基于cc2530的溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

盛凱 于會山

摘要：分析了目前我國溫室大的棚發(fā)展現狀，針對傳統(tǒng)溫室大棚監(jiān)控的不足，本文設計了基于ZigBee技術的溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)，采用ZigBee無線通信節(jié)點解決了傳感器之間繁瑣的布線問題，通過無線傳送把溫室大棚內的空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度和光照度數據上傳到監(jiān)控中心，能讓工作人員第一時間了解溫室大棚的情況，以便及時做出應對措施。

關鍵詞：CC2530；ZigBee;無線監(jiān)測；溫室大棚農業(yè)溫室大棚作為重要的農業(yè)基礎設施，在現代化農業(yè)生產中發(fā)揮著巨大作用。目前傳統(tǒng)的農業(yè)溫室大棚監(jiān)測，多采取分時、分區(qū)取樣的人工方法，由于溫室大棚面積大，檢測目標比較分散，導致工作量大，可靠性差；有線型布線方式，這類布線方式存在安裝困難，而且存在后期升級難度大，重復利用度低等多種問題。溫室大棚內的農作物在生長過程中需要的環(huán)境因子很多，適宜的溫度、濕度、光照強度以及CO2濃度是農作物實現優(yōu)質和高產的關鍵。本設計基于ZigBee技術的溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測溫室大棚內的溫濕度、光照強度、CO2濃度等數據，從而對溫室大棚內的環(huán)境進行及時控制，有效地控制大棚內作物在生長過程中需要的水分、通風以及溫度等，使溫室大棚內的環(huán)境條件能夠適宜作物的生長。該系統(tǒng)以ZigBee技術構建的無線傳感器網絡為基礎結合遠程訪問應用程序，對溫室大棚進行遠程管理和控制。

1系統(tǒng)的總體結構設計

系統(tǒng)主要由3部分構成，分別是數據采集部分，無線數據傳輸部分和監(jiān)測部分。數據采集由空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2傳感器和光照度傳感器組成。無線傳輸部分包括ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調器。終端節(jié)點連接各種傳感器，用來采集接收數據；協(xié)調器負責ZigBee網絡的組建和接收到數據以后，利用UART串口，將數據傳遞給中央計算機。監(jiān)測部分的界面采用LabVIEW編寫，用來處理和顯示接收到的數據信息。在整套系統(tǒng)中，由溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器和光照度傳感器負責采集數據，數據采集后，由ZigBee終端節(jié)點經由ZigBee網絡傳送到ZigBee協(xié)調器上，最終協(xié)調器把數據通過串口傳輸到監(jiān)控中心計算機上，并在監(jiān)控界面顯示出來。

2硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點模塊

要監(jiān)測溫室大棚內環(huán)境因子數據，需通過傳感器實現。傳感器是一種檢測裝置，它能夠將檢測到的信息通過一系列有規(guī)律的變化成為電信號或其他所需的信號，因此可以滿足人們對信息進行傳輸、儲存、顯示等要求。在溫室大棚的應用上，由于需要采集溫度、濕度、CO2濃度和光照強度四種環(huán)境因子的數據，因此傳感器的環(huán)境適應性目標有以下三點：(1)工作時溫度范圍在-20-60℃；(2)濕度5%~95%，非凝結；(3)傳感器防護等級IP65以上。

2.1.1 空氣溫濕度傳感器模塊

溫度是提供作物生長的最基本的要素，通過影響酶的活性來可以影響作物的各種生理性活動，對作物生理性改變有著很重要的影響。本設計采用數字式溫度傳感器，無需校準和標定。DHT 11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術以及溫濕度傳感技術，確保產品非常可靠和具有長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件；并和一個高性能8位單片機相連接己因此該產晶具有超快響應、品質卓越、抗干擾能力強、性價比超高等一些優(yōu)點。

2.1.2 土壤濕度傳感器模塊

土壤的濕度直接決定著農作物在生長過程中的水分供應狀況。土壤濕度超過正常范圍，作物的光合作用不能正常進行，農作物根系呼吸、生長基本活動受到阻礙，作物的產量和品質下降。本系統(tǒng)采用HS1101解決濕度測量方案。

2.1.3 CO2傳感器模塊

大氣中CO2濃度一般為300-330mg/L，在冬春設施蔬菜生產中，為了大棚的保溫，溫室大棚會缺少氣體交換，中午的CO2濃度會下降，甚至低于補償點，二氧化碳處于虧損狀態(tài)。在每畝(1300立方米)的標準大棚里二氧化碳濃度達到900mg/L，可以達到大棚蔬菜的需求。市場上常用的氣體傳感器主要分為半導體式傳感器、紅外線吸收式傳感器等。紅外線吸收式傳感器一般具有靈敏度高、控制范圍大、響應時間快等特點，但相對來說，價格相對有點貴。考慮到溫室大棚的環(huán)境因素，最終選擇了測量精度高、技術成熟的二氧化碳氣體濃度傳感器60040。

