基于ZigBee技術的大棚環境監測系統

程 平

(咸寧市咸安區馬橋鎮農機服務中心，湖北 咸寧 437020)

0 前言

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中[1]，明確將“傳感器網絡及智能信息處理”作為“重點領域及優先主題”，智能農業必將在未來具有廣闊的應用。而傳統農業生產過程中，農戶只能憑借經驗來判斷作物生長環境，無法精確地獲得農業環境的數據，無法有效預防災害。例如，干旱、水污染、蟲災等。針對上述問題，本文設計了基于ZigBee技術的大棚環境監測系統，該系統是通信、計算機技術在農業領域的應用，它將信息的采集、傳輸、處理和控制融為一體，使人們更容易獲得農作物生產生長各個階段的信息。

1 系統的工作原理與組成

農業大棚環境監測系統主要由大棚數據采集端、大棚數據發送端和大棚數據監控端3部分組成。系統的總體架構如圖1所示：

圖1 系統的總體架構

傳感器模塊采集大棚內部環境數據，經由ZigBee無線傳感器模塊傳輸至STM32主控制器進行處理，然后將數據通過GPRS無線模塊傳輸至PC端監控中心。

2 大棚數據采集端

2.1 影響作物生長的主要環境因子

大棚數據采集端采集的數據主要是影響農作物生長的主要環境因子，有以下5個：

(1)溫度。農作物必須要在適宜的溫度下才能生長，一切的生物化學反應都是在一定的溫度下進行的。

(2)濕度。濕度是指溫室空氣的相對濕度，濕度影響作物的光合作用，從而影響作物的生產質量。

(3)CO2濃度。大氣中的CO2濃度一般控制在0.03%，在密封的溫室內CO2濃度變化較大，植物進行光合作用的原料之一就是空氣中的CO2。

(4)光照強度。長期的缺光會導致作物生長不健康甚至死亡，光照充足能使作物很好地生長。

(5)土壤濕度。土壤濕度過大，會導致作物的根系腐爛。土壤濕度過小，會導致作物缺水而死。

因此，該系統采用溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照強度傳感器和土壤濕度傳感器采集上述5個環境因子。

2.2 ZigBee技術的優勢及原理

由于農業大棚內部數據傳輸范圍較小，傳輸速率要求不高，環境復雜不易布線，非常適合采用ZigBee無線網絡技術。ZigBee技術是一種低功耗、近距離、低成本的無線網絡技術，ZigBee節點可采用干電池供電，易于移動，靈活方便。采集節點模塊如圖2所示：

圖2 采集節點模塊

該節點主要是由CC2530模塊、電源模塊、傳感器模塊和射頻天線構成，電源模塊為節點提供穩定的電壓，終端節點上傳傳感器采集的數據，通過射頻天線提供的通信接口接入ZigBee網絡，將數據發送至協調器進行整合，協調器將各節點上傳的數據整合后通過串口傳輸至主控制器采集節點模塊[2]。

3 大棚數據的發送與監控端

無線數據傳輸能克服傳統控制系統傳輸距離短、移動性差的問題，也應具備穩定可靠、高速、低成本等特點。基于以上因素考慮，可以通過在主控制器拓展外設GPRS模塊，與PC端監控中心建立TCP/IP通信連接，再由監控中心設置環境數據報警閾值，達到遠程監控大棚環境的目的。遠程數據交互框架如圖3所示：

圖3 遠程數據交互框架

GPRS模塊內嵌TCP/IP協議，主控制器通過無線網絡可以把數據實時傳送到用戶監控端。由于成熟的蜂窩數據通信方式被GPRS模塊采用[3]，提高了通信的可靠性，降低了數據傳輸中的干擾，保證了數據傳輸的范圍。用戶監控端收到環境數據后，即可查看環境數據，也可通過設置的環境數據報警閾值，收到報警信息。

4 結論

本文設計的基于ZigBee技術的大棚環境監測系統實現了在農業生產過程中對大棚內部環境的實時監測，提高農業生產精細化管理水平，達到合理使用農業資源、降低生產成本、改善生態環境、提高農產品產量和品質的目的。