基于ZigBee的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

李瑋瑤等

摘 要： 根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植智能化的需要，設計一種基于ZigBee技術的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。通過對傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端控制器的硬件和軟件設計，結(jié)合ZigBee傳感技術實現(xiàn)了對棚內(nèi)空氣土壤溫濕度、CO2濃度和光照強度等參數(shù)的無線監(jiān)測和控制。該系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)蔬菜大棚管理中布線難、節(jié)點移動性差和系統(tǒng)可擴展性差等問題，滿足了蔬菜大棚中環(huán)境參數(shù)自動監(jiān)測的需要，具有很強的應用推廣價值。

關鍵詞： 蔬菜大棚； 環(huán)境監(jiān)控； ZigBee； 無線監(jiān)測

中圖分類號： TN911?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0051?04

0 引 言

大棚蔬菜對生長環(huán)境的要求很高，如何利用智能無線控制技術對棚內(nèi)的溫度、濕度、光照、CO2濃度等條件進行實時監(jiān)控，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向智能化和信息化發(fā)展的必然趨勢[1]。傳統(tǒng)監(jiān)控方式一般采用離線的現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)檢測設備來實現(xiàn)大棚環(huán)境的監(jiān)測，很難做到實時和在線監(jiān)測，普遍存在缺乏靈活性、準確性較低，速度慢等問題[2?5]。因此，本文依照物聯(lián)網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)，采用 ZigBee無線傳輸技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，使用傳感器技術設計信息采集設備，利用嵌入式微處理器 LPC2103 設計顯示終端，設計了一種蔬菜大棚智能無線監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過將信息采集設備結(jié)合嵌入式設計，保證數(shù)據(jù)實時性，降低了系統(tǒng)功耗。通過可移動監(jiān)測終端的設計，方便了管理人員隨時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。具有可靠性高、可擴展性強、方便操作等特點，大大提高了蔬菜種植的經(jīng)濟和社會效益。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)主要包括3個模塊：信息采控模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和控制終端模塊。采用主從式無線監(jiān)控原理，在棚內(nèi)布置多個監(jiān)測節(jié)點，實時采集環(huán)境參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給分節(jié)點，由分節(jié)點進行記錄顯示并通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳到大棚主節(jié)點[6]，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比分析后發(fā)送給控制終端模塊。

其中，信息采控模塊由傳感器和微處理器組成，通過無線傳感網(wǎng)進行采集信息的上傳和控制指令的下達，傳感器節(jié)點負責對棚內(nèi)土壤和空氣的溫濕度、光照強度、CO2濃度等數(shù)據(jù)進行采集，微處理器負責執(zhí)行控制指令對卷簾電機、澆灌設備、通風設備和照明設備等調(diào)控設施控制閥門進行相應啟動。數(shù)據(jù)傳輸模塊包括無線傳感網(wǎng)絡、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點[7]?？刂平K端模塊包括PC控制終端和嵌入式手持監(jiān)測終端。監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于高性價比原則，無線傳輸采用Chipcon公司的CC2430的32 kB版本的ZigBee模塊，該模塊低功耗、低成本、處理速度快，內(nèi)部具有工作電壓監(jiān)測和溫度感知功能，適用于多種開發(fā)平臺[8?9]。

傳感器也是耗能單元[10]，為降低系統(tǒng)功耗，根據(jù)不同傳感器特征進行了相應選擇。光照強度傳感器，選用特性參數(shù)以真實太陽光做為參考，可降低光源對傳感器采集產(chǎn)生影響的HA2003 高精度的傳感器模塊[11]。濕度傳感器采用體積小，可浸沒、抗干擾能力強、可進行露點測試的DWS?S8模塊[12?14]。CO2濃度傳感器采用BMG?CO2?NDIR傳感器；溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計

無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點包括負責信息采集、測量環(huán)境參數(shù)和無線發(fā)送的終端節(jié)點；負責轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡信息、完成信息傳輸?shù)穆酚善鞴?jié)點；負責收集信息、傳送信息、控制網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器節(jié)點。

終端節(jié)點設計如圖2所示，其中傳感器模塊由包括溫度、濕度、光照、CO2傳感器構(gòu)成的一組傳感器和驅(qū)動電路組成。只需在 CC2430 微處理器的 32（RF_P）管腳和34（RF_N）管腳接震蕩電路即可實現(xiàn)信息的無線收發(fā)[15]。

路由器節(jié)點設計如圖3所示，其硬件結(jié)構(gòu)與終端節(jié)點相似，不同之處在于，為了實現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，其加入了路由表功能程序。

協(xié)調(diào)器節(jié)點設計如圖4所示。其中按鍵模塊中有4個功能鍵，用以完成新建網(wǎng)絡、允許綁定、關閉網(wǎng)絡和復位功能，同時為確保功能鍵軟件和硬件的獨立性，除復位鍵連接微處理器的復位引腳外，其他3個功能鍵分別占用處理器的一個I/O端口。報警器電路由一個三極管和一個蜂鳴器組成。顯示模塊使用LCD12864 液晶顯示屏，該屏具有帶字庫、便于操作、可交互性強等特點。電源模塊為保證向CC2430處理器和LCD12864 液晶顯示屏提供穩(wěn)定電壓，設計加入了穩(wěn)壓器芯片78M05，起到過熱過流關斷保護功能。

