基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄭曉茜，邵帥飛

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450121；2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007）

溫室大棚種植模式保證了果蔬產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，保證了反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)，同時減少了自然災(zāi)害對作物的影響，增加了種植戶的收入。目前，對大棚環(huán)境參數(shù)的檢測和控制多采用人工或有線布線方式管理，存在監(jiān)控不及時、布線復(fù)雜、造價高、維護(hù)不便等問題[1-2]。本設(shè)計(jì)采用ZigBee技術(shù)對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值自動（也可手動）對溫室大棚內(nèi)受控制的設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、遮簾頂棚、灌溉設(shè)備等）發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)設(shè)備的自動化監(jiān)控管理，從而為果蔬生長和發(fā)育提供適宜的環(huán)境條件[3]。同時，該系統(tǒng)具有功耗小、投入成本低、控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

溫室大棚遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用ZigBee樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)對每個大棚配置一個ZigBee傳感器終端節(jié)點(diǎn)、一個ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和一個ZigBee設(shè)備執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)，各大棚內(nèi)的執(zhí)行設(shè)備是互不干擾、獨(dú)立工作的[4]。溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

終端監(jiān)控節(jié)點(diǎn)包括傳感終端節(jié)點(diǎn)（檢測大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息）和執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)（控制相關(guān)設(shè)備的啟停）。傳感采集裝置和設(shè)備執(zhí)行裝置均布置在各個大棚內(nèi)[5]。系統(tǒng)將傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)（土壤濕度、空氣溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度），通過ZigBee無線通信技術(shù)傳輸給路由節(jié)點(diǎn)，再由路由節(jié)點(diǎn)傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行信息的匯總并傳輸給上位機(jī)、手機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢、處理管理，并與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令，各執(zhí)行設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)收到控制指令后啟停風(fēng)扇、卷簾機(jī)等設(shè)備。控制指令也是由ZigBee路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送至終端執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)指令控制各設(shè)備的開關(guān)[6]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee模塊

ZigBee模塊具有體積小、功耗低、設(shè)備成本小、傳輸可靠性高且距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。為解決多個溫室大棚布線復(fù)雜的問題，本設(shè)計(jì)采用CC2530-F256模塊作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸及現(xiàn)場的控制。ZigBee模塊包含了三部分：ZigBee終端模塊、路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊。CC2530-F256的電路原理圖如圖2所示。

圖2 CC2530-F256的電路原理圖

2.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。ZigBee傳感終端節(jié)點(diǎn)包括兩部分，即ZigBee傳感終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee傳感終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器采集的數(shù)據(jù)并傳輸給ZigBee路由節(jié)點(diǎn)，ZigBee執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收控制信號并傳輸給執(zhí)行設(shè)備。

圖3 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 空氣溫濕度傳感器的選擇

AM2302溫濕度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、可靠性高、具有數(shù)字信號輸出功能等，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境的溫濕度監(jiān)測。故本系統(tǒng)的空氣溫濕度傳感器選用AM2302模塊。AM2302溫濕度傳感器接線圖如圖4所示。

圖4 AM2302溫濕度傳感器接線圖

2.2.2 土壤濕度傳感器的選擇

TH-FDR2000型土壤水分傳感器具有測量精度高、響應(yīng)速度快、耐腐蝕性好、封閉性佳等特點(diǎn)，常用于土壤墑情監(jiān)測、溫室控制、節(jié)水灌溉等領(lǐng)域。本系統(tǒng)的土壤濕度傳感器選擇TH-FDR2000模塊。

2.2.3 光照傳感器的選擇

B-LUX-V30B光照傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、體積小、便于安裝、傳輸距離長等優(yōu)點(diǎn)，故選擇BLUX-V30B模塊作為本系統(tǒng)的光照傳感器模塊。該模塊將采集的光照強(qiáng)度參數(shù)傳給CC2530-F256模塊，通過與預(yù)設(shè)值的比較，決定是否開啟補(bǔ)光設(shè)備（LED光源）。

2.2.4 CO2傳感器模塊的選擇

GMP343傳感器具有功耗低、靈敏度優(yōu)、外殼防護(hù)等級高和散熱功能好等優(yōu)點(diǎn)，通信方式采用RS485，適用于惡劣環(huán)境。故本系統(tǒng)的CO2傳感器選擇GMP343模塊。

2.3 執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)

ZigBee設(shè)備執(zhí)行終端節(jié)點(diǎn)將控制數(shù)據(jù)傳給固態(tài)繼電器，控制灌溉設(shè)備、熱風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、補(bǔ)光設(shè)備、卷簾機(jī)等的開關(guān)，從而為大棚提供適合農(nóng)作物生長的環(huán)境條件。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee模塊完成組網(wǎng)后，開始對環(huán)境各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。傳感器模塊分別采集相應(yīng)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)處理后發(fā)給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器再發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)與預(yù)設(shè)值比較后，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，最后通過繼電器控制相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備的啟停，從而實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)束語

基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過多個不同的傳感器節(jié)點(diǎn)采集各大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)或手機(jī)[7]。上位機(jī)或手機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)出控制指令，控制各執(zhí)行裝置的啟停，從而保證大棚內(nèi)的環(huán)境在合適范圍內(nèi)，該系統(tǒng)對智能農(nóng)業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。