢的結(jié)果與⑴中的數(shù)據(jù)一樣。

⑷ 移動端設(shè)置適合大棚內(nèi)作物生長的環(huán)境參數(shù)閾值，比如最低溫度和最高溫度，最低濕度和最高濕度等。

⑸ 通過攝像頭監(jiān)視作物的生長情況，可以在移動端查看。使用至少兩個攝像頭，一個監(jiān)視大范圍作物，一個監(jiān)視局部作物。

⑹ 通過移動端控制大棚內(nèi)的執(zhí)行設(shè)備，以調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。盡管智能大棚可以自動調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，但是某些情況下可能需要手動調(diào)節(jié)。比如某些傳感器出現(xiàn)了故障造成數(shù)據(jù)失真;天氣突然變化等。因此，除了自動調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)外，有時候還需要人工干預(yù)。

2 通信協(xié)議設(shè)計

智能大棚系統(tǒng)中的通信發(fā)生在ZigBee網(wǎng)關(guān)和移動端、ZigBee網(wǎng)關(guān)和云端，以及ZigBee網(wǎng)關(guān)（或ZigBee協(xié)調(diào)器）與各個ZigBee傳感器節(jié)點或設(shè)備控制節(jié)點之間。需要規(guī)定這些通信的協(xié)議或消息格式，才能保證整個系統(tǒng)有條不紊的正常工作[6]。

2.1 移動端與ZigBee網(wǎng)關(guān)之間的通信協(xié)議設(shè)計

移動端通過向ZigBee網(wǎng)關(guān)發(fā)送相應(yīng)的請求消息來實現(xiàn)對大棚的環(huán)境參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)的查詢，實現(xiàn)設(shè)定大棚的環(huán)境參數(shù)閾值、或啟停執(zhí)行設(shè)備等功能。ZigBee網(wǎng)關(guān)收到請求消息后，會返回對應(yīng)的響應(yīng)消息。表1和表2是移動端和ZigBee網(wǎng)關(guān)之間通信的消息格式。

大棚編號為“01”-“99”，“00”表示所有大棚，表1發(fā)送的消息表示對當(dāng)前大棚編號進(jìn)行操作。對于功能碼“0”，“5”，“6”，“7”，由于無數(shù)據(jù)發(fā)送，所以其請求消息的數(shù)據(jù)字段是0字節(jié)，即無。對于功能碼“1”，“2”，“3”，“4”，其數(shù)據(jù)字段表示設(shè)定的時間，由兩個字符表示。對于功能碼“8”，其數(shù)據(jù)字段為各環(huán)境參數(shù)的閾值，其中空氣溫濕度4字節(jié)，土壤濕度2字節(jié)，CO2濃度3字節(jié)，光照強(qiáng)度4字節(jié)，包括最低值和最高值，總共26字節(jié)。除了功能碼“0”的返回消息是返回大棚數(shù)據(jù)外，其他功能碼的返回消息都是返回發(fā)送消息執(zhí)行是否執(zhí)行成功。

2.2 ZigBee 網(wǎng)關(guān)周期性保存數(shù)據(jù)及響應(yīng)移動端查詢的消息格式

ZigBee網(wǎng)關(guān)周期性地將各個大棚的環(huán)境參數(shù)及執(zhí)行類設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)保存到云端，這些數(shù)據(jù)有空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、空氣中二氧化碳濃度、大棚內(nèi)光照度，以及三種執(zhí)行類設(shè)備的狀態(tài)（開/關(guān)/未知）。另外，當(dāng)移動端查詢大棚數(shù)據(jù)時（對應(yīng)于表3中的功能碼“0”，“1”），ZigBee網(wǎng)關(guān)也會返回同樣的數(shù)據(jù)。消息格式定義如表4。

2.3 各傳感器節(jié)點和控制節(jié)點向ZigBee網(wǎng)關(guān)提交數(shù)據(jù)的消息格式

每個大棚或監(jiān)控區(qū)，都有一套相同的環(huán)境參數(shù)傳感器節(jié)點和控制節(jié)點。四個傳感器節(jié)點包括空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2傳感器、光照度傳感器。一個控制節(jié)點控制水泵、換氣扇和遮陽板。傳感器節(jié)點將相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳給ZigBee網(wǎng)關(guān)，控制節(jié)點將相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)傳給ZigBee網(wǎng)關(guān)。表5是4個傳感器節(jié)點和1個控制節(jié)點向ZigBee網(wǎng)關(guān)提交數(shù)據(jù)的格式。

上述消息格式中的大棚編號的含義同前。終端編號用于識別節(jié)點的作用，如“D4”用于收集光照強(qiáng)度。消息中的狀態(tài)或傳感器值同前，都用字符表示，如“D4012310q”表示1號大棚光照強(qiáng)度為2310lux，其中“q”為“D4012310”每個字符作異或操作得出來的校驗碼。

3 移動端設(shè)計

在智能大棚系統(tǒng)中，移動端屬于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的上位機(jī)的一個重要組成部分，是人們與智能大棚系統(tǒng)進(jìn)行交互的媒介，它可以使人們對大棚的監(jiān)測與控制不受地點的約束。移動端采用了Android技術(shù)[5]開發(fā)。

移動設(shè)備的主要功能包括：查詢大棚環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)置大棚各個環(huán)境參數(shù)的閾值（適合作物生長的環(huán)境參數(shù)最小值和最大值），在某些情況下啟動或關(guān)閉大棚的水泵、換氣扇和遮陽板，以及設(shè)置ZigBee網(wǎng)關(guān)向云端保存數(shù)據(jù)的周期，還可以查看大棚內(nèi)監(jiān)控攝像頭的畫面，如圖2所示。

4 結(jié)束語

目前，國家已經(jīng)將智能農(nóng)業(yè)作為戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)給予大力推進(jìn)，智能大棚系統(tǒng)是我們對智能農(nóng)業(yè)的一個探索。該系統(tǒng)的特色包括：1）將大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)保存到云端，一方面使數(shù)據(jù)存儲更加安全可靠，另一方面也可供后續(xù)功能擴(kuò)展和數(shù)據(jù)分析使用;2）使用Android端對大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制，不受地點的約束;3）通信協(xié)議設(shè)計完整、簡潔、高效。目前市面上的智能窗簾系統(tǒng)還未普及，現(xiàn)有的自動窗簾系統(tǒng)也存在各種弊端。該系統(tǒng)相較于市面上的大多數(shù)自動窗簾系統(tǒng)而言，更加便捷和高效，也更加智能。就生活中智能窗簾的普及程度和該系統(tǒng)的優(yōu)勢來看，本文設(shè)計的自動窗簾系統(tǒng)具有應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)（References）：

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