2.2 監(jiān)測終端硬件設計

為方便工作人員隨時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，在監(jiān)測終端開發(fā)時，除完成PC終端的硬件設計外，還重點進行了嵌入式手持監(jiān)測終端的設計。嵌入式手持監(jiān)測終端主要由32位ARM7系列的LPC2103 微處理器、負責人機交互的按鍵電路、負責數(shù)據(jù)顯示和界面操作的液晶顯示屏、負責與傳感器節(jié)點進行無線通信，獲得采集參數(shù)數(shù)據(jù)的CC2430通信單元和負責為微處理器提供實時時鐘信號的晶振電路5個部分組成。手持終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

按鍵電路有3個功能鍵，分別是選擇、確認和復位，通過占用LPC2103微處理器的相應I/O端口實現(xiàn)。電源電路負責為CC2430通信單元和LPC2103主控制器提供穩(wěn)定的工作電壓，可通過USB電源或安裝4節(jié)干電池2種形式進行供電CC2430通信單元通過內(nèi)部串口 UART 完成與LPC2103微處理器間的信息交互，采用異步串行通信協(xié)議完成傳輸過程，其內(nèi)部通信結(jié)構(gòu)見圖6。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用 IAR 軟件開發(fā)環(huán)境對無線傳感網(wǎng)中各個節(jié)點程序進行開發(fā)，采用ADS1.2開發(fā)環(huán)境完成嵌入式手持監(jiān)測終端LPC2103主控制器中的程序開發(fā)。

3.1 網(wǎng)絡節(jié)點設備軟件設計

網(wǎng)絡節(jié)點的設計主要包括終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。終端節(jié)點的工作流程主要為打開電源初始化硬件設備、搜索網(wǎng)絡、請求加入網(wǎng)絡、加入網(wǎng)絡和上傳信息至網(wǎng)絡；協(xié)調(diào)器節(jié)點的工作流程主要為初始化硬件、新建網(wǎng)絡、允許設備綁定和數(shù)據(jù)上傳，路由器節(jié)點的工作流程主要為接收協(xié)調(diào)器指令、連接終端節(jié)點、上傳數(shù)據(jù)、發(fā)送采集數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器節(jié)點。

3.2 傳感器節(jié)點軟件設計

溫度傳感器與微處理器間是串行通行方式，為了確保正確讀取數(shù)據(jù)，其代碼編寫通常采用C語言和匯編相結(jié)合的方式進行，主要的控制命令為溫度轉(zhuǎn)換、讀暫存器、寫暫存器和復制暫存器[16]。

傳感器節(jié)點的代碼設計為：啟動溫度傳感器，寫入命令數(shù)據(jù)44H，開始溫度數(shù)據(jù)的輸出；讀暫存器9位二進制數(shù)據(jù)，通過寫入數(shù)據(jù) BEH 到讀暫存器來實現(xiàn)；寄存器TH、TL 寫入一個寄存器中的數(shù)據(jù)4EH；CPU獲得供電信號，設置電源的工作方式。

3.3 監(jiān)測終端程序設計

這里重點對嵌入式無線手持終端的按鍵程序、顯示程序和通信程序設計進行介紹。

按鍵程序主要實現(xiàn)主控制器 LPC2103 對復位、選擇、確認3個功能按鍵的識別和對應函數(shù)的設計。

通信程序主要通過串口方式實現(xiàn)芯片間的數(shù)據(jù)交互[17]，代碼設計為：設置嵌入式主控制器 LPC2103 中串口 UART1 的波特率、奇偶校驗、停止位等規(guī)則，完成串口初始化；程序進入讀取狀態(tài)；將讀到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 ASCII 碼；調(diào)用顯示函數(shù)進行數(shù)據(jù)顯示。

顯示程序的代碼設計為：讀取 DB7 數(shù)據(jù)端的高低電平狀態(tài)，測試數(shù)據(jù)線是否處于忙狀態(tài)；設置輸入數(shù)據(jù)類型；設置液晶屏的引腳 EN選擇端口的使能狀態(tài)；關閉使能端。核心代碼如下：

4 溫度控制算法設計

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植中，為增產(chǎn)高效，蔬菜大棚的面積日漸增大。對棚內(nèi)溫度的控制主要通過分布在不同位置的各個卷簾設備實現(xiàn)，所以卷簾的控制策略將直接影響到棚內(nèi)溫度的調(diào)控。為確保棚內(nèi)溫度均勻分布，設計一套溫度控制算法很有必要。設將大棚分為16個區(qū)域，每個區(qū)域?qū)粋€溫度值，溫度分布區(qū)域如圖7所示。

5 結(jié) 語

本文設計的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實時采集和無線調(diào)控，系統(tǒng)通過采用ZigBee 技術構(gòu)建無線傳感網(wǎng)和不同型號傳感器節(jié)點完成采集，從而達到保證系統(tǒng)的低功耗、低成本和高性能的目的。為卷簾設備控制溫度設計了相應算法以確保棚內(nèi)各區(qū)域溫度分布的均勻性。采用嵌入式微處理器LPC2103 結(jié)合無線通信芯片 CC2430 設計出了嵌入式手持終端，與傳統(tǒng)的 PC 監(jiān)測終端相結(jié)合共同完成數(shù)據(jù)的實時顯示。具有組網(wǎng)簡單，使用方便，易于維護擴展等特點，很好地解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，具有很強的推廣價值。

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