基于ZigBee的溫室監控系統研究

宋珍偉，黃小麗

（南通科技職業學院 機電系，江蘇 南通　226007）

基于ZigBee的溫室監控系統研究

宋珍偉，黃小麗

（南通科技職業學院 機電系，江蘇 南通226007）

在農村為了讓農產品提前上市，種植戶們基本上都是通過溫室大棚進行種植，以塑料棚溫室為主，智能化水平偏低與發達國家相比存在一定差距，管理粗放，每年重復建設，浪費了大量的人力物力。如何提高溫室的智能化水平顯的尤為重要！對智能溫室組網實現遠程集中監控，對于作物生長的主導環境因子，土壤的溫濕度、土壤的PH值、空氣的溫濕度、光照時間與強度等參量，實現遠程實時監控處理，該文提出了一種溫室控制模式及具體方案。

LabView；溫室；ZigBee；監控

1　整體方案設計

采用上位機+下位機的控制方式，通過CC2530進行通信。上位機為集中控制中心主要完成數據的集中處理與集中控制的功能，具體由LabView控制界面端、STM32控制終端以及CC2530協調器節點等構成，下位機為數據采集終端用于現場數據采集，具體由CC2530無線通信模塊以及傳感器部分構成，傳感器部分由溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器以及光強度傳感器等構成，如圖1所示。

圖1　方案框圖

2　硬件系統設計

2．1CPU核心與無線通信模塊

控制終端CPU采用STM32F103RBT6控制芯片，基于Cortex-M3內核的32位RISC微處理器，緊密結合了一個可配置的嵌套向量中斷控制器，提供了工業領先的中斷處理性能，Cortex-M3處理器在高性能內核基礎上，集成了多種系統外設，通信接口有2個I2C接口、3個UART接口、USB2.0接口、2個SPi接口，支持基于JTAG的系統調試，可以完全滿足溫室控制系統的需求。

無線通信模塊，采用TI公司的 ZigBee芯片CC2530，CC2530可真正的用于IEEE802.15.4和ZigBee，能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點。CC2530具有較高的靈敏度、較低的功耗和較強的抗干擾能力。CC2530以一個單周期的8051 CPU為核心，有SFR特殊功能寄存器、DATA和CORE/ XDATA3個存儲訪問總線，中斷控制器有18個中斷源，任何中斷都可以把CC2530從空閑模式恢復到主動模式，系統內可編程閃存8KB RAM和許多其他的強大功能。CC2530結合ZigBee協議棧，提供了一個完整的ZigBee解決方案。

STM32與CC2530采用串行口通信，CC2530數據接收端P0.2與Cortex-M3的TXD1相連，CC2530的數據發送端P0.3 與Cortex-M3的串行接收端RXD1相連，數據處理終端通過CC2530實現無線獲取各個傳感器節點傳送過來的數據。

2.2傳感器數據采集模塊

傳感器數據采集模塊是整個遠程測控系統信息獲取的入口，選擇合適的傳感器有利于提高數據采集的準確度，關系到整個模塊的設計，采集模塊主要由溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照強度傳感器等構成，下位機將采集到的數據參量轉換成數字量，通過ZigBee網絡傳輸給上位機，上位機通過對數據的處理分析執行相應的控制操作，通過CC2530協調器節點從而可以實現對環境溫濕度、CO2等參量的檢測與控制。

我國大部分地區通常夏季溫度很高，冬季氣溫又偏低，研究表明只有當環境溫度處于適宜溫度時，作物生長發育才是最快的；需要對溫度進行人工控制，以便使其保持在生長的適宜溫度范圍內。同時濕度對于作物生長也是非常重要的一個參量，濕度的高低都會影響到作物的生長，溫濕度傳感器選用SHT11傳感元件。

