基于ZigBee的日光溫室智能調控系統的研究與設計

于明月，王立地，*，栗慶吉，李亞迪，呂亭輝

(1.沈陽農業大學 信息與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110161； 2.沈陽農業大學 園藝學院，遼寧 沈陽 110161)

基于ZigBee的日光溫室智能調控系統的研究與設計

于明月1，王立地1，*，栗慶吉1，李亞迪1，呂亭輝2

(1.沈陽農業大學 信息與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110161； 2.沈陽農業大學 園藝學院，遼寧 沈陽 110161)

為推進我國北方日光溫室的現代化管理，使設施園藝朝著高產、高效的生產模式發展，建立了基于ZigBee的日光溫室智能調控系統。針對溫室設施農業控制的需要，該系統以Jennic 公司生產的無線微控制器JN5139為控制核心，整個無線傳感器網絡由傳感器監測節點和ZigBee無線智能終端構成。系統完成了對環境因子(空氣溫濕度、光照強度、CO2濃度、土壤pH值)的實時采集、監測、顯示、告警與控制，并提供溫室中環境因子的歷史數據。為使結果更精準，對節點上的各傳感器數據序列進行三次指數平滑，將平滑后的數據發送至協調器，并對數據進行線性回歸分析。系統基本滿足無線化、智能化、精準化的現代設施園藝的需求。實際運行結果表明，該溫室智能調控系統具有運行穩定、操作簡單的特點，其測量結果準確，能有效地提高日光溫室管理效率，具有良好應用前景。

日光溫室；智能控制；ZigBee；環境因子；JN5139；三次指數平滑

日光溫室一直以來憑借其能有效解決冬季蔬菜供應問題在北方嚴寒地區應用廣泛，精準的監測和調控技術不僅使農業生產效益得以提升，同時大大增加了農民收入并為其提供便利[1]。科學技術的不斷發展使得日光溫室趨于智能化，各種日光溫室智能監控技術走入人們生活。近年來，國外的溫室發展較為迅速，能實現溫室內溫、光、水、氣、肥的綜合調控，但成本相對較高[2-3]。然而國內傳統的溫室技術多為對溫室作物單一環境因子的調控，少數能實現相對完善的調控，成型控制器也大都存在成本高、可靠性低等問題，且傳統有線通信方式存在布線困難等缺點，使設備靈活性降低，諸多因素嚴重制約了我國日光溫室的發展[4-5]。本課題組結合低功耗、低成本的ZigBee無線通訊技術，本著實用、低價、高效、高產的原則設計了日光溫室智能調控系統。本研究采用JN5139作為控制核心，不同的傳感器通過ZigBee終端節點建立連接，監測出環境因子的即時變量，再將信息通過ZigBee無線通信協議傳入核心控制模塊，同時微控制器接收到的數據可以上傳到系統上位機，上位機界面可以顯示實時數據并自動或手動控制執行機構做出相應指令動作。

1 系統總體設計

本系統以JN5139微控制器為核心，主要由數據采集模塊、核心控制模塊、人機交互模塊、ZigBee數據傳輸、上位機模塊、執行機構6部分組成，如圖1。

數據采集模塊：主要由溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2濃度傳感器、土壤pH值傳感器組成，各傳感器將采集到的溫室環境信息經過A/D轉換為控制器能直接識別的數字量后，經ZigBee終端節點發送到JN5139微控制器[6]進行數據分析處理。

核心控制模塊：以JN5139控制器為核心，能夠接收數據采集模塊的數據并自動存儲，實現命令的接收和執行，并按照圖1所示方向傳送數據。

人機交互模塊：預警設置可通過外設鍵盤，以外部中斷形式輸入指令，按鍵編碼方式采用74HC148型號優先編碼器[7]，可以設定環境參數上下限閾值。為增強交互性，采用LCD12864來顯示命令執行結果[8]，傳感器數值超過閾值則會通過LED燈報警。LCD顯示屏和外設鍵盤采用有線方式與控制器相連。

