一種智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

喬占通　趙娟

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能溫室大棚的應(yīng)用越來(lái)越普遍。主要是利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、無(wú)線(xiàn)識(shí)別技術(shù)和智能處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的全面感知、可靠傳輸和智能處理。該文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)ε飪?nèi)植被進(jìn)行溫濕度、營(yíng)養(yǎng)成分和光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)控，再通過(guò)ZigBee技術(shù)獎(jiǎng)數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳給控制中心，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施肥、自動(dòng)澆水、自動(dòng)除濕等功能。

關(guān)鍵詞：智能溫室大棚? ZigBee技術(shù)? 溫濕度監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：S625.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）02（c）-0026-02

植物生長(zhǎng)與陽(yáng)光、水分和營(yíng)養(yǎng)有著密切關(guān)系，合適的環(huán)境能夠大幅度提高植物生長(zhǎng)周期和產(chǎn)量。智能大棚無(wú)疑是可以實(shí)現(xiàn)這種環(huán)境的，主要通過(guò)短距離傳輸協(xié)議ZigBee的組網(wǎng)、溫濕度采集和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，及時(shí)對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整達(dá)到最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可靠、高效的溫濕度監(jiān)控，為解決大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考方案。

1? 系統(tǒng)整體方案

該設(shè)計(jì)采用傳感器感知環(huán)境，ZigBee協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)作為控制中心，根據(jù)農(nóng)作物需求設(shè)置報(bào)警裝置，從而實(shí)現(xiàn)智能化處理。系統(tǒng)主要包含溫度采集模塊、數(shù)據(jù)匯聚和傳輸模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊幾個(gè)部分，首先通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后匯聚控制中心，控制中心接收到數(shù)據(jù)后和設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果超出設(shè)定范圍則報(bào)警，并找出解決方案，再通過(guò)控制中心傳給各個(gè)端口采取相應(yīng)的解決措施。如果數(shù)據(jù)正常再通過(guò)控制中心匯聚到路由器，并進(jìn)行相應(yīng)傳輸，再通過(guò)協(xié)調(diào)器串口把數(shù)據(jù)傳送到電腦終端。

利用ZigBee的自組網(wǎng)和多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能特點(diǎn)，智能大棚在擴(kuò)展時(shí)很容易實(shí)現(xiàn)溫濕度的監(jiān)控問(wèn)題。該設(shè)計(jì)采用CC2530芯片作為智能大棚的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，DHT11芯片進(jìn)行溫濕度傳感器進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，通過(guò)上位機(jī)把采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示并保存，再通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚并通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行處理后傳輸給用戶(hù)終端。該設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)傳輸距離有障礙時(shí)在10～100m范圍內(nèi)、無(wú)障礙時(shí)在200m以上;溫濕度傳感器的誤差范圍小于等于1℃;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間以7d為周期進(jìn)行;報(bào)警通過(guò)外接音響設(shè)備進(jìn)行。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括CC2530控制電路、傳感器數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)傳輸電路、顯示電路、電源電路幾個(gè)部分。系統(tǒng)整體硬件電路如圖1所示。內(nèi)部電源是3.3V，外部電源是5V，故需一個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)5V到3.3V的轉(zhuǎn)換。溫濕度采集電路采用溫度和濕度復(fù)合的數(shù)字信號(hào)輸出傳感器DHT11和ZigBee模塊組成。數(shù)據(jù)傳輸電路采用CC2530芯片來(lái)完成，是一種集成51單片機(jī)內(nèi)核的開(kāi)發(fā)板。數(shù)據(jù)接口通信電路采用CH340G芯片構(gòu)成USB串口通信進(jìn)行傳輸，外部電路與一個(gè)晶振和幾個(gè)電容電阻。

智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要是進(jìn)行溫濕度檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)安全傳輸和智能監(jiān)控。首先傳感器進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)過(guò)控制單片機(jī)處理后由天線(xiàn)發(fā)射出去，發(fā)射的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸匯聚到協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與電腦進(jìn)行通信。其中傳感器節(jié)點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，它可以根據(jù)用戶(hù)需要隨意增減。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集部分的工作是用DH11傳感器采集大棚溫濕度值，然后送到CC2530單片機(jī)的發(fā)送緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)傳輸部分由多個(gè)CC2530模塊，各模塊把數(shù)據(jù)從發(fā)生緩沖區(qū)中經(jīng)天線(xiàn)發(fā)生出來(lái)，延著距離最短的路徑把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器匯聚各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后經(jīng)串口上傳到電腦，監(jiān)控軟件收到協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程圖設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括接入和接出兩個(gè)過(guò)程。先給協(xié)調(diào)器上電，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行相應(yīng)的身份認(rèn)證，再進(jìn)行空閑通道掃描，使用沒(méi)有其他網(wǎng)絡(luò)使用的空閑通道，并提供身份認(rèn)真信息，確認(rèn)后即可接入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)指定Cluster-Tree的拓?fù)鋮?shù)，包括最大節(jié)點(diǎn)數(shù)、的幻術(shù)層數(shù)、路由表生命周期和路由算法。任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)后，可從其父節(jié)點(diǎn)上查自己的物理地址、ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址和協(xié)調(diào)器指定的拓?fù)鋮?shù)。同理，節(jié)點(diǎn)接出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只需向其父節(jié)點(diǎn)提出請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)成功地接收子節(jié)點(diǎn)或者子節(jié)點(diǎn)成功地從網(wǎng)絡(luò)中斷開(kāi)時(shí)，都須向協(xié)調(diào)器匯報(bào)。因此，協(xié)調(diào)器可以隨時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)信息，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)PIB。

網(wǎng)絡(luò)組建過(guò)程主要包括網(wǎng)絡(luò)初始化、主節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配置、從節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)3個(gè)過(guò)程。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用Visual Basic語(yǔ)言進(jìn)行，主要完成對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的匯總與顯示。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口讀入，并創(chuàng)建Excel文件用來(lái)保存數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)地顯示在文本框中。為了起提醒作用還設(shè)計(jì)了報(bào)警功能，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)溫濕度值后可以根據(jù)用戶(hù)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的報(bào)警范圍。

4? 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)采用基于ZigBee的智能溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)大棚數(shù)據(jù)采集繁瑣、維護(hù)不便、傳輸不可靠等不利因素，經(jīng)過(guò)測(cè)試其性能良好，能夠在語(yǔ)言環(huán)境中正常實(shí)現(xiàn)程序的運(yùn)行，硬件顯示也正常，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的正常采集、傳輸和控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性和溫濕度準(zhǔn)確性達(dá)實(shí)際應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 任小洪，樂(lè)英高.ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（4）：10-12.

[2] 張思俊，徐冬冬，王樂(lè)樂(lè)，等.基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在家居電器監(jiān)控中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8（7）：1500-1501，1510.

[3] 王福平，楊國(guó)威，趙雷.基于模糊控制技術(shù)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].人民黃河，2017（1）：141-144.

[4] 杜岳濤，楊娜娜，董綿綿.基于ZigBee的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].電子測(cè)試，2016（9）：39-40.

[5] 潘澤鋒，徐玉菁，葉桂成，等.智能多肉植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2017（7）：50-51.