動物學科英語隸屬于科技英語，但它是更具專業性的科技英語，涉及的知識面更加狹窄，與動物學聯系更加緊密。因此，在進行動物學科英語互譯時，不但要注意科技英語的文體、修辭、語法等特點，還要緊密結合相關專業知識，力求做出符合原文語言特點、本族語言特點以及動物學相關知識的完美譯文。此外，通過上述介紹可以得知，概念語法隱喻一般包括語義層次上的及物性隱喻和詞匯語法層次上的名詞化、形容詞化等現象，下面將主要從以下兩個方面來探討動物學科英語的翻譯。

SHT11由瑞士 Sensirion公司生產采用特有的工業化COMS技術，由一個電容式測濕元件、一個能隙式測溫元件以及14位的A/D轉換器無縫連接在同一塊芯片上，具有較高的精度和長期穩定性，其具體參數特性如表1所示。

表1　SHT11傳感器參數

SHT11溫濕傳感器具有體積小、功耗低、抗干擾能力強等優點，硬件連接簡單只需要將SHT11的DATA、SCK端連接到控制芯片的相應引腳上如圖2所示。代碼00011表示溫度代碼00101表示濕度，當溫濕度測量完成后，SHT11使DATA引腳為低電平，控制器檢測到低電平重新啟動SCK，然后過SHT11傳送兩字節測量數據和1字節CRC校驗和到控制器，控制器在收到CRC的確認為后通信結束。

通過GS4161來檢測CO2濃度傳感器，CO2是影響作物進行光合作用的重要物質，濃度不足會成為影響植物生長發育的限制因素，充足的CO2能夠提高作物幼苗素質，增加產量，改善品質，同時又可抑制病害的發生，因此對CO2氣體濃度的監測顯的尤為重要，由FIGARO（費加羅）公司生產的二氧化碳傳感器GS4161具有體積小、不需斷電、穩定性好、壽命長等優點，又具有耐高濕低濕的特性，特別適合于濕室大棚等需要對CO2氣體長期監測的場所。

光照對于作物生長發育必不可缺，溫室所處地理位置不同，其光照強弱和時間不同，同一地點不同季節光照強弱也不同，夏季光照強度過大，需要人為遮光，冬季光照強度偏低，需要人為補光，溫室內光照分布不均勻，對光照強弱準確的監測顯得尤為必要。利用光敏電阻檢測光照度，其光電特性呈非線性進行光照度采集不夠理想，光敏電阻不適合作為檢測元件。本文光照傳感器選用BH1750FVI，BH1750為16位高精度數字光強度傳感器，不區分光源具有1～65535lx的高分辨率。硬件電路簡單，只需將BH1750的SCL、SDA引腳分別與CC2530的P1_4和P1_5相連接。

圖2　SHT11與CC2530硬件連接圖

3　軟件設計

溫室系統軟件部分主要包括兩大部分：上位機集中控制程序以及下位機數據采集處理程序。上位機軟件主要由CC2530協調器工作程序、網關通信程序、LabView監控界面程序等構成，負責處理下位機上傳的數據，向下位機下達指令。下位機數據處理軟件主要負責傳感器數據采集處理以及與上位機之間的通信。

3.1下位機軟件流程

圖3　下位機軟件流程圖

ZigBee網絡中的設備節點在接通電之后，應用程序首先從AppColdStar函數開始運行，主要完成對無線信道偏號、網絡的ID號網絡參數的定義和一些相關初始化工作，包括變量初始化、工作時鐘初始化、中斷控制塊初始化、GPIO端口初始化、定時器初始化等，實現數據定期采集，創建時鐘周期函數，采集以固定的周期自動調用，對采集到的數據進行打包處理，啟動發送程序將采集到的溫濕度、CO2濃度等數據以及節點地址編號發送到上位機CC2530協調器節點，具體流程如圖3所示。

