利用ZigBee技術(shù)研制櫻桃大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

尹娜

（大連海洋大學應(yīng)用技術(shù)學院 遼寧省大連市 116000）

1 現(xiàn)狀分析

溫室大棚種植模式作為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一部分，已經(jīng)在我國廣泛推廣。傳統(tǒng)的溫室大棚雖然具備透過、保溫、保濕等功能，但是大棚內(nèi)的所有關(guān)于作物生長的參數(shù)指標都需要人工采集的方式獲取，除了需要耗費巨大的人工成本外，還存在人工操作不當會破壞作物生長環(huán)境、人工采集參數(shù)與指標不準確、數(shù)據(jù)分析與處理不及時等問題，從而影響作物的正常生長，造成不必要的經(jīng)濟損失。同時，對于作物果實的光照度測量完全是依照人工經(jīng)驗判斷，缺乏科學準確的數(shù)據(jù)支撐，無法完全實現(xiàn)對作物種植實時監(jiān)測，精準控制。

“溫濕度”：溫度，是表述空氣或其它物質(zhì)的熱度。濕度，則表述的是空氣中含水量的多少，一般用相對濕度表述，最高100%，最低0.00%。

“光照度”：農(nóng)作物的生長發(fā)育都離不開光照，新疆產(chǎn)地的葡萄之所以甜度高，正是因為新疆的葡萄光照充足。光照不但可以為作物自身進行光合作用提供所需的能量，而且可以為大棚形成適宜作物生長的氣候環(huán)境創(chuàng)造條件。

“監(jiān)測”：檢測，監(jiān)控。櫻桃大棚溫濕度及光照度監(jiān)測系統(tǒng)，是實現(xiàn)對櫻桃溫室大棚中空氣溫濕度多點采集、土壤濕度多點采集、光照強度多點分析等功能，結(jié)合基于Internet 大數(shù)據(jù)分析，及時為農(nóng)戶提供準確的數(shù)據(jù)和參考建議，提高櫻桃產(chǎn)量。

目前，國內(nèi)對蔬菜溫室大棚的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)很成熟，但是針對櫻桃大棚的檢測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該是剛剛起步，尤其是果實的光照度監(jiān)測，還沒有成熟的系統(tǒng)。

2 實現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 構(gòu)建基于ZigBee技術(shù)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一種無線通訊技術(shù)，具備低功耗、低成本、短時延、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性能高等優(yōu)點，與CDMA 和GSM 網(wǎng)絡(luò)十分相似。ZigBee 數(shù)傳模塊與移動網(wǎng)絡(luò)基站在工作原理上也有許多相似之處，ZigBee 技術(shù)的通訊距離是支持無限延展的，從最標準的75m 可以根據(jù)需要不斷擴大范圍。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能強大，每一個獨立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都可以成為監(jiān)控對象，獨立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與傳感器連接就可以直接對目標對象進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，還可以通過系統(tǒng)將其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)資料、參數(shù)指標傳送過來。不僅如此，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(FFD)在屬于該節(jié)點信號覆蓋的范圍內(nèi)，均可以與系統(tǒng)內(nèi)部孤立的子節(jié)點(RFD)進行無線連接。

ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要有3 種：網(wǎng)型結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)和樹形結(jié)構(gòu)。每一種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的協(xié)調(diào)器節(jié)點可以接收和發(fā)送無線信號。同時，ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈等功能。

ZigBee 節(jié)點具有自組網(wǎng)和低功耗的特點，建立櫻桃大棚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過在ZigBee 上的溫度、濕度和光照度傳感器實時采集各項信息，根據(jù)大棚的具體面積，合理投入多個ZigBee 節(jié)點，設(shè)計一個主機和多個從機組成的無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的整體框架結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組建需要完成協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)兩個步驟。完成網(wǎng)絡(luò)初始化的操作過程如下：

（1）需要檢測網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。首先需要檢驗節(jié)點為FFD節(jié)點與否，在確定節(jié)點為FFD 節(jié)點后，再檢驗該節(jié)點有無協(xié)調(diào)器存在于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。再確定該節(jié)點并未加入其它網(wǎng)絡(luò)且具備協(xié)調(diào)器功能后，才能確定該節(jié)點滿足條件，能夠建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，這個節(jié)點成為這個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，產(chǎn)生信標并不斷擴散出去。

