基于ZigBee技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)溫控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

朱濤

摘要：本文通過介紹ZigBee技術(shù)和軟件、硬件選擇原則，闡明了ZigBee程序運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)采集、時(shí)間同步、溫度自我調(diào)控和PC端顯示這四大部分的實(shí)施過程和技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，為這一技術(shù)的發(fā)展和延伸提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè);ZigBee技術(shù);溫度;監(jiān)測(cè)與調(diào)控

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）24-0229-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Intelligent Agricultural Temperature Control System Based on ZigBee Technology

ZHU Tao

（Institute of Computer Science and Technology ，Anhui University of Technology，Huainan 232000， China）

Abstract： By introducing the technology of ZigBee and the principle of choosing software and hardware， this paper expounds the implementation process and key points of the four parts of ZigBee program： data acquisition， time synchronization， temperature self-regulation and PC terminal display. It provides theoretical basis and technical support for the development and extension of this technology.

Key words： Agricultural; ZigBee technology; temperature; monitoring and control

農(nóng)作物的生長(zhǎng)受著多重因素的影響，其中溫度對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用，農(nóng)作物只有在適宜的溫度環(huán)境下，才會(huì)有序地進(jìn)行呼吸作用和光合作用，茁壯成長(zhǎng)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，農(nóng)民對(duì)于溫度的調(diào)控只能靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，具有主觀性，達(dá)不到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求標(biāo)準(zhǔn)。在農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展與提升的今天，農(nóng)業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和精準(zhǔn)調(diào)節(jié)技術(shù)也不斷精進(jìn)著。因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如何對(duì)溫度環(huán)境智能的監(jiān)控和調(diào)節(jié)逐漸成為研究熱點(diǎn)。ZigBee作為一種無線、節(jié)能、高效、簡(jiǎn)便的新技術(shù)，因其價(jià)格低廉，使用方便，被農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)廣泛使用[1]。

1 ZigBee技術(shù)概論

ZigBee這一名稱源于仿生學(xué)，蜜蜂在獲取花叢間食物信息時(shí)，會(huì)通過一種“zigzag”的舞蹈方式向同伴傳達(dá)信息，這種方法被人類應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，稱為ZigBee無線連接技術(shù)。ZigBee所含的數(shù)據(jù)模塊高達(dá)上萬個(gè)，模塊組中的每一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)范圍內(nèi)可互相通訊，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的距離也由標(biāo)準(zhǔn)的75 m擴(kuò)展到更寬泛的距離。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)自身監(jiān)控的基礎(chǔ)上，還可在其它通訊設(shè)備的信息間自由傳送，且在有限范圍內(nèi)，還可與其他無網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)責(zé)任的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無縫對(duì)接[2]。

由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)需要協(xié)調(diào)器來監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的組成，協(xié)調(diào)器起著給父節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息和接收響應(yīng)信息的作用。ZigBee技術(shù)較其他技術(shù)相比傳輸距離較近，可在3個(gè)頻段（2.4GHz、868MHz以及915 MHz）上達(dá)到最高工作速率（250kbit/s、20kbit/s以及40kbit/s），具有節(jié)能、高效、簡(jiǎn)便、低廉、準(zhǔn)確、安全的優(yōu)勢(shì)。ZigBee應(yīng)用范圍覆蓋廣泛，主要包括農(nóng)業(yè)、電網(wǎng)、家具、醫(yī)療等不同領(lǐng)域，其適應(yīng)性主要依靠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，因?yàn)椴煌I(lǐng)域適用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共3種，包括星形、網(wǎng)狀和樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 ZigBee系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

圖1為ZigBee系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)意在解決傳統(tǒng)人工監(jiān)控的主觀性和成本高等問題，達(dá)到減少人工操作和自動(dòng)依據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境需要進(jìn)行實(shí)時(shí)有效調(diào)控溫度的目的·。低成本、高效率、操作簡(jiǎn)單為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則[3]。采用DS18B20溫度采集模塊作為信息采集單元，進(jìn)而向ZigBee發(fā)射模塊傳輸采取的全部信息，當(dāng)信息傳輸至ZigBee接受模塊時(shí)，PC機(jī)同ZigBee的主節(jié)點(diǎn)相互通信，通訊信息反映至操作單元，操作單元會(huì)根提前設(shè)定好的溫感程序進(jìn)行升溫或者降溫操作。當(dāng)溫度調(diào)控操作單元發(fā)生異?，F(xiàn)象時(shí)，會(huì)進(jìn)行報(bào)警處理，提示工作人員進(jìn)行維護(hù)與維修處理工作。同時(shí)實(shí)現(xiàn)GPRS與PC機(jī)的交互作用，使得與主機(jī)聯(lián)網(wǎng)的其他計(jì)算機(jī)也能接受實(shí)時(shí)溫控信息，達(dá)到資源傳播與整合的作用，使得消息傳輸過程變得方便簡(jiǎn)潔。

2.2系統(tǒng)硬件選擇

2.2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)模塊硬件組成

圖2為ZigBee網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)示意圖。其中供電系統(tǒng)包括電源設(shè)備、溫度控制系統(tǒng)包括升溫、降溫設(shè)備及報(bào)警設(shè)備。

2.2.2 主控制器選取部分

主控制器位于設(shè)計(jì)中最重要的地位，負(fù)責(zé)信息的集成和擴(kuò)散，因此在控制器的選擇上，要秉承成本低、操作簡(jiǎn)便，信息保存性完整等原則，并在此基礎(chǔ)上，此單片機(jī)在數(shù)據(jù)運(yùn)算整合上可獨(dú)立操作，減少對(duì)外源電路的依賴，降低成本[4]。因此依據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，本實(shí)驗(yàn)在控制器的選擇上，以STC89C52單片機(jī)為第一選擇。STC89C52單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示：