上位機模塊：通過RS-485串口[9]方式與核心控制器通信，具有良好的交互界面，可有效記錄管理數據。

執行機構模塊：由補光遮陰系統、通風系統、加溫加濕系統、CO2濃度供應裝置、酸堿性肥料施放系統組成。當溫室內環境因子參數超過設定閾值時，核心控制器會向執行機構發出指令，及時驅動執行機構工作，使溫室各作物始終處于最佳生長狀態。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集模塊

傳感器的選取對于溫室參數的采集和測量至關重要，因此本系統本著高性能、低功耗的特性進行傳感器選型。不同功能的傳感器分布在溫室內，通過ZigBee終端節點與協調器傳輸數據。

2.1.1 溫濕度測量模塊

溫度作為作物生命活動的基本要素，影響著一切生理變化。極端的高溫和低溫都會影響植物正常發育，甚至導致植株死亡。空氣中濕度過高會造成植物生理失調、加大病蟲害發生率；而濕度過低則容易引起旱災，影響作物產量和質量。因此，將溫室內的溫度、濕度控制在合理范圍內將會促進作物處于最優生長環境，促進增產增收，提高品質。

溫濕度采集模塊選用型號為SHT15的溫濕度傳感器，由瑞士Sensirion公司生產，其具有低功耗、體積小、性能強、不易受干擾等優勢[10]；其溫度測量范圍為-40～123.8 ℃，測量精度為±0.3 ℃；濕度的測量范圍為0～100%，測量精度為±2%，為使傳感器更精確，選擇3.3 V供電電壓。

SHT15溫濕度傳感器將A/D轉換、信號變換以及I2C總線接口等功能集成于同一芯片，可將溫濕度模擬信號轉為數字信號，由ZigBee節點傳給微控制器。SHT15的內部結構圖如圖2所示。其中引腳CND(GrouND)為接地引腳，VDD(Drain Voltage)為電源引腳，DATA引腳為數據線引腳，SCK(CMOS clock)為引腳時鐘線。

圖2 STH15溫濕度傳感器內部結構圖Fig.2 STH15 temperature and humidity sensor internal structure

2.1.2 光照強度采集模塊

植物賴以生存的物質來源于光合作用，而光照強度直接影響著光合作用的強弱。當超過一定的光照強度，會出現“光飽和”現象；光照強度低到一定水平，將出現“光補償點”，此時植物生長將會受到嚴重影響。因而，將光照強度控制在合理范圍有重要意義。

本系統采用由日本RHOM株式會社研發的BH1750數字型光照度傳感器，用于兩線式串行總線接口[11]。其感光元件具有光譜靈敏度特性，受紅外線影響很小，內置A/D轉換器，能夠在工作狀態直接輸出對應亮度的數字。BH1750的波長范圍為380～560 nm，測量總量程為0～65 535 lx，通過50 Hz/60 Hz除光噪音功能實現穩定的測定，誤差變動為±20%，運行溫度為-40～85 ℃，其VCC接口需要接5 V左右電壓。圖3為硬件原理圖。

2.1.3 CO2濃度測量模塊CO2是綠色植物光合作用的原料，其濃度高低直接影響光合速率。CO2供給不足會造成作物減產減收；CO2濃度過高又會導致高溫危害。CO2濃度測量模塊采用上海福美斯電子科技有限公司生產的紅外二氧化碳傳感器S-100[12]，是世界上最小、最輕的NDIR技術CO2傳感器模塊。該型號傳感器的供電電壓是5.0～5.5 V，測量范圍為0～5 000 mg·kg-1，精度為(±30±1.5)mg·kg-1。

圖3 BH1750光照度傳感器硬件原理圖Fig.3 BH1750 illumination sensor hardware

二氧化碳傳感器的電源引腳VDD接入5.0～5.5 V的電源，A/D轉換后數據通過ZigBee節點傳輸到微控制器。執行機構得到指令調控CO2發生器工作狀態滿足溫室內CO2濃度需求。

2.1.4 pH值測定模塊

pH是表示水溶液中氫離子濃度高低的指標，根據pH值能直接判定作物所處土壤的酸堿性。根際環境pH過高或過低會傷害作物根系，也會使營養元素的有效性降低甚至失效，因此將根際pH控制在合理范圍內非常必要，大多作物的根際pH適宜控制在5.5～6.5。