圖1：ZigBee 節(jié)點和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)

圖2：ZigBee 網(wǎng)關(guān)

圖3：上位機監(jiān)控界面

（2）信道掃描。協(xié)調(diào)器建立新的網(wǎng)絡(luò)后進行信道掃描，包括：能量掃描和主動掃描。第一步，排除干擾，對物理層所有默認的信道或者用戶指定的信道進行能量掃描。根據(jù)信道測量值按照遞增排序的處理方法將信道進行排列，篩選出能量值符合標準的信道進行下一步驟，能量值超出能量范圍的信道則全部舍棄。第二步，符合能量值范圍的信道執(zhí)行主動掃描，選擇網(wǎng)絡(luò)數(shù)目最少的信道確定該信道作為用于建立新網(wǎng)絡(luò)的信道。

（3）配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。通過信道掃描篩選出滿足要求的信道，協(xié)調(diào)器則會確定一個PAN 描述符，確定的PAN 描述符必須滿足PAN ≤0×3FFF 且PAN ≠0×FFFF,同時該PAN 描述符必須是所選擇的信道內(nèi)唯一的描述符。短地址（16 位）和擴展地址（64位）是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的兩種地址模式。通常協(xié)調(diào)器選擇的短地址為0x0000。本地網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備標識采用短地址（16 位），在任意一個網(wǎng)絡(luò)中，短地址在每個設(shè)備中都是獨一無二的，當節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時由其父節(jié)點分配并通過使用短地址來通信；擴展地址由IEEE 組織分配，用于唯一的設(shè)備標識。

（4）運行新網(wǎng)絡(luò)。將網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置好，運行新網(wǎng)絡(luò)，啟動狀態(tài)通過原語通知網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層管理實體再通過原語通知上層協(xié)調(diào)器初始化的狀態(tài)。

在檢測網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、信道掃描、配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、運行新網(wǎng)絡(luò)都順利進行后，網(wǎng)絡(luò)初始化這一步驟就成功了，等待其它節(jié)點加入即可。

節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)：

（1）查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。對周圍網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器進行主動掃描，掃描過程中若檢測到信標，就能夠獲取協(xié)調(diào)器的相關(guān)信息，可以發(fā)出請求與協(xié)調(diào)器連接。在選擇合適的網(wǎng)絡(luò)之后，上層將請求mac 層對物理層和mac 層的phyCurrentChannel、macPANID 等PIB 屬性進行相應(yīng)的設(shè)置。掃描過程中若沒有檢測到信標，在一段時間間隔后，節(jié)點會再次對周圍網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器進行掃描。

（2）發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令。協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點發(fā)送的關(guān)聯(lián)請求的命令后會立即回復(fù)一個確認幀（ACK），并且協(xié)調(diào)器會將連接指示原語發(fā)送給它的上層。協(xié)調(diào)器上層在收到指示原語后，會對自身的情況做出判斷，判斷依據(jù)包括：能量和存儲空間情況。協(xié)調(diào)器的能量和存儲空間滿足要求時，協(xié)調(diào)器上層才會允許節(jié)點加入，將響應(yīng)發(fā)送給節(jié)點的mac 層。

（3）等待協(xié)調(diào)器處理。協(xié)調(diào)器加入請求命令被節(jié)點接收一段時間后，節(jié)點的mac 層會接受協(xié)調(diào)器的連接響應(yīng)。協(xié)調(diào)器的能量和存儲空間都充足的情況下，協(xié)調(diào)器會分配一個短地址給節(jié)點，該節(jié)點與協(xié)調(diào)器成功連接。

（4）發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令。在響應(yīng)時間內(nèi)協(xié)調(diào)器允許節(jié)點加入，響應(yīng)時間過后節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令并且將該命令進行存儲。

