基于無線傳感網絡的智能溫室控制系統

摘要：采用傳感器技術和無線通信技術設計了一套集監控、管理于一體的智能溫室系統。系統以CC2530為主控制器，以ZigBee協議棧為通信基礎，將溫室的環境信息以GPRS方式傳送到控制中心。控制中心對采集的數據進行分析處理，發出對應的控制命令，以實現溫室作物生長環境的精確控制。試驗結果表明，系統操作簡單、運行可靠，對現代農業具有一定的實用價值。

關鍵詞：無線通信；智能溫室；CC2530；ZigBee

中圖分類號：TP277；S625 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）15-4010-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.15.053

Abstract： An intelligent greenhouse system combined with monitoring and management was designed by using sensor technology and wireless communication technology. The system uses CC2530 as main controller and ZigBee protocol to communicate. The environment information in the greenhouse was sent to the control center by GPRS. The control center analyses and processes the data acquired and sends out the relevant control command to precisely control the crop physiological information in the greenhouse. The experimental results show that the system is easy to operate and performs reliably， and has some important application value for modern agriculture.

Key words： wireless communication； intelligent greenhouse； CC2530； ZigBee

中國是一個農業大國，隨著技術的發展，在溫室中培養各種蔬菜和作物越來越普及。為了給作物的生長提供最適合的環境，需要對溫室中的溫度、空氣濕度、土壤水分、光照度、CO2含量等做出精確的控制。傳統的人工測量和管理方法效率低，需要浪費大量的勞力。隨著溫室數量和溫室規模的增加，傳統的人工管理方法越來越顯得困難。因此，如何將農作物的生長規律和現代檢測技術結合起來，實現溫室作物的高質高產具有重要的意義[1]。

針對溫室環境實時監測和控制的需要，開發出一套基于無線傳感網絡的控制系統。系統能夠實時采集并顯示溫室的各種環境參數，同時能夠自動或者手動對溫室環境參數進行控制。上位機軟件采用B/S和C/S架構相結合的方式組成[2]，用戶足不出戶就可以實現對溫室大棚的監測和管理。

1 系統概述

圖1展示了系統的主要結構。系統主要由無線傳感器網絡、執行器和上位機系統組成。無線傳感器網絡分為傳感器節點、路由器節點和協調器節點。執行器用來控制相關設備以調節溫室環境參數，包括卷簾機、通風機、灌溉閥門、高亮度LED燈和加濕器。上位機系統包括監測中心的后臺軟件和Web站點。

傳感器節點用于測量溫室CO2濃度、土壤水分含量、空氣溫度、濕度、光照度、pH等信息，然后通過路由器節點向協調器節點發送數據。協調器的GPRS模塊把數據發送到監測中心的服務器上。監控中心后臺軟件實時接收協調器發來的數據，并把信息整理保存到數據庫。然后對采集到的數據進行分析處理，根據用戶設置決定是否向協調器發送控制命令。當控制命令發出后，協調器通過執行器對溫室環境參數進行調節。監控中心服務器用來保存用戶的控制信息和系統采集到的溫室環境參數等信息，相關信息以Web站點發布。這樣用戶就可以通過各種網絡終端設備實現對溫室的控制。

2 系統硬件設計

硬件部分主要是設計無線傳感網絡中的各個節點電路。為了方便開發，統一選用TI公司的CC2530[3]作為節點的控制器。與路由器節點相比，傳感器節點多了傳感器模塊，其他方面和路由器節點完全相同。因此，硬件部分的設計主要是傳感器節點和協調器節點的設計。

2.1 傳感器節點設計

傳感器節點主要包括傳感器模塊、微控制器模塊和電源模塊。微控制器模塊內又包含一個無線通信模塊。結構框圖如圖2所示。

1）傳感器模塊。傳感器節點主要用來檢測溫室環境參數。CO2傳感器采用MG811模塊，測量范圍為0.69～19.64 mg/L，輸出信號為電壓模擬量。光照傳感器采用BH1750FVI模塊，量程為1.1～100 000 lx，以I2C總線輸出數字信號。空氣溫濕度測量采用DHT22芯片，單總線通信，測量范圍為-40～80 ℃和0～100% RH，輸出為數字信號。pH傳感器使用JASP2801模塊，輸出信號為電壓模擬量，量程為0～14。紅外傳感器為HR-SR501，輸出為TTL電平信號。土壤水分傳感器為SM2801[4]，輸出信號為電壓模擬量，測量范圍為0～100%。

