基于ZigBee的智能大棚系統設計

饒章宇

摘? 要： 物聯網技術的發展改變了各個行業傳統的生產方式，文章使用ZigBee技術設計一種能夠監測溫室大棚環境并自動控制的智能大棚系統。該系統能自動調節大棚內作物的生長環境，作物的生長環境主要由水泵、換氣扇和遮陽板三種設備進行調節，讓大棚內的環境始終保持在適合作物生長的最佳狀態，調節的依據是利用傳感器收集到的大棚內各個環境參數的閾值。文章給出了系統的總體設計、通信協議設計，以及移動端功能設計。

關鍵詞： 物聯網; ZigBee; 溫室大棚; 智能; 傳感器; 通信協議

中圖分類號：TP23; S126? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）08-21-03

Abstract： The development of Internet of Things technology has changed the traditional production methods of various industries. This paper uses ZigBee technology to design a intelligent greenhouse system that can monitor the greenhouse environment and automatically control it. The system can automatically adjust the growth environment of crops in the greenhouse. The growth environment of the crops is mainly regulated by three devices： water pump， ventilating fan and sun visor， so that the environment inside the greenhouse is always in the best state suitable for crop growth. The adjustment is based on the thresholds of various environmental parameters in the greenhouse collected by the sensors. This paper gives the overall design of the system， the design of the communication protocol， and the functional design of the mobile terminal.

Key words： Internet of things; ZigBee; greenhouse; intelligence; sensor; communication protocol

0 引言

我國是農業大國，農業是國家的重要經濟命脈。溫室大棚可以改變植物生長環境，根據作物的最佳生長條件，調節溫室氣候，使之一年四季滿足植物生長需要。與普通的溫室大棚相比，數字化精準農業溫室大棚不僅能夠種植優質高產反季作物，而且將電子、計算機、通信和自動控制等信息技術引入到該領域，朝著精細農業、數字農業的方向發展[1]。

采用無線方式對溫室大棚內的環境因子進行多點多參數的采集，可以避免在土壤中鋪設大量的線纜，影響作物的耕作。根據所采集的數據，需對溫室大棚的環境進行良好的控制，有效地控制大棚內作物在生長過程中需要的水分、通風以及溫度等，高度有效地利用各種資源以求得到最大的產出。本文所設計的基于ZigBee技術[2]的智能大棚系統可很好地滿足大棚的控制要求。

1 總體設計

智能大棚系統由ZigBee無線傳感網，ZigBee網關以及包括移動終端、云存儲在內的上位機構成。如圖1所示。

圖1中的各種傳感器節點和控制節點使用基于CC2530[3]的ZigBee節點來完成數據的傳輸。ZigBee網關主要由一個CC2530模塊和一個RT5350模塊構成，前者充當ZigBee網絡的協調器，后者在嵌入式Linux系統OpenWrt[4-5]的支持下，實現Wifi路由器的功能，二者之間通過串口通信。圖中的移動設備可以直接通過局域網與ZigBee網關通信，也可以通過互聯網連接云服務器，再與ZigBee網關通信。

每個大棚有一套環境參數傳感器節點、控制節點和對應的設備，以及攝像頭。智能大棚系統具有如下功能。

⑴ ZigBee網關周期性地將各個大棚的環境參數及執行類設備狀態數據保存到云端。保存的數據包括環境參數和控制設備的狀態，保存數據的周期可以更改。

⑵ 針對不同的季節和不同的作物，根據作物生長的環境參數閾值，自動啟停相應的設備來調節環境參數。

⑶ 移動端查詢最新的環境參數及執行類設備狀態。查詢的結果與⑴中的數據一樣。

⑷ 移動端設置適合大棚內作物生長的環境參數閾值，比如最低溫度和最高溫度，最低濕度和最高濕度等。

⑸ 通過攝像頭監視作物的生長情況，可以在移動端查看。使用至少兩個攝像頭，一個監視大范圍作物，一個監視局部作物。

⑹ 通過移動端控制大棚內的執行設備，以調節環境參數。盡管智能大棚可以自動調節環境參數，但是某些情況下可能需要手動調節。比如某些傳感器出現了故障造成數據失真;天氣突然變化等。因此，除了自動調節環境參數外，有時候還需要人工干預。

2 通信協議設計

智能大棚系統中的通信發生在ZigBee網關和移動端、ZigBee網關和云端，以及ZigBee網關（或ZigBee協調器）與各個ZigBee傳感器節點或設備控制節點之間。需要規定這些通信的協議或消息格式，才能保證整個系統有條不紊的正常工作[6]。

