基于Zigbee的智能大棚控制系統(tǒng)的研究

楊穎紅,汪力純,毛增闖

（1、南京工程學(xué)院自動化學(xué)院；2、南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院，南京，211167）

基于Zigbee的智能大棚控制系統(tǒng)的研究

楊穎紅1,汪力純2,毛增闖1

（1、南京工程學(xué)院自動化學(xué)院；2、南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院，南京，211167）

本文設(shè)計了一種農(nóng)業(yè)大棚智能控制系統(tǒng)，通過分布于大棚內(nèi)部的各個傳感器節(jié)點采集大棚內(nèi)的各項環(huán)境數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)可以通過液晶觸摸屏實時顯示，也可以利用Zigbee和GPRS無線通信技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程客戶端。遠程客戶端在分析數(shù)據(jù)以后，給節(jié)點發(fā)送控制指令，驅(qū)動各動力設(shè)備，從而調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境因素，以實現(xiàn)大棚的自動化控制。

智能大棚；Zigbee；GPRS

0 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，隨著科技的發(fā)展，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和電子技術(shù)結(jié)合，就逐步形成基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)智能大棚控制系統(tǒng)是一種高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，它將數(shù)字傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)對溫室大棚的智能控制，為農(nóng)作物的生長提供合適的溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環(huán)境氣候條件，使農(nóng)作物可以擺脫自然氣候條件的限制，實現(xiàn)農(nóng)作物的高效、反季節(jié)產(chǎn)出。

本文設(shè)計了一種基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)智能大棚控制系統(tǒng)。通過安裝在大棚內(nèi)的各個傳感器節(jié)點，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集大棚內(nèi)的溫度、濕度、CO2濃度、光照強度、土壤濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)信息。通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)本地各個模塊之間的通信，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程通信，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程客戶端和服務(wù)器，并接收來自于服務(wù)器的控制指令，實現(xiàn)對本地動力驅(qū)動設(shè)備的控制，從而可以調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境，使其更適應(yīng)于農(nóng)作物的生長。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文中設(shè)計的智能大棚控制系統(tǒng)的總體框架由信息感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、智能處理層3層構(gòu)成，圖1是系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

信息感知層分布于大棚內(nèi)部，是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，用于識別物體以及采集信息。信息感知層由一系列傳感器組成，包括有空氣溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2濃度傳感器以及多功能無線數(shù)據(jù)檢測儀等。利用這些傳感器完成數(shù)據(jù)的采集，然后把采集到的數(shù)據(jù)用Zigbee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)傳輸層進行匯集。

在網(wǎng)絡(luò)通信層，把各個傳感器采集的數(shù)據(jù)通過內(nèi)置的GPRS模塊發(fā)送到Internet上，以便實時監(jiān)測，另外還可以通過應(yīng)用層的控制數(shù)據(jù)流再次返回控制相關(guān)設(shè)備的運轉(zhuǎn)，從而達到相互制約和協(xié)調(diào)。

在智能處理層，可以通過智能手機實現(xiàn)大棚內(nèi)數(shù)據(jù)檢測、自動控制等；同時也可以通過電腦和終端一體機連接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；我們的目標(biāo)就是不局限于在某一臺或某一個地方才能實現(xiàn)對大棚進行數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制，而是隨時隨地，手機客戶端就能滿足這個要求。

2 硬件設(shè)計

從控制的方式上來看,系統(tǒng)分為人機界本地控制和遠程控制。本地控制通過接入觸摸屏,由觸摸屏上的人機交互界面實現(xiàn)，本地各個模塊之間的通信選擇比較成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即ZigBee實現(xiàn)。遠程控制可以通過架設(shè)服務(wù)器,遠程網(wǎng)絡(luò)登錄網(wǎng)頁,來控制系統(tǒng)接入的外設(shè),也可以通過GPRS模塊,由移動終端通過網(wǎng)絡(luò)客戶端的方式來控制。

2.1 信息感知層設(shè)計

在整個控制系統(tǒng)中，處于最底層的就是信息感知層，其主要功能是采用布置在大棚內(nèi)的眾多傳感器節(jié)點所組建的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來完成對大棚內(nèi)部環(huán)境信息的采集和監(jiān)測，同時還要將數(shù)據(jù)進行存儲和分析，并完成與無線通信模塊之間接口的對接，能夠根據(jù)通信模塊發(fā)送過來的查詢指令返回正確的數(shù)據(jù)信息。此外，通過分析無線通信模塊發(fā)送過來的控制指令，信息感知層還要完成對所采集的環(huán)境因素進行調(diào)節(jié)的功能，主要是對一些動力驅(qū)動設(shè)備，包括通風(fēng)扇、燈光、加濕器、灌溉設(shè)施、遮陽裝置等的控制。

