基于ZigBee的溫室監控系統設計

摘 要：隨著網絡通訊技術的快速發展，物聯網技術在農業領域的應用受到了社會的廣泛關注。針對傳統溫室環境監測系統存在的不足，設計了基于ZigBee的溫室監測系統，并闡述了信息化智能溫室應用系統的體系結構控制流程和關鍵技術。

關鍵詞：信息化溫室；自動控制；ZigBee

中圖分類號：TM715 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-01

我國的農業普遍存在科技含量低、勞動強度大、生產水平和效益低下等缺點。發展信息化農業，把成本低、效率高、自動化的設備用于農業信息采集和監測，可以推進農業現代化。針對傳統的溫室監控系統一般采用基于RS485總線或CAN總線的有線通信方式，存在成本高、故障率和誤報警率較高、難于維護和擴展性能差等問題。而無線通信技術中，ZigBee網絡類似于GSM或CDMA網絡，與GSM和CDMA網絡的不同之處在于其網絡的建立主要是用于工業控制現場自動化的數據傳輸。通訊距離可以從標準的幾十米到幾百米、幾千米，且支持無限擴散。在整個網絡中，每個設備之間可以彼此通信，每個節點間的距離可以無限擴展。ZigBee相比紅外、藍牙、Wi-Fi、UWB等具有低功耗、低成本、組網靈活的優勢，適用于需要大量節點、節約能耗且對數據傳輸速率要求不是很高的網絡。為此設計了一種基于ZigBee的溫室監控系統，可實現對土壤、水肥、作物生長和病蟲災害等信息的實時精確測量，為灌溉施肥、病蟲防治和作物收種等工作帶來巨大便利。

一、系統方案設計

基于ZigBee的溫室監控系統主要由三部分組成，包括傳感網絡部分，通過在溫室中布置大量的無線傳感器節點作為溫度、濕度等信息的接收方，實時地傳回整個溫室的信息，系統采用ZigBee節點將數據傳送到網絡節點；第二部分是數據匯集中心，在接收到傳感網絡部分的數據信息后，采用GPRS技術將數據信息傳遞到遠程監控中心；第三部分是溫室溫度監控中心，該中心通過接收的的數據與事前制定好的指標進行對比分析，從而做出相應的判斷。

二、技術路線及系統實現

ZigBee無線傳感器網絡的核心是ZigBee RF收發器以及MCU微控制器芯片，根據智能溫室的測控要求，通過分析不同芯片的性能，本項目選用了TI公司最新推出的集成RF和MCU的單芯片系統CC2530作為無線網絡處理器，該芯片相比較之前的CC2430做了改進，可以不用外加功放模塊來擴展通信距離，目前距離已可達到400m，存儲容量最大為256K。

另外，該芯片具有抗干擾性和接收靈敏度極高的RF收發器、高性能且低功耗的8051微控制器內核、系統內可編程閃存、4種不同的低功耗運行模式及其它強大的功能。該芯片電壓范圍較寬（2.0-3.6V）；休眠模式下的電流消耗僅為0.9A，提供外部中斷或RTC喚醒系統；提供模擬和數字外設接口，能滿足無線傳感器節點及路由節點的功能需求。

網絡協調器節點由CC2530芯片構成的主模塊、天線、調試接口、電源模塊、鍵盤、顯示器及RS232/RS485串行總線接口等部分組成。

路由器節點主要由CC2530芯片構成的主模塊、CC2591功放RF前端模塊、天線、調試接口、電源模塊、鍵盤、顯示器等組成。

無線傳感器節點，即網絡終端節點，主要由CC2530芯片構成的主模塊、溫度傳感器及接口電路、濕度傳感器及接口電路、天線、調試接口、電源模塊、鍵盤、顯示器等組成。

系統軟件設計包括SHT 11傳感器溫濕度采集程序設計、DS18B20溫度采集程序設計、ZigBee節點軟件設計，為了提高軟件的通用性和兼容性，ZigBee無線節點控制軟件開發采用了支持ZigBee芯片CC2530的Z-Stack協議棧，開發工具使用IAR Embedded Work bench IDE嵌入式集成開發環境。ZigBee無線節點軟件設計分為節點應用程序編程和ZigBee協議棧兩大部分。節點應用程序的作用是實現節點需完成的具體功能，ZigBee協議棧用于進行ZigBee網絡的通信與數據傳輸。無線傳感器節點將采集的環境數據通過路由器節點送到網絡協調器，協調器通過RS232或RS485總線傳送到監控主機，由主機對數據進行運算、顯示、處理并與設定值比較，控制執行機構工作，實現環境參數的自動控制。主機監控管理軟件使用C++語言和SQL Server 2008數據庫開發。

三、系統測試

在模擬農場的實驗箱環境下對網絡節點進行了為期兩周的穩定性和可靠性測試，本試驗測試系統各節點的拓撲關系設計方案相同，系統由六個終端節點與一個網關節點組成，終端節點呈網格排列部署，且每個終端節點接有溫度、濕度、CO2傳感器，監測數據每20分鐘上傳一次。采用SmartRF Studio對終端節點和網絡節點ZigBee網絡的信號強度和丟包率進行了測試，結果表明100～200m范圍內信號強度沒有明顯差別，在大于150米范圍丟包率出現并增大，因此系統的網絡節點距離為150米。多次隨機選取的某一時間點任一監測節點的環境監測數據，發現利用這些網絡節點可實時獲取各監測節點的各監測數據。證明各監測節點數據經網絡節點上傳正常且有效可靠。

四、結束語

目前，溫室監控系統正向網絡化、分布式、智能控制以及生物信息的處理等方向發展，無線網絡以其獨特的優勢成為自動控制領域的研究熱點。本文討論了一個基于ZigBee的溫室測控系統的設計與實現，該系統是一種低成本的溫度監控系統，充分發揮了ARM及CC2530芯片的優勢，更好地實現了基于無線網絡的溫度遠程監測和控制。實驗室測試表明，所設計的網絡節點具有丟包率低、運行穩定可靠等特點。系統設計功能齊全且便于擴展，有一定的應用推廣價值。

參考文獻：

[1]呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[作者簡介]韓曉霞（1974-），女，河北人，碩士，講師，研究方向：計算機網絡與通信技術。

[基金項目]河北省保定市科學技術研究與發展計劃（項目編號：14ZN026，14ZN016）