2）微控制器模塊。微控制器是整個節點的核心，所有的信息采集、通信協議和數據傳輸都在這個模塊中實現。基于無線傳感網絡的智能溫室控制系統所有網絡節點微控制器都采用TI公司的CC2530。該控制器由一個增強型8051單片機和高性能射頻無線收發芯片組成，其中包括8路輸入的12位ADC和2個USART，完全滿足系統的需求。

3）電源模塊。節點的電源模塊由12 V蓄電池和電壓轉換芯片LM7805、AMS1117-3.3組成。該模塊能為系統提供5 V和3.3 V電壓，能夠實現不同模塊對電壓的需求。微控制器將周期性地檢測蓄電池的電壓，將采集到的電壓信息發送到控制中心并且實時顯示。

2.2 協調器節點設計

協調器節點主要由微控制器、GPRS模塊、電源模塊、報警模塊和執行器模塊組成。結構框圖如圖3所示。

1）GPRS模塊。GPRS模塊選用西門子公司的SIMENS-MC55，該模塊性價比極高，自帶TCP/IP協議，和單片機通過串口連接。使用AT指令就可以將數據發送到固定IP的中心服務器。為了防止掉線，協調器每隔5 min向中心服務器發送一段心跳包[5]。

2）電源模塊。由于整個系統中只有一個協調器節點，而且協調器用來直接驅動執行器模塊，是系統的關鍵部分。為了提高協調器節點的穩定性，采用常用的5 V電源適配器，連接220 V交流電源供電。同時使用AMS1117-3.3降壓芯片得到3.3 V電壓，供微控制器使用。

3）報警模塊。報警模塊由蜂鳴器和發光二極管組成。當傳感器節點通過紅外傳感器檢測到有人或者動物闖入時，協調器會啟動聲光報警器進行驅趕。

4）執行器。執行器由單片機I/O口連接繼電器來控制相關設備從而實現對溫室環境的控制。主要包括對卷簾機、通風機、灌溉閥門、高亮度LED燈和加濕器的控制。卷簾機用來控制溫室大棚保溫簾的開關。保溫簾可以起到調節光照和降溫或保溫的作用。通風機打開，可以起到溫室內外空氣流通的效果，能夠調節溫室空氣中CO2的含量和濕度。當土壤較干燥時，系統會打開閥門進行灌溉，根據具體要求選擇滴灌還是噴灌[6]。補光系統由多個高亮度的LED組成。當需要增加濕度時，協調器會打開加濕器的開關。

3 系統軟件設計

基于無線傳感網絡的智能溫室系統，軟件設計部分包含無線傳感網絡節點軟件設計和監控中心的上位機軟件開發。網絡節點軟件設計主要以TI公司提供的Z-Stack協議棧為基礎，具體分為傳感器節點、路由器節點和協調器節點三個部分[7]。其中路由器節點軟件設計比較簡單，只需將收到的數據傳給協議棧，節點就會找出一條最佳路徑把數據發送到目的節點。因此，節點軟件主要包含傳感器節點和協調器節點兩部分。上位機軟件設計用.NET環境下的Windows窗體應用程序和ASP網站來實現。

3.1 傳感器節點軟件設計

傳感器節點主要負責數據的采集，并把采集到的數據和節點狀態信息發送到協調器節點。由于傳感器節點采用電池供電，而且無線通信會產生很大的功耗，為了延長節點的工作時間，使用適當的工作方式節能顯得很重要。本設計采用節點周期性的休眠和工作以及數據周期性的發送來實現降低功耗。通常情況下，節點每隔一段時間采集一次數據并發送，然后進入休眠。休眠結束后，向協調器節點獲取采集參數設置信息，例如改變該節點的采集間隔等。然后再進入下一次采集過程。傳感器節點軟件流程如圖4所示。