信息感知層是由單片機核心板加上各種外設(shè)模塊組成。單片機作為核心的處理芯片,通過其內(nèi)部的豐富的GPIO口,連接外圍設(shè)備外圍器件通過輸入信號或輸出信號與實際的控制物品相連。本設(shè)計選擇的單片機芯片要滿足以下幾點：足夠大小的Flash和RAM、方便接入觸摸屏、方便擴展網(wǎng)絡(luò)功能、豐富的外設(shè)接口、性價比高，節(jié)約成本。所以綜上所述，本設(shè)計采用STM32F103ZET6型號的單片機作為系統(tǒng)的核心處理芯片是最適合不過的了。

對于傳感器部分，本設(shè)計需要有溫度傳感器，濕度傳感器，光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2濃度傳感器等傳感器模塊。在選擇時選擇實用，且性價比較高的模塊。

對于溫度傳感器，室溫的檢測我們選用DS18B20，可測溫度為-40℃到120℃。滿足日常生活測溫需要，且該溫度傳感器為數(shù)字式單總線傳輸方式，占用核心控制芯片一個IO口，節(jié)省核心控制芯片的接口。DS18B20的單總線上拉4.7K電阻，電源與地之間加104電容去噪穩(wěn)壓。

濕度傳感器，采用應(yīng)用比較廣泛的HS1101濕度傳感器，基于555穩(wěn)態(tài)電路的硬件設(shè)計下可以輸出相應(yīng)頻率的波形，方便程序?qū)穸葦?shù)據(jù)的提煉。對于硬件也方便設(shè)計者進行硬件上的檢測。

圖2 信息感知層硬件框圖

土壤濕度傳感器采用YL-69,這是一個簡易的水分傳感器可用于檢測土壤的水分，表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應(yīng)面積，可以提高導(dǎo)電性能，防止接觸土壤容易生銹的問題，延長使用壽命。采用三線制，接線簡單，只要把VCC接電源，GND接地，D0接到單片機即可。可以通過電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)閾值，濕度低于設(shè)定值時，D0輸出高電平；高于設(shè)定值時，D0輸出低電平。當(dāng)土壤缺水時，傳感器輸出的模擬值將減小，反之將增大。傳感器表面做了金屬化處理，可以延長它的使用壽命。將它插入土壤，然后使用AD轉(zhuǎn)換器讀取其采集的數(shù)據(jù)。

光照強度傳感器采用數(shù)字光強度檢測模塊GY-30，GY-30采用ROHM原裝BH1750FVI芯片供電電源3-5v光照度范圍：0-65535 lx傳感器內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器直接數(shù)字輸出

CO2濃度傳感器采用MG811型CO2氣體傳感器，它對CO2有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響較小，良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。經(jīng)常用于空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)、發(fā)酵過程控制、 溫室CO2濃度檢測等應(yīng)用場合。

信息感知層模塊還需要完成對動力驅(qū)動設(shè)備的控制，主要包括通風(fēng)扇、燈光、加濕器、灌溉設(shè)施、遮陽裝置等的控制。通過解析客戶端發(fā)送過來的控制命令，完成對各個動力驅(qū)動模塊的控制。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信層設(shè)計

除了通過各個傳感器來檢測信號以外，還需要為各個節(jié)點設(shè)計合適的通信方式。本地通信可以實現(xiàn)各個節(jié)點與核心控制模塊的信息的交流以及控制，采用Zigbee無線通信的方式來實現(xiàn)。要求低功耗，高穩(wěn)定性的無線數(shù)據(jù)傳輸特點，所以本設(shè)計選著使用CC1101芯片作為本地通信的核心芯片。CC1100 是一種低成本真正單片的UHF 收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。電路主要設(shè)定為在315、433、868 和915MHz 的ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段，也可以容易地設(shè)置為 300-348 MHz、400-464 MHz 和800-928 MHz 的其他頻率。

遠程通信部分可以采用基于GPRS的無線遠程數(shù)據(jù)收發(fā)以及控制。然而國內(nèi)GPRS模塊做的比較出色，且有較多應(yīng)用經(jīng)驗的也就只有華為公司的GPRS模塊性價比相對較高。所以在進行一定的比對后我們在GTM900和EM310二選一。在性能上EM310作為GTM900的升級版相對較好，所以我們采用了EM310作為本設(shè)計的遠程通信的硬件設(shè)計基礎(chǔ)。

