基于ZigBee的多環境參數監測系統設計

牛濤++王一涯++陳曙光++王憲菊

摘要 作物生長與環境溫度、光照強度、CO2、土壤濕度等眾多因素有關。為了及時掌握設施農業中各參數實時值以及隨時間變化的關系。本文設計了一種基于ZigBee的多環境參數監測系統。系統采用星形網絡結構，各傳感器節點將采集的數據通過ZigBee網絡傳輸給基站，基站對數據分析處理后通過串口傳輸給PC機，并以VB編寫的上位機界面將各點環境參數按照與時間變化的關系以曲線的形式顯示出來，通過上位機界面不但可以觀看實時數據，還可以查詢歷史數據，為農作物管理提供了決策依據。

關鍵詞 ZigBee；環境參數；溫度；光照強度；土壤濕度；監測系統

中圖分類號 TP368.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）01-0169-02

Design of Multiple Environment Parameters Monitoring System Based on ZigBee

NIU Tao 1 WANG Yi-ya 2 CHEN Shu-guang 3 WANG Xian-jv 3 *

（1 Fuyang Xinniu Agricultural Technology Co.，Ltd.，Fuyang Anhui 236000； 2 Fuyang Chunjiang Agricultural Technology Co.，Ltd.；

3 Fuyang Normal University）

Abstract Crop growth is connected with environmental temperature，light intensity，CO2，soil moisture and many other factors.In this paper，in order to know the real value of the parameters and the variation of parameters with time in the agricultural facilities in time，a multi-channel environmental parameters monitoring system was designed based on ZigBee.In the system，the star network structure was applied，each sensor node collected data through the ZigBee network transmission to the base station.After analyzing and processing，the data was transferred to PC through the serial port，the environmental parameters of various points were displayed as curves according to the relationship with time by VB-programmed upper PC interface.Viaupper PC，not only real-time data could be viewed，but also the historical data could be queried，so as to provide the decision-making basis for crop management.

Key words ZigBee；environmental parameters；temperature；light intensity；soil moisture；monitoring system

在農作物生長過程中，溫度、光照強度、CO2、土壤濕度等環境因素是否適宜是農業管理者首要考慮的問題，也是需要克服的關鍵技術之一。傳統的農業管理方式為粗放式管理，依靠人的感知來了解上述環境參數無法達到準確性要求。要實現精準農業，必須獲取準確的農業信息。

隨著傳感器技術、通信技術和計算機技術的迅猛發展，將物聯網應用于農業檢測系統中已是未來發展趨勢，將采集的環境溫度、光照強度、CO2、土壤濕度等影響農作物生長的農業信息進行加工、傳輸和處理，通過對監測數據的分析，并結合作物生長發育規律來控制環境條件，從而使作物能夠達到優質、高產、高效的產出[1]。

考慮到設施農業中布線困難，本文采用ZigBee無線網絡傳輸，在大棚中布置多個傳感器節點，傳感器節點負責環境信息的采集及傳輸，基站定時向各節點發送數據采集命令，傳感器節點監聽到命令后，將采集的數據按照一定格式整理成字符串通過ZigBee模塊發送至基站，基站對接收的數據進行分析處理，然后通過串口傳輸給上位機，上位機將各個采集的環境參數實時顯示出來[2-3]。

1 系統設計

1.1 系統整體結構設計

本系統以STM32F103ZET6單片機為基站下位機，以STC12C5A32S2單片機為傳感器節點主控芯片，與每個主控芯片連接的有多個測量環境參數的傳感器和ZigBee通信模塊，與基站下位機連接的有ZigBee模塊和上位機。各個傳感器節點通過ZigBee無線網絡與基站通信，基站分時向各個傳感器節點發送數據采集命令，傳感器節點的主控芯片監聽到源地址與之匹配的命令后，將采集的各個環境參數按照一定形式轉換為字符串，通過ZigBee模塊發送到基站的ZigBee。基站的中央處理器對各個節點的數據進行分析處理后通過串口傳輸給上位機[4-5]。上位機將數據以更加直觀的形式顯示出來，便于農業管理者及時掌握農業信息，為農作物精準管理提供信息支持。系統整體結構如圖1所示。

1.2 基站設計

1.2.1 基站硬件組成。基站主要用來匯聚各節點的信息，并需要完成數據的計算處理，系統基站選用高性能的為中央處理器STM32F103ZET6負責向各個傳感器節點發送數據采集命令，并將接收到的數據進行匯總、處理，然后通過串口將處理后的數據傳輸給上位機。基站的硬件組成如圖2所示。

1.2.2 ZigBee匯聚節點設計。基站的ZigBee模塊用來匯聚所有傳感器節點傳輸過來的數據，同時可以向各個傳感器節點發送命令，系統選用的ZigBee模塊為CC2530，該模塊體積小、傳輸距離遠、存儲容量大[6-8]。傳輸距離可達1 000 m，模塊的主芯片為CC2530F256。模塊與基站的中央處理器通過串口通信。其電路連接如圖3所示。

1.3 傳感器節點設計

傳感器節點采用STC12C5A32S2單片機為控制器，測量環境參數的傳感器分別有溫度傳感器DS18B20、光照傳感器為BH1750FVI、CO2濃度傳感器為MG811和土壤濕度傳感器SM2801B。單片機分時采集各個傳感器的數據，對數據進行分析、處理和保存，控制器STC12C5A32S2時刻監聽基站發來的數據采集命令，收到命令后，將各環境參數按照一定格式轉換為字符串，發送到基站的ZigBee模塊[9]。圖4為一個傳感器節點組成框圖。

1.4 系統軟件設計

系統采用單片機STM32F103ZET6為基站下位機，軟件開發環境為IAR，編程語言為C語言，采用模塊化編程思想。基站下位機程序主要有主程序、傳感器節點命令發送程序、傳感器節點數據接收程序和串口通信程序。程序流程如圖5（a）所示。

傳感器節點采用單片機STC12C5A32S2，軟件開發環境為KEIL，傳感器節點的程序主要有溫度采集子程序、CO2濃度采集子程序、光照度采集子程序、土壤濕度采集子程序、命令監聽子程序和采集數據發送子程序。程序流程如圖5（b）所示。

2 結語

經調試，系統可完成預期功能，基站可成功接收到各個傳感器節點發送的數據，并通過串口傳輸給上位機，在上位機界面上可實時觀測各個測量點的環境參數變化，為農業管理提供了可靠的信息支持。

3 參考文獻

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[8] 康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1998.

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