基于ZigBee網絡的溫室環境監控系統設計

張宏偉+解應博+楊紅濤

摘 要：傳統的依靠人工對溫室溫度和濕度進行監測和控制的方式，由于監測誤差大，控制具有延遲性，導致溫室內的環境參數不能穩定在合理范圍內。針對監控水平自動化程度低，不能適應溫室規模化種植這一現狀，設計了基于ZigBee網絡的溫室環境監控系統。該監控系統利用傳感器對溫室內的溫度和濕度進行檢測，將檢測到的參數值經過ZigBee網絡和RS485總線傳輸到上位機中。上位機對數值進行分析處理，然后發送指令到控制設備，進行溫室環境監測和控制。實驗表明該監控系統靈敏度高、控制靈活，達到了預設效果。

關鍵詞：ZigBee；上位機；RS485總線；溫濕度監控

DOIDOI：10.11907/rjdk.171325

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0061-03

0 引言

隨著通訊技術的發展，溫度、濕度信息的實時采集、分析和處理，以及相關設備的控制靈敏度都有很大提高，將溫室規模化種植提升到了一個新高度。目前的信息通訊技術中，有線信息傳輸方式有CAN總線、RS485總線、Profibus總線等[1-3]，無線通訊技術應用較頻繁的是藍牙技術、ZigBee技術、WiFi技術以及移動通信技術等[4-6]。有線通信技術和無線通信技術都可以在一定程度上完成溫室溫度、濕度參數以及控制指令的傳輸。但是，溫室內環境復雜，布線困難[7]，而無線技術傳輸距離較短[8]，將有線通信和無線通信兩者結合，才能更好地完成環境參數的檢測和控制[9]。

為了達到溫室環境參數檢測靈敏、控制設備延遲性低的要求，提出了一種基于ZigBee網絡和RS485總線的溫室環境監控系統方案，該監控系統能很好地實現溫室內的溫度和濕度的實時監測和控制，使溫室內的環境參數始終處于設定的范圍內。

1 系統總體架構

溫室環境監控系統由溫濕度采集模塊、無線溫濕度監測儀、遠程上位機和相關控制設備組成。溫濕度采集模塊和無線溫濕度監測儀共用CC2480作為控制器，利用組態王6.55設計監控界面，對溫室內的溫度濕度參數實時顯示，可通過監控界面了解溫室內相關設備的運行狀況，有利于工作人員及時掌握溫室狀況，系統架構如圖1所示。

SHT11傳感器將采集到的溫室溫度值和濕度值傳送到CC2480芯片中，再通過ZigBee網絡將信息發送給無線溫濕度監測儀，無線溫濕度監測儀通過RS485總線與遠程上位機相連，上位機對傳來的信息進行分析，存儲處理后，發送相應指令到PLC中，PLC根據接收的指令來控制加熱器、噴霧器和通風機的開啟或關閉。

2 系統硬件組成

2.1 傳感器模塊

選擇傳感器主要從供電方式、供電電壓、測量誤差大小、信號輸出方式等幾個方面考慮。本監控系統數據采集選用SHT11溫濕度傳感器，該傳感器具有響應速度快、抗外界干擾能力強、性價比高等優點。SHT11為兩線數字式輸出，測溫范圍為-40～+123.8℃，濕度檢測范圍為0～100%RH，檢測溫度精度為±0.4℃，濕度檢測精度為±3%RH，內部結構如圖2所示。

傳感器將采集到的溫濕度值轉換成電信號，經過放大電路放大的信號通過模數轉換電路，把模擬量信號轉換成數字量信號，同時對信號進行數據標定，最后通過I2C總線接口輸出信號。

2.2 CC2480模塊

CC2480芯片是一款集低功耗和低成本等優點于一體的、支持ZigBee傳輸協議的射頻芯片，具有較寬的電壓支持范圍，能夠處理對時序要求嚴格的ZigBee協議任務，具有良好的通訊功能，能通過SPI接口或UART接口和任何類型的微處理器通信。溫濕度傳感器將采集到的信息傳送到CC2480芯片，再經過CC2480芯片利用ZigBee無線通信方式，將信息傳輸到溫濕度監測儀中。CC2480和SHT11的接口電路如圖3所示。