本系統采用武漢中科能慧科技發展有限公司生產的新一代NHPH49型土壤pH值傳感器[13]，集成度高、體積小、功耗低、可實現遠程控制。測量范圍為0～14，準確度達±0.1，供電電源為12 V，輸出形式為0～5 V電壓輸出和4～20 mA電流輸出，工作環境溫度0～80 ℃，濕度0～95%。土壤pH值傳感器監測到的土壤酸堿值模擬信號量經A/D轉換后，數字信號量由ZigBee節點傳給微控制器進行數據分析處理，使土壤pH逐漸達到或接近作物所適宜的中性或偏酸性范圍。

2.2 JN5139核心控制模塊

JN5139是Jennic公司生產的具有低功耗、低成本、支持ZigBee協議的新型無線微控制器[6]。該控制器集成了一個32位精簡指令集RISC(reduced instruction set computing)處理器，內置192 kB的只讀存儲器ROM可存儲完整的協議棧，96 kB的隨機存取存儲器RAM可以存儲系統需要的歷史數據，省去了外部拓展的存儲空間。它具有豐富的外設接口，包括12位AD/DA轉換口、通用I/O接口等，為實現智能化ZigBee通信提供了有利條件。核心控制模塊以JN5139為核心，對來自數據采集模塊的數據進行分析處理，及時通過串口上傳到上位機，并對執行機構發出指令，同時可以用作獨立的控制器將處理前后的數據顯示到液晶屏，起到實時監測溫室內環境參數變化的作用。

2.3 節點設計

2.3.1 節點硬件設計

ZigBee節點的硬件結構包括電源處理模塊，ZigBee終端節點采集、ZigBee無線模塊和微控制器模塊[14]。其中，ZigBee無線模塊和微控模塊選擇JN5139微控制器來作為協調器，其硬件結構圖參考圖1。電源處理模塊采用3.3 V電源為JN5139供電。

JN5139內嵌完整的ZigBee網絡協議棧，可分為3種協議類型：負責采集數據的網絡終端EndDevice、負責路由發現和數據轉發功能的Router以及負責實時接收數據的網絡管理員Coordinator。根據不同功能，可將ZigBee節點分為ZigBee終端節點和協調器節點。其中采集、轉發功能由ZigBee終端節點完成，接收數據功能由協調器節點完成。

JN5139為無線模塊核心芯片，EndDevice通過JN5139內部的12位AD來實時獲取傳感器節點信息，將采集到的信號經量化、編碼后傳給協調器節點Coordinator。協調器是整個ZigBee無線網絡的管理員，負責啟動配置ZigBee網絡，設定相關參數，存儲網絡節點信息，同時接收終端節點采集的信息并通過串口上傳到上位機。

2.3.2 節點網絡結構

根據ZigBee的組網特點，分布在溫室內的環境因子監測節點可自動形成星型或鏈狀網絡[15]，圖4所示。星型網絡指所有節點為終端節點，節點之間不允許互相通信，各自將采集到的環境因子參數上傳至ZigBee協調器節點。鏈狀網絡指在網絡中既有終端節點又有路由節點，可以設置距離協調器節點最遠的節點為終端節點，它發送的信息由父節點依次轉發最后到達協調器節點。由于本系統針對大型溫室、多因子進行數據監測，節點通信距離較遠，可能存在網絡不佳導致節點丟包率高等問題，因此本設計組建鏈狀網絡進行溫室系統監測。

a, 星型網絡結構 b, 鏈狀網絡結構a, Star network structure b, Chain network structure圖4 節點網絡結構圖Fig.4 Node network structure diagram

3 系統軟件設計

3.1 節點軟件設計

節點的軟件程序設計是在Jennic公司的CodeBlocks開發環境下編寫的。Code-Blocks功能強大，配備了ZigBee協議棧軟件包，有基礎操作系統BOS和應用程序接口API，可進行程序編寫。節點的軟件設計主要分為兩個部分：一部分為監控節點部分，主要完成環境因子數據采集并無線傳輸到協調器節點的過程；另一部分為協調器節點部分[16]。網絡組建過程為：當ZigBee節點開始上電時，先配置基本網絡參數，然后系統初始化軟硬件系統，包括串口、終端等；其次初始化協議棧，信道查詢檢測空閑信道。當協議棧初始化為ZigBee協調器節點時，則該節點建立一個ZigBee網絡進行網絡監聽和等待，如果收到新節點入網申請，則批準該節點入網并為其分配16位短地址；如果收到節點數據，則接收處理該數據，并通過串口上傳。當設置為ZigBee終端節點時，定時(默認4 min)獲取傳感器信息。其整體程序流程圖如圖5所示。

