基于ZigBee的智能溫室大棚環境自動化監測系統設計

王憲磊

摘要：根據新疆南疆地區智能溫室大棚的特點，設計基于ZigBee無線通信技術的環境監測系統，可實時獲取環境因子數據并進行相應調整。系統仿真結果表明：系統可實現環境因子實時監測和無線通信傳輸，提高溫室大棚環境監測效率。

關鍵詞：ZigBee；溫室大棚；監測；自動控制

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）07-0027-04

近年來，新疆南部地區（南疆）設施農業發展較快，但設施農業主要以投資較少的塑料大棚為主，對南疆溫差變化較大的惡劣氣候條件適應性差，且自化程度較低，對農作物的生長環境的控制精度不高。目前，南疆農牧團場正積極向多參數檢測的智能溫室大棚種植模式發展。這種智能溫室大棚綜合各種先進的技術和設施，能夠為農作物發育和生長創建良好環境，實現溫室科學管理經營，充分展示設施農業的巨大優越性。

目前，南疆的智能溫室大棚環境監測系統大多采用有線通信方式，需要進行大量布線，且線路復雜，工作可靠性差，需專人值守。為此，基于ZigBee無線通信技術設計智能監測系統，采用溫室大棚環境監測無線傳輸方式，提高環境因子監測的技術水平，實現農作物生長環境的自動化控制，進而提高農作物生產的經濟效益。

1 溫室大棚環境自動化監測系統結構

ZigBee是一種短距離、低功耗的新型無線通信技術，為基于IEEE802.15.4標準的局域網協議。隨著ZigBee技術的不斷發展，其應用領域越來越廣泛，將其應用于智能溫室大棚進行信息傳輸成為必然趨勢。智能溫室大棚環境自動化監測系統的監測模式如圖1所示。

本系統上位機采用PC機，其主要功能包括以下幾個方面：1） 通過RS232串行接口與ZigBee網絡關口節點建立通信，接收下位機傳送的數據，與此同時向下位機發送指令；2） 對接收到的數據進行顯示操作、解碼并保存；3） 對系統之前的數據進行分析、處理及更新。

溫室大棚環境自動化監測系統分為6大模塊，詳見圖2。模擬信號采集模塊包括前傳感器、調理電路、模數轉換電路；中央處理模塊是整個系統的核心，主要負責數據處理和儲存，對整個系統進行整合控制調配；開關輸入輸出控制模塊；上位機通信模塊主要用于和上位機（PC機）通信，采用ZigBee無線通信方式；人機接口模塊主要為工作人員現場查看和修改各個參數提供方便，包括LCD顯示屏和4×4矩陣鍵盤；EEPROM存儲模塊可以大容量存儲溫度、濕度、光強、CO2濃度等數據及工作參數。

圖2 智能溫室大棚環境自動化監測裝置的模塊

2 溫室大棚環境自動化監測系統設計

2.1 硬件設計

環境自動化監測系統通過溫濕度傳感器、光照傳感器和CO2傳感器采集溫室大棚內的環境信息，經系統的中央處理器處理后，輸出結果被送到執行機構并顯示相關信息，從而實現環境溫度、濕度、光照強度和CO2濃度控制等一系列功能。該系統的總體硬件結構如圖3所示。

2.2 軟件設計

為便于連接和調試，軟件設計采用模塊化程序設計方法，將特定功能編成子程序，以調用子程序方式組成程序流。這樣既可以做到修改和調試程序方便，又可以實現軟件自診斷，從而使軟件更容易理解和維護，為程序通用性、功能擴展可行性、軟件資源共享性提供條件。整個程序主要由主程序和若干子程序組成，子程序主要包括溫濕度測量模塊、CO2及光照強度測量模塊。人機接口模塊包括鍵盤處理模塊和顯示模塊。

將智能溫室大棚近似看作一個矩形，將其平均分成8個部分并編號為A～H（如圖4所示）。主程序運行時，首先顯示第一個分區的溫濕度、CO2濃度及光照強度，如果數值越限，則報警顯示；同時，顯示下一個分區的溫濕度、CO2和光照強度值，并檢查是否越限，以此類推，直到檢測完所有分區。

智能溫室大棚環境自動化監測系統主程序流程如圖5所示。

本系統主要完成溫室大棚環境因子數據采集與處理，以及與上位機之間進行通信。根據系統要求，系統對溫室大棚內的溫度、濕度、光照強度與CO2濃度信息進行采集，實現ZigBee檢測節點與上位機間ZigBee無線通信，通過設置相關監測參數進行信息顯示，具備實時信息輸出、控制、功能自檢等一系列功能。

3 溫室大棚環境自動化監測系統仿真

通過對新疆生產建設兵團第一師十團花卉基地和溫室大棚進行參觀和調研，確定現代智能溫室需要對大棚內的溫度和濕度進行調控，使之保持在適當范圍。但光照和CO2濃度只需檢測和顯示，不需要借助系統程序對其進行控制，原因為：1） 在白天光照充足的情況下，溫室盡可能利用自然光照；白天光照不充足時，采用室內照明設施進行補光。2） 利用通風裝置保持溫室內的空氣與大氣接近，CO2濃度大約占大氣濃度的0.03%。

鑒于上述原因，主要對溫室大棚內的溫度和濕度進行仿真。

3.1 Keil uVision4

采用Keil uVision4編寫C語言程序，通過編譯器進行編譯、連接，最后將生成的機器碼下載到單片機上。

Keil編譯器是目前應用最廣泛的單片機開發軟件之一，為美國Keil Software公司開發的C語言開發系統。其提供一個完整的開發平臺，包括宏匯編、C語言編譯器、庫管理、連接器和功能強大的仿真調試器，并通過集成開發環境將這些部分組合在一起。

3.2 Proteus電路仿真

Proteus軟件用來對所設計的電路進行仿真，功能比較強大，可以對包括單片機在內的絕大部分元器件進行仿真。與此同時，可以把Keil編譯、連接后生成的hex文件導入Proteus單片機中進行仿真。

3.3 系統仿真

打開Proteus ISIS，在Proteus ISIS編輯窗口中單擊元件列表上的“P”按鈕，添加元件及放置元件，可以得到對應界面；選擇所需元器件后，對元器件進行重新布局，使之看起來比較清晰、所占面積比較小。如果需要移動某個元件或多個，單擊其元件，待其顏色變紅后，按下鼠標左鍵不放即可拖動元件。按照正確的方法將元器件進行合理排布及連線后，即可得到系統仿真結構圖，如圖6所示。

通過仿真進行系統環境自動化監測模擬演練，可以熟悉控制系統工作過程，有利于改進及提高控制精度，實現溫室大棚環境自動化監測，減輕人工作業量。

4 結論

綜合運用單片機技術、計算機控制技術、ZigBee無線通信技術設計一套以AT89C52為主控芯片的智能溫室大棚環境自動化監測系統。該系統可以實現溫室內各環境因子的實時監測和無線通信傳輸，便于大棚管理人員實時了解溫室內的環境因子，并及時控制調整，為提高農作物產量提供技術支持。

參考文獻

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