基于ZigBee 的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷文禮，張 鑫，任新成，曹新亮，魏建朝

（1.延安大學(xué)陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西延安 716000；2.延安大學(xué)附屬醫(yī)院，陜西 延安 716000）

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)通過人工感知和經(jīng)驗(yàn)對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行管理往往不能及時(shí)調(diào)整大棚的環(huán)境，從而影響了農(nóng)作物的快速生長(zhǎng)[1-4]。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展相較傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)模式也已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化，正在逐步被智能化、自動(dòng)化的農(nóng)業(yè)模式所取代。溫室大棚已經(jīng)成為種植蔬菜水果的主要方式，但是與其他國(guó)家相比，智能化水平仍然相對(duì)較低。

針對(duì)溫室大棚內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)不方便，不準(zhǔn)確的問題，該文設(shè)計(jì)了以ZigBee為核心的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5-8]。系統(tǒng)通過初始程序設(shè)置了大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的閾值，當(dāng)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)超過閾值，利用蜂鳴器報(bào)警提醒管理者及時(shí)調(diào)整，從而盡可能地減少損失[9]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)以STC89C52 單片機(jī)為核心控制器，匹配ZigBee 模塊、輸入部分和輸出部分等組成大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)的整個(gè)系統(tǒng)。作為中控部分的STC89C52單片機(jī)的主要作用是獲取輸入部分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部處理，控制輸出部分。大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1）STC89C52 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)模塊：它是一款高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、價(jià)格低廉的單片機(jī)[10-11]，電路原理圖如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)原理圖

2）按鍵復(fù)位電路設(shè)計(jì)模塊：該模塊可以使系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中RES 是復(fù)位引腳，在通電以后電路給電容充電，此時(shí)RES處于高電平并且形成了一個(gè)回路，10 kΩ的電阻開始消耗電量；當(dāng)按鍵S1 按下時(shí)，RES直接連接到VCC上，電容開始放電并且會(huì)放完所有電，當(dāng)按鍵松開時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩邊都是斷路的情況，RES此時(shí)處于低電平開始復(fù)位，當(dāng)VCC 給電容充滿電重新連通之后，復(fù)位完成[12-13]。按鍵復(fù)位電路原理圖如圖3所示。

圖3 按鍵復(fù)位電路原理圖

3）晶振電路設(shè)計(jì)模塊：晶振電路是單片機(jī)系統(tǒng)必須要用到的，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的運(yùn)行必須依靠穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。晶振電路中連接諧振電容，其作用是使晶振兩端的等效電容等于或接近負(fù)載電容，以便晶振電路可以正常工作。

2.2 ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)

ZigBee 模塊的作用是確保主機(jī)和從機(jī)之間相互通信，其中ANT 是天線部分，P1.2 引腳的功能是用來指示模塊是否連接網(wǎng)絡(luò)，連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)是低電平，未連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)為高電平；P1.3 引腳是模塊正常運(yùn)行指示燈引腳，正常運(yùn)行時(shí)是低電平，未正常運(yùn)行時(shí)是高電平。該模塊采用了3.3 V 電源供電。ZigBee 模塊電路如圖4 所示。

圖4 ZigBee模塊電路

2.3 LCD1602顯示屏電路設(shè)計(jì)模塊

顯示模塊采用LCD1062 顯示屏，它是字符型顯示屏，只能顯示數(shù)字、字母和符號(hào)。

2.4 蜂鳴器電路設(shè)計(jì)模塊

蜂鳴器電路中采用三極管作為鳴響控制器。三極管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，當(dāng)基極的高電平使三極管導(dǎo)通時(shí)，就會(huì)發(fā)出聲音。當(dāng)基極的低電平使三極管截止時(shí)，蜂鳴器停止鳴響。

2.5 CO2監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)模塊

CO2監(jiān)測(cè)電路采用SGP30 模塊實(shí)現(xiàn)，此模塊用于室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)，它是將多個(gè)傳感元件集成在一個(gè)芯片上的金屬氧化物氣態(tài)感應(yīng)器，能提供空氣質(zhì)量的詳細(xì)信息，包括CO2和揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC 的含量。