數據采集過程中，會因受到傳感器精度、故障、電路性能等因素造成的數據波動和誤差等影響，因此需對數據進行平滑處理。為了避免故障數據對平滑效果產生影響，首先應用分布圖[17-18]法剔除問題數據，再對傳感器參數進行3次指數平滑[19]，其平滑公式為：

(1)

式中：α為平滑系數，α值越大，表明其受實際溫室內測量值的影響越大，無法充分發揮歷史作用，受歷史作用影響小，取值范圍在0～1；xi(t)為傳感器在時刻的實際測量值。由于環境信息多樣，且1d內會產生變化，但幅度不大，所以本系統對α取值0.2，采用測得前6個數據的平均值作為初值。平滑后的數據，再發送至協調器節點。傳感器之間鏈狀網絡分布，從距離最遠的傳感器(本系統選取溫濕度傳感器)節點依次發送給下一跳節點，最終發送至ZigBee協調器節點。完成一次完整采集與發送后，ZigBee節點進入休眠模式，待休眠時間結束進行下一次數據的采集。

3.2 上位機結構設計

上位機系統功能是接收來自ZigBee協調器節點的數據，正確顯示并根據數據值做分析處理以及響應。包括參數設置，主菜單欄，歷史數據查詢，告警模塊4部分。其功能結構圖如圖6所示。上位機開發采用面向對象的VisualC++6.0軟件平臺，提供友好的人機交互界面，便于用戶隨時查看管理。

4 實例分析

本研究選取的試驗對象為沈陽農業大學北山溫室試驗基地，所選取大棚內培育植物為番茄。

圖5 ZigBee通訊程序流程圖Fig.5 ZigBee communication program flow chart

圖6 上位機功能結構圖Fig.6 Function structure diagram of the host computer

4.1 運行與調試

試驗結果表明，該系統可以實時采集溫室數據并顯示。針對溫室內作物設置的不同環境因子閾值，系統可以自動或用戶手動地根據上位機指令啟動相應裝置，使溫室一直處于適宜環境。界面上可以看到實時監測數據、閾值等信息，同時也可根據不同作物設置不同的參數模型。系統設置的出錯告警界面，可以顯示告警類型、級別、狀態等信息，本系統告警級別分為“提示”、“一般”、“緊急”、“嚴重”4個等級，便于管理員隨時查看錯誤信息并及時處理，以保證系統的準確性和即時性。監測結果如圖7所示。

以空氣濕度為例，濕度上限設置為78%，下限設置為60%，當上午光照充足空氣濕度低于60%時，執行機構會關閉通風裝置或啟動加濕裝置；當濕度高于78%時，則系統會自動打開通風裝置除濕，使空氣內的濕度始終處在最適宜的設置區間內。

圖7 上位機實際運行界面Fig.7 Actual operation interface of the host computer

4.2 監測數據分析

為了測定數據采集模塊的穩定性和準確性，將各傳感器與ZigBee節點合理分布在溫室內，ZigBee協調器節點采集大棚內終端節點發送來的環境因子數據，每4 min進行一次數據發送，連續監測1 h，ZigBee控制終端與各節點距離在50 m內。

表1為溫室一天中15:25—16:25，1 h內監測到的實驗數據。由表1實驗數據可以看出，一天內下午時段，隨著時間增加，溫度呈現下降趨勢，光照強度逐漸減弱，CO2濃度和空氣濕度呈上升趨勢，土壤pH值保持在6.0左右。

4.3 系統丟包率測試

試驗數據表明，系統在監測的1 h內，ZigBee終端節點發送的空氣溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、土壤pH值數據各16組，協調器全部實時收到并在上位機顯示，沒有出現丟包現象，且數據采集較為準確；各設備運行良好，達到預期目的。

