基于Zigbee的草莓栽培溫室大棚系統設計

重慶城市職業學院 楊 敏

?

基于Zigbee的草莓栽培溫室大棚系統設計

重慶城市職業學院 楊 敏

【摘要】隨著農業技術和信息技術的發展，草莓逐漸采用智能溫室大棚內栽培，不僅提高產量，還能方便管理，本文基于ZigBee技術，設計了一個智能溫室信息監控和管理大棚，實現了對草莓的遠程監控和管理。

【關鍵詞】ZigBee；無線傳感網；溫室大棚

0 前言

草莓的生長周期較長，跨越秋、冬、春三個季節，生長環境中的土壤水分、溫度、濕度、通風、采光及二氧化碳等對其影響較大，都采用溫室大棚栽培，方便掌握和調節環境中各項生長環境指標，適應其生長。目前，隨著政府對“三農問題”的重視，給予農戶較大的經濟補貼，推動溫室大棚逐漸規范化、標準化、信息化和科學化。溫室基本使用了現代化管理模式，在大棚中安裝了較多監控和管理的設施設備，如外遮陽簾、側窗、通風機、暖風機、澆灌電磁閥、攝像頭等，這些設備通過傳統的人工操作，不僅給生產帶來嚴重不便，也不能準確把握草莓生長環境，將帶來生產力低下、生產質量較差。為了實現利用物聯網技術，精確掌握和調節大棚的環境中各項生長環境指標，提高生產力，提高經濟效益，需要建立智能監控系統，通過溫度、濕度等傳感器實時采集大棚環境各項數據，通過ZigBee技術，將采集的信息同步傳到計算機或智能終端，實時監控和查詢各項指標，實時控制各個智能設備。

1 系統整體設計

物聯網的核心是實現人與物、物與物之間溝通，通過感知設備識別物體、采集信息，通過移動通信網、無線傳感網等網絡通信技術，傳輸到終端，進行各類系統信息處理，并通過各種設備與人進行交互。

圖1所示本系統為智能溫室系統框架結構圖。通過各種智能傳感器等檢測設備對大棚內的草莓生長所需環境進行感知。對傳感器取得的檢測數據采取Zig Bee無線通信協議進行組網。數據傳輸層由匯聚節點（網關節點）和4G通信網絡組成，負責傳感器節點采集信息的收集、存儲和傳輸，同時負責上層指令的收發，遠程參數設置等功能。應用層構建在互聯網上，由服務器、管理控制軟件系統組成，服務器負責收集和存儲來自各匯集點的信息，管理控制系統負責數據的匯總、分析、查詢和統計以及用圖表等方式直觀表達等，同時根據需要下達控制指令，啟動和關閉硬件系統。

圖1 智能溫室系統框架

頂部遮陽簾、側窗、通風機、暖風機以及澆灌電磁閥等智能設備通過管理控制指令完成。頂部遮陽簾的主要作用是調節大棚內的溫度，白天根據光照強度，是否啟動電機，打開或關閉遮陽簾，夜間室外溫度降低，保持大棚溫度，需要關閉遮陽簾。通風機、暖風機和側窗的主要作用可以調節空氣溫濕度、調節二氧化碳濃度等，對于偏離標準值不大的情況下，可以通過控制側窗實現，當偏離值較大時，啟動風機調節，而暖風機主要是升高溫度使用。澆灌電磁閥主要作用控制澆灌設備，土壤的溫濕度偏離草莓生長土壤標準時，啟動設備，改善土壤溫濕度。

2 硬件設計

硬件設備主要包括傳感器、網關節點、傳感節點、控制節點以及自動控制系統設備。

2.1 傳感器

傳感器主要是土壤溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、空氣溫濕度及光照傳感器，根據草莓對環境指標的需求，選擇合適的傳感器。土壤溫濕度傳感器選用SWR-100W，測量量程：0～100%；-30℃～70℃。測量精度：0 ～50%（m3/m3）范圍內為±2%（m3/m3）；±0.2℃。二氧化碳傳感器選用 ST-CO2， 響應時間：<90s，精度：±3%F?S（25℃）、工作溫度：0℃～70℃、工作濕度：0 ～95%RH。空氣溫濕度傳感器選用HRTM130，使用溫度范圍：0～60℃，使用濕度范圍：95%RH以下，濕度檢測范圍：20～90%RH，儲存溫度范圍：－20～70℃，儲存濕度范圍：95%RH以下（非凝露），濕度檢測精度：±5%RH （30%RH～90%RH，5℃～50℃）。光照傳感器選用FMGZ，光線范圍：0～200Klux，反應時間：1秒，環境溫度：-30～70℃，精度：±3%。

2.2 節點

系統的節點主要由傳感器節點和控制器節點組成，在本系統中，無線數據收發芯片采用CC2630，它含有一個32位ARM Cortex-M3處理器，與主處理器工作頻率同為48MHz，具有豐富的外設功能集，包括一個獨特的超低功耗傳感器控制器，適用于在系統處于休眠模式時連接外部傳感器和/或自主采集模擬和數字數據。傳感器節點的硬件包括外圍電路、串口電路以及接口。控制器節點包括電源、CC2630核心板接口、步進電機、風機等。

3 軟件設計

3.1 節點軟件設計

傳感器節點的任務是采集數據并響應來自匯聚節點的查詢或控制命令。節點通過周期性地采集數據，設定時間間隔，通過定時器來實現中斷，而對查詢和控制命令采取信號中斷響應的方式。應用程序設計基于TinyOS操作系統，將TinyOS移植到CC2630芯片上。根據需要，修改TinyOS源碼，編譯成可執行的文件格式，存到芯片閃存中，實現無線傳感網絡的通信功能。

3.2 服務器通信設計

使用C#Winsock完成網關節點傳輸的數據的解析、處理、存儲和分析。利用J2EE開發Win Service異步數據處理服務進程程序，數據庫采用SQL Server 2010。服務進程安裝在服務器上，可持續堅挺各個接口。

3.3 操作界面設計

操作界面采用方便在計算機上和智能手機上隨時使用的B/S構架和C/S架構，基于J2EE開發。在將傳輸回來的信息以形象、直觀的圖表方式展示給管理者，同時也實現管理者授權管理、系統信息設置、各類自動化設備控制、傳感器數據匯總以及傳感器數據實時展示。

在實現這些功能后，管理者經授權登錄系統后，可以查看大棚和歷史環境數據，也可根據當前大棚的各項指標情況，啟動冷風、暖風、側窗、遮陽簾以及補償水分等，實現大棚精確控制，滿足草莓生長的合適環境。

4 結語

智能溫室大棚控制系統經過測試，運行穩定，完全符合各項指標要求。隨著溫室大棚的應用推廣和普及，可以由企業直接開發成套系統，不需要各自設計開發，不僅節約開發成本，還方便后續系統維護。廠家只需要根據農作物需求指標，界面化調整相關參數就能使用，這也是將來研究和發展方向。

參考文獻

[1]趙建強.基于物聯網的農業大棚信息感知系統設計[J].物聯網技術,2015(09):32-33,37.

[2]李樹江,等.基于CC2430的溫室大棚信息采集系統設計[J].微型機與應用,2012(19):31-34.

[3]趙悅,程躍.基于ZigBee的溫室測控系統設計[J].實驗室研究與探索,2014(12):131-134.

[4]潘金珠,等.基于物聯網的溫室大棚系統設計[J].傳感器與微系統,2014(10):51-53,57.

楊敏（1981—），男，研究生，講師，主要研究方向：網絡安全、智能信息系統。

作者簡介：