2.1.4 光照度傳感器模塊

在溫室大棚的光照調控主要是增加光照強度，一般大棚內的光照強度下降到1000勒克斯時，就應該補光。根據溫室內作物對光照強度的要求，光照度傳感器型號為GY-30，采用的是先進的電路模塊開發(fā)變送器來實現對環(huán)境的光照強度的測量，其輸出信號為標準的電壓及其電流信號，具有體積小、安裝方便、線性度好、抗干擾能力強和量程可調的特點，廣泛用于環(huán)境、養(yǎng)殖、溫室和建筑等的光照強度測量。

2.2 無線傳輸模塊

當數據采集完成以后，就要利用無線傳輸網絡，將數據傳遞給監(jiān)測中心計算機。ZigBee無線傳輸網絡主要由ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調器組成。終端節(jié)點是數據采集源，實現加入、退出網絡的功能；協(xié)調器是整個網絡的中心負責網絡組建和數據配置。ZigBee網絡拓撲結構主要有3種類型，分別是星型結構，網狀結構和樹狀結構。這里我們采用星型拓撲結構，星型網絡相比于樹型網絡而言，僅需要一個網絡協(xié)調器就可以進行數據的轉發(fā)與組網，其他設備都是子設備，降低了網絡復雜性，節(jié)約了成本;從供電角度上說，在星型網絡中僅需要一個網絡協(xié)調器，使用持續(xù)的電力供電，而其它的設備均采用電池供電，節(jié)約了大量電資源;星型網絡與網狀網絡結構相比其網絡組建相對要更加的簡單、易于實現。

ZigBee技術中定義了2種類型物理設備:精簡功能設備(RFD)、全功能設備( FFD)。FFD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸，通常擔任網絡協(xié)調器來組建網絡，又稱為匯聚節(jié)點。RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息，作為終端節(jié)點用于采集數據。

市場上符合ZigBee標準的射頻芯片有很多種，考慮到設計溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的價格和特點，選用的是CC2530芯片。它是一款用于用2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節(jié)點。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。

3軟件設計

在軟件方面，采用IAR Embedded Workbench集成開發(fā)工具作為CC2530的編程工具。系統(tǒng)軟件設計是在硬件的基礎上進行相應的軟件開發(fā)，實現傳感器采集數據、發(fā)送數據到相應的設備和上位機顯示數據等功能。系統(tǒng)軟件設計按照實現功能的不同可以劃分為終端設備數據采集、協(xié)調器設備數據管理和上位機顯示軟件設計3大部分。

終端節(jié)點程序流程框圖如圖4所示。數據終端采集節(jié)點，主要是負責與溫度傳感器等多個傳感器協(xié)同工作，將經由傳感器采集到的溫度、濕度、CO2濃度和光照強數據發(fā)送到數據協(xié)調器。

協(xié)調器是整個ZigBee網絡的中心，負責組建網絡，調度協(xié)調各個節(jié)點，協(xié)調器主程序首先是初始化內部設備和外部設備，然后進入循環(huán)程序，等待數據的到來，圖5為協(xié)調器主節(jié)點軟件流程圖。

運行在PC端的上位機軟件使用的是LabVIEW軟件編寫而成。通過PC串口，程序接收到協(xié)調器發(fā)送的一串數據包之后，讀取串口數據，并對采集的數據進行處理并顯示在界面上，從而用戶可以對溫室大棚進行全天候的實時監(jiān)控。

4 結束語

本研究介紹了溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設計，采用ZigBee技術構建的無線傳感器網絡克服了有限傳感器網絡的局限性，具有低成本、低功耗的特點。利用傳感器和無線傳輸技術相互結合，操作方便實用，系統(tǒng)價格低廉，技術成熟，穩(wěn)定性強，具有非常廣闊的應用前景。

[參考文獻]

[1]王新坤,李紅.我國溫室的研究現狀與發(fā)展趨勢[J].排灌機械工程學報，2010,28（2):179-184.

[2]袁志強.基于ZigBee技術的溫室人棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].江蘇農業(yè)科學，2012,40(11):396-397.

[3]郭淵博.ZigBee技術與應用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2010.

[4]江朝暉,焦俊,等.基于ZigBee的農業(yè)通用無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].安徽農業(yè)科學，2010,38(6):3149-3151.

[5]孫程光.基于無線傳感器網絡的智能溫室系統(tǒng)設計[J].天津工程師范學院學報，2007,17(4):19-22.

[6]邵曉娟.基于LabVIEW的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電子世界. 2013,12(02):104-105.