表1 沈陽農業大學28號溫室大棚一日內測量數據

Table 1 Measurement data of greenhouse 28 in Shenyang Agricultural University

序號Serialnumber溫度Temperature/℃濕度Humidity/%光照強度Illumination/lx二氧化碳濃度CO2concentration/(mg·kg-1)土壤pH值pHofsoil時間Time124.8765.327301273826.1815:25224.5165.965297053946.1715:29323.4866.021292614086.1515:33423.0266.693280234276.1815:37522.7367.419273914306.1315:41622.4968.807269454416.1815:45721.8468.482251024636.1715:49822.2369.585227014906.1615:53921.1070.892245165006.1515:571021.0471.745242805116.1316:011120.8472.672230355256.1116:051220.5573.021225915296.0916:091319.7774.318216075376.1016:131419.3476.025204715456.1416:171519.1777.894194925586.1316:211618.9378.372182735616.1516:25

表2 丟包率測試

Table 2 Packet loss rate test

距離Distance/m空曠丟包率Lossrateinfield/%溫室丟包率Lossrateingreenhouse/%30.010.01100.180.18200.270.31300.350.41400.400.59500.520.63600.610.72

為避免偶然性，分別在空曠地帶和溫室內，在有效傳輸距離60 m內設置7個測試節點，呈“V”型分布[15，20]。測試節點以2 s為間隔，向協調器發送數據包，分別記下在1 h內，空曠地帶和溫室內丟失的數據包數量計算丟包率以作對照。測試結果如表2。由表2可見，無論空曠距離還是溫室內，隨著傳輸距離增加，節點間通信質量有輕微減弱，丟失數據現象少有發生，符合系統標準。

4.4 誤差分析

圖8-a為溫室大棚內15：25—16：25光照強度的變化趨勢。由于BH1750數字型光照度傳感器比較靈敏，不同光照角度、不同位置、障礙物等均會對傳感器的測量結果產生一定誤差影響，但誤差較小，可將BH1750傳感器選取最適角度并固定好測量以減少誤差。

圖8-b為溫室大棚內15：25—16：25 CO2濃度變化，由于下午光照減弱，光合強度下降，CO2濃度緩慢回升。CO2的測量值與實際值誤差來源于溫室內溫濕度變化對其測量值造成影響，同時ZigBee無線通信距離較長或溫室內門窗、番茄葉片的遮擋等均會對測量值產生較小的誤差。本系統采用的CO2傳感器精準度為(±30±1.5)mg·kg-1[12]，滿足本溫室調控系統的要求。

不同作物對土壤pH需求不同，以本溫室大棚中番茄為例，對pH≤6.0的土壤，要推行施用堿性、生理堿性肥料，如草木灰等，以中和酸性；對pH≤5.5的土壤，施用50 kg·667m-2生石灰中和酸性，同時為降低土壤中硝酸氮含量要及時控制氮肥用量；對于少數的pH>7.5的堿性土壤，可適量施用酸性肥料[21]。由圖8-c可見，土壤pH值在6.1～6.2穩定變化。本系統NHPH49型型土壤pH值傳感器準確度為±0.1，符合系統精準度要求，使用時應注意pH傳感器放置角度。

a, 溫室大棚光照強度變化趨勢圖； b, 溫室大棚CO2濃度變化趨勢圖； c, 溫室大棚土壤pH值變化趨勢圖a, The change trend of illumination in greenhouse; b, Trend of CO2 concentration in greenhouse; c, The change trend of soil pH value in greenhouse圖8 溫室大棚環境因子變化趨勢圖Fig.8 The change trend of enVironmental factors in greenhouse

4.5 數據回歸分析

(2)

(3)

在溫室大棚這個特定的環境中，測量值會受很多不可控因素的影響，同時線性回歸模型近似本身也會引起誤差，把這種影響的結果稱為隨機誤差，用e來表示，e值越小，則回歸模型的擬合效果越好。因此得到線性回歸模型完整表達式：

(4)

根據公式，可得

(5)

在進行先行回歸前，可先畫出殘差圖分析殘差特性，如遇到傳感器采集時失誤而造成殘差大的數據，可先予以糾正，然后重新利用線性回歸模型擬合數據[23]。

(6)

