基于ZigBee和GPRS的溫室群監測系統設計

孫茂澤 張愛麗 王來剛 劉團寧

摘要：針對傳統溫室檢測系統傳輸速率低、成本高、穩定性差等問題，設計了一種基于ZigBee和GPRS的溫室群監測系統。該系統利用ZigBee無線傳感器技術采集環境參數，通過移動通信網絡發送到用戶手機，用戶使用應用軟件APP查看相關數據，采取相應操作。實地驗證表明，該系統顯示數據穩定準確，使用簡單方便，滿足系統需求。

關鍵詞：智能溫室；ZigBee無線網絡；傳感器；GPRS

DOIDOI：10.11907/rjdk.161113

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0126-03

0 引言

智能溫室群已廣泛應用在現代農業種植中。以往的溫室環境檢測需要埋設大量線纜，不僅影響作物耕作，而且增加投入成本，加大了維護難度[1-3]。袁洪波等[4]利用GPRS技術實現了溫室環境參數的無線監測，但存在傳輸速率較慢、信道不穩定等問題。而基于ZigBee的無線傳感器網絡技術，傳輸穩定、功耗低、距離遠，適用于溫室環境監測。本文設計了一種基于ZigBee和GPRS的溫室群監測系統，該系統可以遠程動態監測各溫室大棚內的溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳含量等參數，用戶可以根據參數變化及時作出調控，使溫室環境更好地滿足作物的生長需要。

1 系統總體設計

溫室群環境監測系統主要由數據采集終端、ZigBee子節點、智能主機、ZigBee轉GPRS發射模塊和用戶終端等5部分組成。如圖1所示，采集終端將得到的數據經ZigBee無線網絡發送給智能主機，再由 GPRS發射模塊使用移動通信網絡和用戶終端通信，用戶在移動終端通過應用軟件APP實時獲得溫室的環境信息[5]。

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee采集終端模塊

ZigBee采集終端由核心控制芯片CC2530F256搭配空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器、二氧化碳傳感器和土壤溫濕度傳感器組成，各路傳感器采集的相應數據通過主控芯片完成傳送，如圖2所示。CC2530F256是TI公司研發的一種主控芯片，內核采用加強的單周期8051CPU，配備8KB低功耗靜態內存和256KB的Flash閃存。內置無線射頻模塊，最大功率4.5dbm。通過結合CC2592無線射頻放大電路，無障礙覆蓋范圍可達260m，滿足低功耗下無線收發需求[6-7]。外部由5V直流電源經AMS1117穩壓器轉換電路變為3.3V工作電壓為芯片供電。

空氣溫濕度傳感器：采用CG-01室外溫濕度傳感器，內置高集成溫濕度傳感器芯片，傳輸距離約900m，供電電壓7-24VDC ，實測耗電量15mA，溫度測量精度達±0.4℃，濕度測量精度達±5%，功耗低、穩定性強。

光照強度傳感器：采用QY-150A高精度光照傳感器，光照范圍0-150 000LUX，供電電壓9-24VDC，體積小、精度高、抗干擾能力強。

二氧化碳傳感器：采用KCD-AN100X二氧化碳傳感器，測量范圍0-5 000ppm，實際平均耗電量65mA，采用雙波長紅外線測量，準確度高。

土壤溫濕度傳感器：采用CG-03土壤溫濕度傳感器，12-24VDC電源供電，傳輸線路用環氧樹脂密封，耐腐蝕、性價比高。

CC2530F256電路如圖3所示。

2.2 ZigBee協調器節點模塊

ZigBee協調器節點模塊位于智能主機內部信號接收和傳送部分，是各路采集終端信息傳送的中心，負責信息的接收、處理以及網絡的組建。模塊主要由STM32F407微控制器和集成了CC2530的ZigBee模塊M_SZ8構成，電路結構如圖4所示。

當采集器終端加入組建的ZigBee網絡后，協調器和各采集終端進行“握手”通信，負責協調主機和各終端節點之間的數據通信[8-9]，并存儲和處理采集的信息數據，最后通過GPRS模塊發送給用戶。

2.3 GPRS無線通信模塊

GPRS通信模塊在智能主機內部，連接ZigBee協調器節點模塊，負責將數據通過GPRS移動網絡發送到用戶手機[10]。其核心采用USR-GPRS 232-7S2無線傳輸終端，內部集成TCP/IP協議棧，支持RS232和RS485接口，采用5V/2000mA直流電源供電，是一款具有四頻850/900/1800/1900MHZ的GPRS通信模塊。模塊外圍電路如圖5所示。

3 系統軟件設計

系統軟件主要分為：采集終端軟件、智能主機軟件和用戶手機軟件。采集終端是系統獲取溫室環境信息的始發站，采集終端加入ZigBee網絡后，會進入低功耗待機。當智能主機需要獲取數據時，向采集終端發送一個請求，終端收到請求即進入采集數據狀態，采集完畢后向主機發送數據包。當主機完成數據接收后，采集終端再次待機等待下次請求。軟件流程如圖6所示。

智能主機是系統數據交匯的核心，采用Z-stack-CC2530協議棧開發。智能主機首先會初始化協議棧和各節點并組建網絡，等待各采集終端請求加入網絡；成功組網后，主機進入待機狀態，當需要獲取數據時，主機向采集終端發送數據采集請求并等待接收數據。接收過程完成后，將接收到的數據經過存儲和壓縮處理后發送給GPRS模塊，通過移動基站發送到用戶手機終端。流程如圖7所示。

用戶手機終端APP基于MyEclipse平臺開發，使用Java語言編譯，該平臺目前是安卓手機應用軟件的主流開發工具。手機終端軟件主要負責將數據處理后，以可視化數字形式直觀展示給用戶，并存儲數據。軟件界面用線形圖或直方圖顯示，方便用戶查詢。軟件包含用戶注冊、登錄、溫室環境信息顯示、數據定時更新、參數值預警等功能，幫助用戶更方便地管理溫室。應用軟件功能框圖如圖8所示。

4 實地測試

系統實地測試地點為河南省農科院農業推廣基地溫室大棚組。測試對象包含一組ZigBee采集終端（空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳），一臺智能主機和一部安裝該系統應用軟件的手機終端。選取35m×10m×3m的半圓式塑料薄膜溫室大棚，室內種植蔬菜作物，除噴灌機和支撐架外無大型遮擋物。測試過程更新周期為15min，手機測試終端地點距溫室約300m。圖9為手機終端顯示的溫室數據，接收延時約為5s，客戶端顯示值和實際值誤差約為±1.2%。測試過程中網絡穩定性較好，無網絡中斷現象。

5 結語

本文設計了基于ZigBee和GPRS的溫室群監測系統，一定程度上解決了傳統無線溫室檢測系統功耗高、穩定性差、速率低等問題。使用Java語言編譯開發了移動手機安卓應用軟件，數據顯示清晰、操作簡單、可用性強，方便用戶即時管理溫室，提高了現代農業管理的信息化、數字化和智能化水平。

參考文獻：

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（責任編輯：杜能鋼）