圖3 軟件流程圖

2.3 智能處理層設(shè)計

本系統(tǒng)可采用手機、PC 機等終端作為主要客戶端，主要通過 web 訪問的方式來完成對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)訪問及獲取。當(dāng)用戶首次訪問系統(tǒng)時，首先需要注冊用戶，用戶可以通過手機或者電腦的客戶端發(fā)起注冊請求，當(dāng)服務(wù)器收到注冊請求之后，會對其用戶名、密碼等基本信息進行處理，并且返回注冊的結(jié)果；若該用戶注冊成功，則系統(tǒng)中的服務(wù)器會為用戶生成唯一的 Id，并將該用戶的相關(guān)信息登記到該服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，若不成功返回用戶注冊失敗信息。當(dāng)用戶注冊成功之后，即可使用該用戶名和密碼來訪問系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，用戶可以對大棚內(nèi)的各個環(huán)境數(shù)據(jù)進行訪問和查詢。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計思路是先由主控制臺即上位機發(fā)出信號給核心芯片，核心板通過AT指令來解析這段程序，然后將解析完的指令發(fā)給各個節(jié)點模塊，可能是光照強度模塊，也可能是濕度傳感器模塊，接著各個模塊返回指令給核心板，核心板再次解析數(shù)據(jù)，最后發(fā)給上位機。軟件流程圖如下圖3所示。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)智能大棚控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對溫度、濕度、CO2濃度、光照強度、土壤濕度等信息的檢測與控制，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，通過Zigbee組網(wǎng)方式簡單靈活等特點。

本系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集大棚內(nèi)的各項環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息通過無線通信的方式及時傳輸給用戶，用戶通過手機或者PC機的客戶端可以及時了解大棚內(nèi)的環(huán)境情況，并根據(jù)需要加以控制，從而避免了人為的一些疏忽所造成的損失。該系統(tǒng)不追求復(fù)雜的功能和絢麗的外觀,主要著眼于簡單實用、使用方便、價格低廉等特性，具有一定的實際應(yīng)用價值。

[1] 黃偉鋒，葉祥.溫室環(huán)境多點數(shù)據(jù)嵌入式智能監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究，2010,32（6）：133-136

[2] 蔣錄全.信息生態(tài)與社會可持續(xù)發(fā)展[M].北京：北京圖書館出版社，2003

[3] 陸楠，郭勇.基于ZigBee技術(shù)的無線大棚溫濕監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（15）：98-100

[4] 蔣鼎國，徐保國，王明勝.基于GPRS的遠程溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（13）：160-162

[5] 張毅剛.單片機原理及接口技術(shù)（C51編程）[M].北京：人民郵電出版社，2011

[6] 高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實踐教程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2009

楊穎紅：女，1978年2月出生，講師，碩士，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用，電話：13512546487

汪力純：男，1975年11月出生，講師，碩士，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用，電話：13372021002

毛增闖：男，1989年12月出生，本科，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用

走到我們的中間來，為我們吃上這香甜的小灶，為我們青年教師的人生和今后副教授職稱的評審打下了堅實的基礎(chǔ)，為我們樹立的光輝偉大的科研榜樣，榜樣的力量是無窮的，科研的理想也是會慢慢實現(xiàn)的，經(jīng)過一代又一代炎黃子孫的奮進，我們的夢想一定能夠?qū)崿F(xiàn)，科技強國，知識經(jīng)濟的時代已經(jīng)到來了，我們的人體通過透明體子的虛擬學(xué)研究，會對更多的疾病帶來福音，會給我們的人類健康史一份滿意的答卷。會上我們是幸福和諧的一家人，會議技術(shù)我們會更加融合在導(dǎo)師的左右，做我們傾盡所能研究這些項目的子項目。

作者簡介

聶丹（1980-）女，工程碩士，研究方向：虛擬技術(shù)、計算機技術(shù)、透明體高分子、教育社會學(xué)

劉波（1979-）男，工程碩士，研究方向：高校德育教育、虛擬技術(shù)、計算機技術(shù)、透明體高分子、教育社會學(xué)、

Research on the control system of intelligent greenhouse based on Zigbee

Yang Yinghong1,Wang Lichun2,Mao Zengchuang1
(School of automation, Nanjing Institute of Technology1,nanjing,211167)

In this paper,we design a kind of control system of agricultural greenhouse intelligent.In this system,we can collect the environmental data by various sensors distributed in the greenhouse.The collected data can be real time displayed in touch screen and also be sent to the remote client by Zigbee and GPRS wireless communication technology.After analyzing data,the remote client can send control commands to nodes and then drive power equipment.After that,we can regulate the environmental factors in the greenhouse, and then we can realize automatic control of greenhouse.

Intelligent Greenhouse;Zigbee;GPRS

項目來源：江蘇省大學(xué)生科技創(chuàng)新項目，項目號：201311276020z