2.6 溫濕度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)模塊

溫濕度監(jiān)測(cè)電路采用DHT11 數(shù)字型溫濕度傳感器采集大棚溫濕度信息，其采用特殊的數(shù)字模塊采集技術(shù)和濕度傳感技術(shù)，是一個(gè)溫度和濕度復(fù)合感應(yīng)數(shù)字信號(hào)輸出模塊。

2.7 土壤濕度和光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)模塊

系統(tǒng)采用光敏電阻和土壤濕度傳感器采集土壤濕度和光照強(qiáng)度，并通過ADC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)據(jù)送單片機(jī)處理。ADC0832 是一個(gè)八位分辨率的A/D 轉(zhuǎn)芯片。其高分辨率可達(dá)256級(jí)，能滿足模擬量轉(zhuǎn)化的一般要求。當(dāng)ADC0832 不工作時(shí)，它的CS 輸入端為高電平，此時(shí)芯片被禁用；進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)化時(shí)，CS 使能終端必須設(shè)置在低電平，直到轉(zhuǎn)換完成。

光敏電阻器是一種利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的電阻，其電阻值隨入射光強(qiáng)度的改變而改變，又稱光電導(dǎo)探測(cè)器。當(dāng)入射光強(qiáng)時(shí)，電阻減少，而當(dāng)入射光弱時(shí)，電阻增大。土壤濕度傳感器又被稱為土壤水分傳感器，不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成了土壤水分傳感器，適用于長(zhǎng)時(shí)間埋在土壤里，可用于深層土壤水分的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和在線測(cè)量。與數(shù)據(jù)采集器相結(jié)合，可作為定點(diǎn)監(jiān)測(cè)或移動(dòng)測(cè)量工具，測(cè)量土壤體積含水量。土壤濕度和光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)電路如圖5所示。

圖5 土壤濕度和光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

該設(shè)計(jì)所用到的編程軟件為Keil5，它比其他軟件編程環(huán)境更輕、更快、更易于操作[14-15]。Keil5 支持各種芯片，包括51 單片機(jī)、STM32、HC32、NXP等，可生成通過刻錄器直接燒錄到單片機(jī)的HEX 文件。此外，Keil5 編譯有三種方式，分別是Translate、Build和Rebuild，為開發(fā)人員提供更多的選擇，編譯結(jié)果顯示在界面的底部，方便開發(fā)人員查找錯(cuò)誤[16]。

3.2 主程序流程設(shè)計(jì)

在主程序中首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入while 主循環(huán)，在主循環(huán)中，首先進(jìn)入第一個(gè)按鍵函數(shù)，該函數(shù)主要分為兩部分，第一部分為調(diào)用按鍵掃描函數(shù)獲取按鍵鍵值，第二部分通過鍵值進(jìn)行相應(yīng)的處理操作，比如切換界面，調(diào)整溫度、濕度、土壤濕度、光照、二氧化碳閾值等；接著進(jìn)入第二個(gè)監(jiān)測(cè)函數(shù)，該函數(shù)主要通過溫濕度監(jiān)測(cè)模塊、土壤濕度監(jiān)測(cè)模塊、光照監(jiān)測(cè)模塊、二氧化碳監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)當(dāng)前的溫度、濕度、土壤濕度、光照和二氧化碳值；最后進(jìn)入第三個(gè)顯示函數(shù)，該函數(shù)通過不同的顯示標(biāo)志位顯示不同的界面，包括主界面顯示當(dāng)前的溫度、濕度、光照、土壤濕度、二氧化碳值，其他界面顯示溫度閾值、濕度閾值、土壤濕度閾值、光照閾值、二氧化碳閾值等，系統(tǒng)的主流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)主流程圖

3.3 按鍵函數(shù)流程設(shè)計(jì)