（5）回復(fù)。關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令被節(jié)點接收后，協(xié)調(diào)器會收到節(jié)點發(fā)送的確認幀（ack），表示該節(jié)點成功接收連接響應(yīng)命令，節(jié)點回復(fù)確認幀（ack）的時候會將協(xié)調(diào)器的短地址（16 位）和擴展地址（64 位）保存下來。同時，該節(jié)點會將連接確認原語發(fā)送至上層，通告關(guān)聯(lián)加入成功的信息。

2.2 結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

設(shè)計智能網(wǎng)關(guān)，通過Wi-Fi 技術(shù)，將ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與智能終端連接，并連接Internet，如圖2 所示。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

采用Android 編程技術(shù)編寫移動終端（手機）監(jiān)測程序的界面，完成上位機和主ZigBee 協(xié)調(diào)器間數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)上位機監(jiān)控界面與主機控制器之間實時數(shù)據(jù)通信的功能，如圖3 所示。

3 系統(tǒng)的特色和創(chuàng)新點

系統(tǒng)中對光照度的監(jiān)測是特色。光照是農(nóng)作物生長發(fā)育不可或缺的一個重要因素，溫室大棚的環(huán)境條件也離不開光照。農(nóng)作物的生長速率以及農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量都與光照息息相關(guān)。光照對于溫室大棚起的最重要的兩點作用：

（1）農(nóng)作物的生長發(fā)育離不開光合作用。

（2）溫室大棚的溫度調(diào)控離不開光照。

光照雖然對于農(nóng)作物十分重要，但是光照強度也必須是控制在合理的范圍內(nèi)。高強度的光照會造成農(nóng)作物的水分迅速流失，嚴重的甚至會對葉片造成一定損傷，危害農(nóng)作物的健康狀態(tài)；光照度不足，農(nóng)作物不能充分地獲取光能進行光合作用，農(nóng)作物營養(yǎng)匱乏就會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。在這些情況下，經(jīng)與農(nóng)戶調(diào)研得知，“光照量”對櫻桃果實的成熟度尤其重要。

系統(tǒng)中引入ZigBee 技術(shù)，Android 系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建以移動終端為核心的櫻桃大棚溫濕度及光照度監(jiān)測系統(tǒng)，為農(nóng)戶及時提供溫室大棚的各項信息，并結(jié)合基于Internet 的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，及時為農(nóng)戶提供解決方案，是本系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新點。

4 總結(jié)

櫻桃大棚溫濕度及光照度監(jiān)測系統(tǒng)主要采用低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee 技術(shù)，組成溫濕度和光照度采集網(wǎng)絡(luò)，通過移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將信息及時顯示到農(nóng)戶的手機上，同時結(jié)合基于Internet的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，為農(nóng)戶提供建議和參考。

系統(tǒng)的研制，使農(nóng)戶能更及時方便的獲取精準的櫻桃大棚的光照度、溫度、濕度、CO2等技術(shù)參數(shù)，并通過大數(shù)據(jù)技術(shù)為農(nóng)戶提供合理的建議。根據(jù)精準的數(shù)據(jù)信息作為支撐，打造大棚內(nèi)部最佳的農(nóng)作物生長環(huán)境，解決農(nóng)作物因為大棚內(nèi)部溫濕度以及光照不達標而影響農(nóng)作物生長的問題，從而達到提高作物的產(chǎn)量和果實的質(zhì)量，形成科學技術(shù)與農(nóng)業(yè)種植相結(jié)合的全新種植模式，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，打造高效優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品，降低勞動成本的同時，提升農(nóng)民的收入水平。

我國科學技術(shù)在不斷地創(chuàng)新與發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品市場經(jīng)濟也在迅速發(fā)展。隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)在全國各地的覆蓋與推廣，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的農(nóng)業(yè)種植模式將會在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域占據(jù)重要的地位。農(nóng)業(yè)化與信息化的結(jié)合將會很好地推動農(nóng)業(yè)種植的發(fā)展，種植模式朝著綠色、生態(tài)、節(jié)能、高效的方向轉(zhuǎn)變，我國農(nóng)民的經(jīng)濟收入將不斷提升，農(nóng)業(yè)市場經(jīng)濟也將在我國市場經(jīng)濟占據(jù)更大的比重。