2.1 移動端與ZigBee網關之間的通信協議設計

移動端通過向ZigBee網關發送相應的請求消息來實現對大棚的環境參數及設備狀態的查詢，實現設定大棚的環境參數閾值、或啟停執行設備等功能。ZigBee網關收到請求消息后，會返回對應的響應消息。表1和表2是移動端和ZigBee網關之間通信的消息格式。

大棚編號為“01”-“99”，“00”表示所有大棚，表1發送的消息表示對當前大棚編號進行操作。對于功能碼“0”，“5”，“6”，“7”，由于無數據發送，所以其請求消息的數據字段是0字節，即無。對于功能碼“1”，“2”，“3”，“4”，其數據字段表示設定的時間，由兩個字符表示。對于功能碼“8”，其數據字段為各環境參數的閾值，其中空氣溫濕度4字節，土壤濕度2字節，CO2濃度3字節，光照強度4字節，包括最低值和最高值，總共26字節。除了功能碼“0”的返回消息是返回大棚數據外，其他功能碼的返回消息都是返回發送消息執行是否執行成功。

2.2 ZigBee 網關周期性保存數據及響應移動端查詢的消息格式

ZigBee網關周期性地將各個大棚的環境參數及執行類設備狀態數據保存到云端，這些數據有空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、空氣中二氧化碳濃度、大棚內光照度，以及三種執行類設備的狀態（開/關/未知）。另外，當移動端查詢大棚數據時（對應于表3中的功能碼“0”，“1”），ZigBee網關也會返回同樣的數據。消息格式定義如表4。

2.3 各傳感器節點和控制節點向ZigBee網關提交數據的消息格式

每個大棚或監控區，都有一套相同的環境參數傳感器節點和控制節點。四個傳感器節點包括空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2傳感器、光照度傳感器。一個控制節點控制水泵、換氣扇和遮陽板。傳感器節點將相應的環境參數數據傳給ZigBee網關，控制節點將相應執行設備的狀態傳給ZigBee網關。表5是4個傳感器節點和1個控制節點向ZigBee網關提交數據的格式。

上述消息格式中的大棚編號的含義同前。終端編號用于識別節點的作用，如“D4”用于收集光照強度。消息中的狀態或傳感器值同前，都用字符表示，如“D4012310q”表示1號大棚光照強度為2310lux，其中“q”為“D4012310”每個字符作異或操作得出來的校驗碼。

3 移動端設計

在智能大棚系統中，移動端屬于ZigBee網絡的上位機的一個重要組成部分，是人們與智能大棚系統進行交互的媒介，它可以使人們對大棚的監測與控制不受地點的約束。移動端采用了Android技術[5]開發。

移動設備的主要功能包括：查詢大棚環境參數數據，設置大棚各個環境參數的閾值（適合作物生長的環境參數最小值和最大值），在某些情況下啟動或關閉大棚的水泵、換氣扇和遮陽板，以及設置ZigBee網關向云端保存數據的周期，還可以查看大棚內監控攝像頭的畫面，如圖2所示。

4 結束語

目前，國家已經將智能農業作為戰略性新型產業給予大力推進，智能大棚系統是我們對智能農業的一個探索。該系統的特色包括：1）將大棚內的環境參數保存到云端，一方面使數據存儲更加安全可靠，另一方面也可供后續功能擴展和數據分析使用;2）使用Android端對大棚內的環境參數進行監測和控制，不受地點的約束;3）通信協議設計完整、簡潔、高效。目前市面上的智能窗簾系統還未普及，現有的自動窗簾系統也存在各種弊端。該系統相較于市面上的大多數自動窗簾系統而言，更加便捷和高效，也更加智能。就生活中智能窗簾的普及程度和該系統的優勢來看，本文設計的自動窗簾系統具有應用前景。

參考文獻（References）：

[1] 廖建尚.基于物聯網的溫室大棚環境監控系統設計方法[J].農業工程學報，2016.32（11）：233-243

[2] 陶平. 基于ZigBee的溫室大棚智能監控系統的研究[D].西華大學，2012.

[3] 劉德.基于CC2530的ZigBee無線組網[J].可編程控制器與工廠自動化，2012.6：93-95

[4] 王琦，張睿曦，趙恒.基于OpenWrt的智能大棚監控系統設計[J].河南機電高等專科學校學報，2018.26（3）：4-7

[5] 魯海瑞. 基于OpenWrt與Android的智能家居系統研究與實現[D].山東大學，2016.

[6] 張宇.智能家居通信系統設計與實現[D].青島大學，2018.