2.3 PLC控制模塊

監控系統選擇S7-300系列的PLC作為控制器，控制相關設備的啟動和停止。PLC在長時間運行中能保證良好的安全可靠性， S7-300系列的PLC采用模塊化設計，具有靈活的組裝特性，能夠根據實際需要組裝不同的功能模塊。監控系統選用SM322數字量輸出模塊來連接補光燈和噴霧器等相關設備，從而控制溫室內的溫度和濕度，保證植物茁壯成長。由于PLC自身帶負載能力較弱，不能直接和大電流的電器連接，因此在PLC的輸出端通常連接一個電流相對較小的中間繼電器，再由該中間繼電器和大電流電器連接。SM322和相關控制設備接線如圖4所示。

SM322模塊與噴霧器、加熱器、通風機、補光燈、溫度報警指示燈、濕度報警指示燈和系統正常運行指示燈相連，PLC接收上位機傳來的相關控制指令，驅動相應控制設備，使溫室內環境保持穩定。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee傳感器節點軟件設計

ZigBee技術擁有十分強大的組網能力，能夠形成星型、樹型和網狀網3種網絡結構，本文采用星型網絡。星型網絡是最簡單的拓撲形式，自帶IEEE.802.15協議層，因此星型拓撲網絡結構可以不用ZigBee的網絡協議棧。傳感器節點由信息采集模塊、信息處理模塊、信息傳輸模塊和供電模塊組成。監控系統開始運行后，信息采集模塊將采集到的環境參數進行模數轉換，信息處理模塊完成信息的存儲、處理以及傳輸。傳感器節點工作流程如圖5所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件設計主要功能是讓操作人員更加清晰地了解到溫室的溫濕度變化情況以及各種設備的運行狀況。組態王6.55原理簡單、操作方便、功能強大，所以監控系統選用組態王6.55實現上位機的監控界面顯示。在該監控系統設計中，上位機實現主界面設計、參數設置和調整界面設計、歷史曲線界面設計、實時曲線界面設計、數據報表和存儲界面設計以及報警界面設計。監控人員可根據需要選擇進入不同的監控界面了解相關信息。

4 結果分析

基于ZigBee網絡的溫室環境監控系統能很好地實現溫室溫濕度的在線實時監測和控制，能夠根據溫室植物的生長需要，將溫度和濕度控制在一個合適的范圍。圖6為某一時間段內溫室溫度實時曲線圖。

選取上午10：00到12：00這個時間段進行實驗，溫室內的溫度測量實時曲線如圖6所示，溫室溫度在監控系統正常運行下保持在24-29℃這一對植物生長最有利的范圍值內。

5 結語

基于ZigBee網絡的溫室環境監控系統，能夠根據檢測需要在溫室內不同位置布置溫度傳感器和濕度傳感器。搭建的無線網絡解決了溫室內布線困難問題，RS485總線的運用也有效解決了ZigBee網絡傳輸距離較短的缺點，工作人員能在遠程監控室內通過上位機監控界面掌握溫室情況。試驗測試表明，該監控系統能很好地完成溫濕度環境參數檢測，組態王設計的監控界面能對各種信息保存和顯示， PLC能根據接收的指令很好地完成相關設備的控制任務，使溫室環境參數始終處于一個有利于植物生長的范圍值內，具應用和推廣價值。

參考文獻：

[1]單冰華，張鳳登.基于CAN總線的溫濕度檢測系統[J].電子測量技術，2016，39（5）：123-126.

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[3]王艷芳，任勝杰，李智強.Profibus總線在智能溫室監控系統中的應用[J].機床與液壓，2010，38（4）：64-68.

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[9]楊靖，白保良，李澤滔.溫室環境監控系統的設計—基于RS-485總線和無線通信方式[J].農機化研究，2013（10）：166-170.