3.2 協調器節點軟件設計

圖5是協調器節點軟件流程。協調器節點是整個無線傳感網絡的核心，負責網絡的建立、節點的添加、數據收發以及對執行器的控制[8]。當網絡建立成功后，節點主要是接收從其他節點傳來的數據，同時把數據發送到監控中心的服務器。當上位機對采集的信息經過分析處理后，需要控制執行器時，會向協調器發送控制命令，然后控制對應的執行機構。

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件運行在監控中心的服務器上，通過Visual Studio 2012集成開發工具實現Windows窗體應用程序的開發和ASP網站的設計。每個節點的歷史數據以及相關設置參數等都保存在SQL Server 2008R2數據庫中。

服務器端的窗體應用程序采用C# Socket和多線程的機制。用來實現和協調器以及和網頁的通信[9]。服務器端窗體程序有以下功能：實現和無線傳感網絡的通信，即接收無線傳感網絡傳來的數據和向協調器發送控制命令；把協調器傳來的數據保存到數據庫，以供網站數據顯示使用；和多個網頁實現多條Socket通信信道，以便用戶通過網頁實現對溫室執行機構的控制；智能決策模塊的實現。

該系統具有手動和自動控制溫室環境的2種模式。在手動模式下，用戶可以通過網頁直接控制一個或者多個執行器的開關，實現對溫室環境的直接控制。而在自動模式下，系統將采集到的環境參數如CO2濃度、空氣溫濕度、土壤水分等與設定值進行比較，通過智能決策算法，控制執行機構使環境參數達到理想值。

用戶操作界面由ASP網頁實現[10]。主要有以下功能。

1）實時顯示。用來顯示各個傳感器節點采集到的數據。可以分別查看每個節點每個參數隨時間變化的趨勢圖，便于用戶深入分析。

2）報表打印。用戶可以根據選擇的時間段和節點把這一時間段內所選節點采集到的數據打印出來，便于重要數據的管理。

3）網絡結構顯示。顯示無線傳感網絡的拓撲結構，可以查看節點的位置、電壓和工作狀態等信息。

4）異常提醒。當某個節點意外停止工作，系統會顯示這個節點的位置信息。根據設定的時間延時后，系統開始重新組網，使系統重新開始工作。當某個節點采集到的數據超過設定值的上下閾時，系統會將節點位置信息、采集參數醒目地顯示在主界面上。

4 試驗與分析

試驗中，使用一個溫室作為控制對象。其中使用了5個傳感器節點，系統安裝設置好后，首先是傳感器網絡完成自組網。然后打開瀏覽器進入監控頁面，設置好相關參數。然后系統根據設定的時間向中心服務器發送數據，最后網頁根據節點編號依次顯示CO2濃度、土壤水分、空氣濕度、空氣溫度、光照度、pH和采集時間。網站主界面如圖6所示。試驗結果表明，系統運行穩定，各傳感器的誤差均在3%以內，滿足農業監測精度的要求。系統能夠完成對溫室環境參數的采集、傳輸、保存和控制，集成度較高，操作簡單方便。基于Web的監控界面使得用戶通過互聯網就可以實現對溫室環境的監測和控制。

5 小結

基于無線傳感網絡的智能溫室控制系統，系統結構簡單，靈敏度高，穩定性強，易擴展。實現了對溫室環境參數的實時監測和控制。系統通過互聯網終端進行控制，提高了溫室系統的智能水平，同時降低了勞動成本，提高了管理效率，具有較高的推廣和應用價值。

參考文獻：

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[8] 劉 濤.多嵌入不兼容設備的無線傳感網絡路由優化設計[J].科技通報，2014（9）：139-142.

[9] 王 磊，許小琳.GPRS無線數據傳輸中服務器端軟件的設計和實現[J].測控技術，2007，26（11）：55-56.

[10] 唐植華.ASP.NET 4.0動態網站開發基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2012.