3.2上位機通信控制程序

圖4所示，通信網關負責完成CC2530與上位機控制臺之間的通信，通過串口實現數據接收和發送，通信網關不僅負責將上位機接收到的控制指令進行封包，通過CC2530協調器節點轉發到相應的ZigBee無線網絡終端節點，而且同時負責對ZigBee接收到的上行數據進行解包傳送到上位機總控制臺。上位機協調器節點實現網絡管理與數據傳輸功能，主要包括分配網絡地址、維護管理ZigBee網絡以及接收上位機發送來的數據與接收終端采集控制節點發送來的數據等功能。首先ZigBee網絡初始化完成通信信道、Profie ID等參數的設置，接下來根據節點功能進行傳感器、定時器、串口等硬件的初始參數設置。網絡啟動成功后，CC2530的數據接收程序通過ZigBee協議棧調用函數接收KVP數據幀。

圖4　CC2530協調器節點軟件流程

3.3上位機監控界面軟件

利用LabView軟件開發上位機監控操作界面，LabView 由NI公司推出的一種虛擬儀器軟件開發平臺，使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，LabView帶有龐大的函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等，可大大方便和簡化了用戶的設計開發工作。

在上位機管理軟件界面顯示采集的數據信息，根據設置的報警上下限，控制對應的電磁閥進行相應的開/關動作。包括數據收集、數據處理以及參數調整等，如圖5所示。數據采集部分主要是收集現場控制器檢測到的環境因子數據，并存入數據庫；數據處理主要是通過數據庫進行數據整理并提供各種統計曲線和報表；參數調整是用戶根據農作物不同生長階段需求而調整現場控制器的控制參數；各功能模塊之間相互獨立，在主程序的調配下相互配合最終實現數據收集、處理、記錄、監控、顯示等各部分功能。

4　系統測試

測試各個ZigBee節點的網絡連通情況，讓傳感器設備加入ZigBee網絡，正確顯示各節點上的傳感器設備，打開上位機監控端軟件，測試數據傳輸速率（實際測試得到網絡穩定速率可以達到25 kb/s）。

測試ZigBee節點傳感器數據值，以實際溫度計測量數據為基準，對所采集數據在excel軟件中利用雙折線的方式進行對比，如圖6所示，通過比較發現傳感器模塊所測量的溫度數據值與實際溫度計測量數據所測的溫度值趨于最接近狀態，且線性度好，足以說明本文的監測系統測量的可靠性，同時又比傳統儀器具有明顯的測量優勢，而且數據精度較高。

圖6　測量數據比較圖

5　結　論

經過測試本ZigBee傳感器監控平臺具有較強的網絡穩定性，傳感器測量的線性度較好且準確度較高，將此技術方案用于溫室環境監控是一個比較不錯的選擇，對于影響作物生長的主要環境因子進行遠程采集監控相當于模擬一個適于作物生長的氣候條件，完全可以促進作物生長，從而縮短農作物的生長周期，提高作物的產量。

［1］陳樹成，楊志勇，王建佳.基于MSP430和CC2530的溫室大棚數據采集系統設計 ［J］.電子設計工程，2014，22（5）:168-171.

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Research on the control system of greenhouse based on ZigBee

SONG Zhen-wei，HUANG Xiao-li
（Department of Electrical and Mechanical Engineering，Nantong Science and Technology College，Nantong 226007，China）

Early entry into the market，growers through the greenhouse cultivation，with plastic shed，low intelligence level compared to developed countries，extensive management，duplication year，wasting a lot of manpower and resources.This is particularly important to improve the intelligence level of the greenhouse.These environmental factors for example，temperature，humidity，PH，light intensity，and so on，is very important for the intelligent greenhouse monitoring system，this paper presents a greenhouse control mode and a specific design.

LabView；greehouse；ZigBee；monitoring

TN91

A

1674-6236（2016）14-0119-03

2015-08-05稿件編號：201508025

江蘇省南通市科技創新計劃項目（MS22015029）

宋珍偉（1979—），男，江蘇銅山人，碩士，講師。研究方向：智能儀器與測控技術。