STC89C52單片機(jī)功能簡(jiǎn)介：

（1）支持51、AVR/ARM等多種開發(fā)平臺(tái)

（2）模塊采取獨(dú)立分區(qū)方式，并配置不同顯示屏與其一一對(duì)應(yīng)。模塊分區(qū)設(shè)置主要包括：液晶LCD1602、16位LED燈、8*8點(diǎn)陣、8位數(shù)管碼、4*4矩陣按鍵。

（3）其智能溫控系統(tǒng)包括溫度檢測(cè)、警報(bào)器、獨(dú)立按鍵、LED、數(shù)管碼顯示、步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控。

2.2.3 溫度傳感器選取部分

溫度傳感器負(fù)責(zé)導(dǎo)入溫度信號(hào)，不同被測(cè)對(duì)象對(duì)應(yīng)著不同的溫度傳感器設(shè)計(jì)單元，所以選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎拍苁沟脺囟缺O(jiān)控工作正常運(yùn)行。傳感器選擇本著能耗低、傳輸效率高，無須中途轉(zhuǎn)輸、小體積的原則。傳感器可依據(jù)用途、原理、信息來源、構(gòu)成等原則劃分為不同的類型。其中信息來源包括模擬信息和數(shù)字信息，模擬信息需經(jīng)轉(zhuǎn)輸處理才可變?yōu)閿?shù)字信息，增大了數(shù)據(jù)處理工作量，降低了傳感器工作效率。所以在傳感器的選擇上，本實(shí)驗(yàn)為數(shù)字傳感器。

2.3系統(tǒng)軟件選擇

2.3.1數(shù)據(jù)接收軟件流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收部分的工作是將所有傳感器采集匯聚整理至數(shù)據(jù)整合節(jié)點(diǎn)，整合節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)再傳輸至相應(yīng)的pc機(jī)以及其他設(shè)備[3]。整體數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.3.2時(shí)間統(tǒng)一的算法

當(dāng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在采集信息和匯聚節(jié)點(diǎn)在整合信息的同時(shí)，都需要同一個(gè)ZigBee處理時(shí)間，也就是所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理都需要一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一時(shí)間的算法目前有很多種，包括統(tǒng)一傳送報(bào)文來標(biāo)注時(shí)間的FTSP算法，不攜帶時(shí)間標(biāo)注，靠廣播指示來協(xié)調(diào)時(shí)間的RBS算法，和選取節(jié)點(diǎn)代表來規(guī)范時(shí)間的DMTS算法。本實(shí)驗(yàn)選取時(shí)間算法的原則是節(jié)省時(shí)間，數(shù)據(jù)處理量小，算法簡(jiǎn)便。由于后兩種算法都需要計(jì)算時(shí)間相對(duì)差，并做相應(yīng)協(xié)調(diào)處理，這一過程處理相對(duì)復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)，因此選擇第一種算法作為時(shí)間同步處理算法。

2.3.3 PC端軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)

PC端與信息采集與接收端相輔相成，缺一不可。PC端可通過圖形或文字的方式使用戶直觀感受溫度調(diào)控實(shí)時(shí)情況[5]。PC端必備的幾大功能如下：

屏幕顯示功能：顯示不同傳感器的溫度狀況，并以圖片或表格的形式傳達(dá)。

自我設(shè)置功能：用戶可根據(jù)實(shí)際農(nóng)作物溫度所需情況，設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)溫度參數(shù)，以方便執(zhí)行單元中的溫度調(diào)控部分。

自我健康監(jiān)測(cè)功能：當(dāng)用戶點(diǎn)擊自我監(jiān)測(cè)按鈕時(shí)，一條空的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)完整的信息傳輸過程，包括采集，整合，接受，處理這四大部分，若每一部分都能正常健康地運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)彈出一切正常的對(duì)話框，可進(jìn)行下一步的溫度監(jiān)控操作。

系統(tǒng)詳情說明：提供系統(tǒng)詳情說明書，詳細(xì)介紹各個(gè)模塊和不同按鍵的功能特性。

3結(jié)論和展望

本實(shí)驗(yàn)以ZigBee作為一種技術(shù)支持，來達(dá)到對(duì)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)目的。本文主要介紹和設(shè)計(jì)四大運(yùn)行部分，即數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)傳輸與時(shí)間同步部分，溫度自我調(diào)節(jié)部分，PC端顯示與傳送信息部分。也就是將信息以數(shù)字化形式傳輸整合，再以圖片或表格形式，直觀的呈現(xiàn)給用戶，用戶下達(dá)指令及運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)后，此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度至理想狀態(tài)的目的。這一技術(shù)目前還在試運(yùn)行階段，還存在一些問題需解決與提升。在能耗方面，雖然已盡可能選取能耗低的設(shè)備，但是還是會(huì)有使用壽命的限制，一旦某一設(shè)備無法正常運(yùn)行，則重組和維修是一大難題，也許未來還會(huì)有新能源的出現(xiàn)解決這一問題;在數(shù)據(jù)采集上，設(shè)備只是簡(jiǎn)單采集所有信息，未對(duì)所采取信息做選擇性處理，即無法避免干擾信息的存在，未來可能在這一方面會(huì)有更智能的采集系統(tǒng)出現(xiàn)，攻克信息干擾這一難題?？偟膩碚f，ZigBee這一簡(jiǎn)便、低廉的技術(shù)，在未來會(huì)被更好地利用起來，為人類創(chuàng)造更多的價(jià)值。

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