按鍵設(shè)置函數(shù)首先通過按鍵掃描函數(shù)，獲取按鍵按下的鍵值，通過不同的鍵值，進(jìn)行相應(yīng)變量的改變。如果獲取的鍵值為1，則進(jìn)行界面切換。如果獲取的鍵值為2，在界面1且溫度閾值小于40 ℃時(shí)，溫度閾值+1；在界面2且濕度閾值小于閾值最大值99%時(shí)，濕度閾值+1；在界面3 且光照閾值小于閾值最大值99%時(shí)，光照閾值+1；在界面4且土壤濕度閾值小于閾值最大值99%時(shí)，土壤濕度閾值+1；在界面5且二氧化碳閾值小于閾值最大值500時(shí)，二氧化碳閾值+1。如果獲取的鍵值為3，在界面1且溫度閾值小于40 ℃時(shí)，溫度閾值-1；在界面2 且濕度閾值小于閾值最大值99%時(shí)，濕度閾值-1；在界面3且光照閾值小于閾值最大值99%時(shí)，光照閾值-1；在界面4且土壤濕度閾值小于閾值最大值99%時(shí)，土壤濕度閾值-1；在界面5且二氧化碳閾值小于閾值最大值500時(shí)，二氧化碳閾值-1。

3.4 顯示模塊流程設(shè)計(jì)

顯示模塊流程如圖7 所示，系統(tǒng)通過不同的顯示標(biāo)志位顯示不同的界面。當(dāng)界面為0時(shí)，顯示當(dāng)前環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度、光照值、土壤濕度和二氧化碳值；當(dāng)界面為1時(shí)，顯示之前設(shè)置好的溫度閾值；當(dāng)界面為2時(shí)，顯示之前設(shè)置好的濕度閾值；當(dāng)界面為3時(shí)，顯示之前設(shè)置好的光照閾值；當(dāng)界面為4時(shí)，顯示之前設(shè)置好的土壤濕度閾值；當(dāng)界面為5時(shí)，顯示之前設(shè)置好的二氧化碳閾值。

圖7 顯示模塊流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 硬件測(cè)試

在進(jìn)行硬件測(cè)試時(shí)，首先檢查電路是否連通，經(jīng)檢測(cè)電路正常運(yùn)行，電源正常供電。然后測(cè)試網(wǎng)絡(luò)是否可以連接，首先給從機(jī)供電，然后按下從機(jī)復(fù)位鍵S1 讓系統(tǒng)初始化，當(dāng)從機(jī)D1 和D2 兩個(gè)指示燈變亮，說明從機(jī)已經(jīng)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)；接著給主機(jī)供電，當(dāng)主機(jī)D1 和D2 兩個(gè)指示燈變亮，說明主機(jī)與從機(jī)之間運(yùn)行正常已經(jīng)連上網(wǎng)絡(luò)了。

系統(tǒng)正常運(yùn)行后，LCD1602 顯示屏分兩行顯示內(nèi)容，第一行從左到右分別是溫度、濕度和光照強(qiáng)度，第二行從左到右分別是土壤濕度、二氧化碳濃度。當(dāng)系統(tǒng)供電正常運(yùn)行后，由于光照強(qiáng)度一般情況下會(huì)比設(shè)置的閾值高，蜂鳴器會(huì)進(jìn)行報(bào)警處理，測(cè)試時(shí)擋住光照傳感器，蜂鳴器就會(huì)停止報(bào)警并且可以觀察到LCD1602 顯示屏上光照強(qiáng)度的參數(shù)明顯降低；土壤濕度傳感器和溫濕度傳感器隨環(huán)境變化采集到的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生變化并顯示在顯示屏上。

4.2 軟件測(cè)試

該文使用Keil5 來編譯和調(diào)試代碼，測(cè)試代碼能否正常運(yùn)行，有沒有指令使用錯(cuò)誤以及語法錯(cuò)誤等。經(jīng)過測(cè)試可以看到程序錯(cuò)誤為零，警告為零。

系統(tǒng)用Proteus 7 Professional 軟件進(jìn)行仿真測(cè)試，觀察系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。經(jīng)過測(cè)試，仿真軟件中系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能，且通過仿真按鍵進(jìn)行控制，各項(xiàng)參數(shù)都發(fā)生變化。

5 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從環(huán)境中采集實(shí)時(shí)的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土壤濕度數(shù)值，并通過ZigBee 自組網(wǎng)絡(luò)傳輸，在顯示屏上顯示出來，還可以通過按鍵進(jìn)行閾值設(shè)置實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。實(shí)驗(yàn)表明，基于ZigBee 的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確保了農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，有效地調(diào)節(jié)了溫室大棚環(huán)境參數(shù)，避免了災(zāi)害損失，同時(shí)為溫室大棚環(huán)境的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供了參考。