濕度擬合曲線中測量值和實際值的相關指數R2為0.996 9，模型擬合效果較好。

同理，可得CO2濃度C=1.166 4C0-79.673，R2為0.993 2；溫室光照強度I=0.819 2I0+4 930.7，R2為0.984；溫室土壤pH值P=0.956 5P0+0.298 5，R2為0.862 4。本系統通過線性回歸模型，使溫室各個環境因子的測量值更加準確，也更利于工作人員對數據進行統計管理。

a. 溫室濕度擬合曲線; b. 溫室溫度擬合曲線a. Fitting curve of humidity in greenhouse; b. Fitting curve of temperature in greenhouse圖9 溫室溫濕度擬合曲線Fig.9 Fitting curve of temperature and humidity in greenhouse

5 小結與討論

本系統基于ZigBee技術、無線傳感器技術、自動檢測技術等介紹了系統硬件、軟件的開發流程，與傳統的溫室監控系統相比，本研究所建立的日光溫室智能調控系統具有如下特點：

(1)系統性能方面。目前我國現有的日光溫室監控系統多為單一因子調控，且誤差偏大，擴展性不強，往往能大體滿足系統功能性需求，而對性能精度要求不高。本系統綜合考慮多種因素，使該系統能在合理誤差范圍內調控溫室內的溫、光、水、氣、肥，使作物生長處于最適環境。同時，本系統采取鏈狀網絡結構，每隔4 min定時采集數據后節點進入休眠狀態，以減少采集頻率，有效降低了監測節點功耗，延長電池使用壽命。經驗證，所采集環境數據準確可靠，丟包率極低，運行穩定。

(2)傳輸方式及控制終端。傳統有線傳輸方式存在布線困難，監測范圍小、操作不便、功耗大等缺點。本系統將ZigBee技術應用在智能控制終端，極大提高系統實時性、可靠性，且系統價格較低廉，節點擴展容易。同時JN5139微控模塊體積小巧、操作簡單，使系統更加整潔、高效。

(3)數據處理方面。本文通過對傳感器節點上采集的數據進行三次指數平滑和線性回歸分析，使智能監控系統處理實時化，經驗證，提高了系統精準度。

實例結果表明，研究設計的日光溫室智能調控系統能夠實現對數據的準確采集，并能夠對溫室環境進行及時控制，使作物處于最優生產狀態。系統滿足無線化、智能化、精準化、低功耗的要求，具有廣泛的實際應用價值和農業推廣前景。

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(責任編輯 張 韻)

Research and design of intelligent control system for solar greenhouse based on ZigBee

YU Mingyue1， WANG Lidi1，*， LI Qingji1， LI Yadi1， LYU Tinghui2

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering，ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang110161，China; 2.CollegeofHorticulture，ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang110161，China)

In order to promote the modern management of greenhouse in North China， and to make the facility horticulture develop towards high yield and high efficiency， the intelligent control system was established based on ZigBee. To meet the needs of the control of agricultural greenhouse facilities， the system was produced by Jennic wireless microcontroller JN5139 as the control core， and the wireless sensor network was composed of sensor nodes and ZigBee wireless intelligent terminal. The system realized the real-time collection， monitoring， display， warning and control of the greenhouse environmental factors (including air temperature, humidity， light intensity， CO2concentration and soil pH value)， and could provide the historical data of greenhouse environmental factors. In order to make the results more accurate， the sensor data sequence was smoothed three times on the nodes， then the smoothed data was sent to the gateway， and the linear regression analysis of data were carried out. The system basically met the needs of wireless， intelligent and precise modern facilities horticulture. The results showed that the greenhouse intelligent control system had the characteristics of stable and simple operation， and the results were accurate， which could effectively improve the management efficiency of the solar greenhouse， and had a good application prospect.

solar greenhouse; intelligent control; ZigBee; environmental factor; JN5139; three exponential smoothing

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.06.24

2017-02-12

國家科技支撐計劃項目(2012BAJ26B01)

于明月(1992—)，女，遼寧鞍山人，碩士研究生，主要從事智能化檢測與自動控制技術研究。E-mail: 865266661@qq.com

*通信作者，王立地，E-mail: wanglidi@163.com

S625.5+1

A

1004-1524(2017)06-1026-11