基于ZigBee無線傳感器網絡在溫室大棚中的應用研究

董香麗

摘 ?要：隨著現代農業的發展，溫室大棚在農業生產中的應用越來越廣泛，但是在自動監控方面仍存在著諸多問題，根據溫室大棚的類型和農作物的生長特點，提出了一種基于ZigBee無線傳感器網絡在溫室大棚中的應用方案，利用ZigBee技術實現數據的采集及信息的無線收發。該文介紹了ZigBee無線傳感器網絡網絡的體系結構，及在溫室大棚中的應用技術，在物聯Zigbee技術的引領下，現代化的精準農業采用了先進的溫室大棚種植技術。基于ZigBee技術的無線傳感器網絡的應用實現了增產增收，提高農作物質量，提高經濟效益，且便于推廣。

關鍵詞：ZigBee ?無線傳感器網絡 ?溫室大棚

中圖分類號：TP212.9;TN92 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（a）-0034-02

我國是一個農業大國，農業的發展是國家發展的重中之重，糧食歷來都是長治久安百姓幸福生活的保障，也關系到人們“舌尖上的安全”。中國作為農業大國，農業研究和應用也越來越受到重視。溫室大棚信息化是農業現代化的制高點，物聯網技術在溫室大棚中的應用不斷普及，對我國農業現代化產生重大的影響，使農業生產正以規模化、智能化發展，已經成為高效農業、現代化農業的一個重要組成部分。溫室監控區域較大，需要大量的傳感器節點構成大型監控網絡，通過各種傳感器采集諸如溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度等信息，實現自動化監控。傳統溫室監測與控制系統多采用有線連接，布線復雜，往往造成溫室內線纜縱橫交錯、使用不便、安裝維護困難、可靠性差等問題。基于ZigBee技術的無線傳感器網絡在溫室大棚中的應用，可以監測控制一個大棚，也可以監測控制多個大棚。溫室大棚內各項環境參數及其氣候監測研究和自動化控制已成為現代農業發展的趨勢。根據農作物生長需要進行實施智能決策，并自動開啟或者關閉指定的環境調節設備。20世紀90年代后，無線技術的廣泛應用使得它在許多國民經濟領域的應用研究獲得迅速發展。將傳感器整合到無線傳送網絡中：通過在農業大棚內布置溫度、濕度、光照等傳感器，對棚內環境進行檢測，從而對棚內的溫濕度、光照等進行自動化控制。通過更加精細和動態監控的方式，來對農作物進行管理，更好地感知到農作物的環境，達到“智慧”狀態，提高資源利用率和生產力水平。

1 ?系統設計

基于ZigBee技術的無線傳感器網絡在溫室大棚中的應用系統的設計是基于北京博創UP-CUP IOT-IAS型智能農業實訓系統，分為硬件設計和軟件設計。功能性能需要滿足節點與協調器間無線網絡通信穩定;數據采集程序設計要穩定、準確。人機交互界面美觀友好、操作簡單快捷。視頻監控畫面清晰、流暢。采用節點、協調器、主控器三層架構，實現人性化的人機交互界面及穩定準確的實時數據傳輸。

1.1 硬件架構

基于ZigBee2007/PRO協議棧，無線網絡，在網絡設備安裝、架設過程中自動完成。如圖1所示，工作流程是：當上位機發送命令以后，網關接收命令，首先判斷是不是可用的命令，如果可用，根據命令判斷計算機需要哪個節點的信息，并向該節點發送命令要求將對應數據傳回網關，然后再將接收到的指定節點的信息按既定格式發送給上位機。在ZigBee2007/PRO無線網絡中，網關作為一個ZigBee無線網絡的協調器作用，負責對ZigBee無線網絡的管理及維護。上位機與協調器之間用串口通信，協調器與節點之間無線通信，節點與終端設備之間通過串口或其他IO口進行通信。

1.2 軟件設計

該軟件分為3層架構，從下到上依次是ZigBee節點層、ZigBee協調器層、用戶界面層。ZigBee節點層：該層主要負責設備的操作，如傳感器數據采集、電機控制等，根據接收到的上層發送的指令響應不同的動作。ZigBee協調器層：該層負責接收下層數據并通過串口發送給上層用戶界面，上層用戶界面發送的指令傳送給下層節點。用戶界面層：該層負責協調器對協調器接收到的數據進行解析和下層設備控制指令的發送。提供給用戶一個可視化圖形界面，方便操作。

1.3 主要模塊設計

ZigBee無線組網技術，使用USB仿真器連接PC機和ZigBee（CC2530）模塊，將ZigBee調試板電源撥到3.3V段，打開ZigBee模塊開關供電。分別下載協調器程序、節點程序。啟動設備測試，首先啟動協調器模塊，建立網絡時LED1閃爍，成功后LED1點亮停止閃爍，再啟動節點端ZIGBEE模塊，入網成功后LED1點亮停止閃爍，網絡組建成功。基礎控制型設備控制程序，基礎控制型設備有4個，分別是電燈、風扇、水泵、加熱器，它們的原理相同，此處以電燈控制為例，控制型設備連接CC2530的相關引腳，通過對引腳的高低電平設置來控制電燈的開關。設備控制程序通過串口給協調器發指令，再由協調器通過ZigBee網絡發給節點，節點解析相應指令來控制電燈的開關。步進電機控制程序（電動窗），步進電機連接CC2530的相關引腳，通過相應引腳的設置來控制步進電機的正傳反轉及停止。傳感器數據采集程序，項目中用到的串口型傳感器有光照傳感器、風速傳感器、CO2濃度傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器和雨雪傳感器。傳感器將采集的數據通過ZigBee網絡周期循環上報給協調器，協調器接收數據并寫入串口上。

2 ?主要功能

基于ZigBee無線傳感器網絡在溫室大棚中的應用研究采用時下熱門的物聯網技術、ZigBee技術、嵌入式技術和無線傳感器網絡技術相結合的方法，精心挑選各種傳感器，高精度測量溫室大棚生產過程中的參數、智能控制溫室內溫濕度及通風狀況等。通過控制器程序的燒寫、制作SD卡啟動卡、USB驅動的安裝、系統的燒寫、ZigBee模塊的燒寫及硬件連接后系統主要實現如下功能。

（1）室內外環境實時監測功能：各個傳感器節點實時采集室內外環境參數并上報處理器進行顯示并處理。

（2）環境自動調節功能：該功能實現農業生產無人值守化的功能，結合農作物的最佳生長參數進行設置并啟動自動控制功能，通過水泵、換氣扇、植物生長燈等控制設備進行不斷的環境調節。

（3）視頻監控功能：大棚內裝有高清監控攝像頭，可以在室外清晰地觀察到溫室大棚內的植物生長和環境變化情況。

3 ?結語

基于ZigBee無線傳感器網絡在溫室大棚中的應用研究，基于北京博創科技UP-IAIMS智能農業實訓系統實驗設備，研究了ZigBee技術、無線傳感器網絡技術的理論知識在溫室大棚中的具體應用。實現了對溫室大棚中的一舉一動不間斷遠程監控，及時掌握農作物生長情況，實現了農業可視化、精準化和信息化。

參考文獻

[1] 駱秀斌.智能溫室大棚系統的研究與設計[D].安徽理工大學，2017.

[2] 李雪，文燕，鄒承俊，等.基于物聯網的智能農業大棚系統[J].時代農機，2019，46（1）：106-107，110.