基于ZigBee的大棚環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)

梅亞軍，顏 川，張志飛，王佳俊，吳正陽

（常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 蘇州215500）

基于ZigBee的大棚環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)

梅亞軍，顏 川，張志飛，王佳俊，吳正陽

（常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 蘇州215500）

為了使大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的工作人員不用親自去現(xiàn)場就可以獲取植物生長環(huán)境實時信息并自動調(diào)節(jié)大棚環(huán)境，同時結(jié)合ZigBee技術(shù)適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點，設(shè)計了該大棚環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用具有8051內(nèi)核的CC2530芯片采集大棚環(huán)境信息，將信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，最終通過串口傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上位機(jī)或通過WIFI傳輸?shù)绞謾C(jī)APP端；系統(tǒng)一旦檢測到環(huán)境異常，開啟自動調(diào)節(jié)模式改善大棚環(huán)境。實驗結(jié)果表明這種設(shè)計方案不僅能夠有效地采集各項參數(shù)，而且能夠自動調(diào)節(jié)環(huán)境。

ZigBee；CC2530；信息采集；環(huán)境調(diào)節(jié)

目前大棚植物生長的管理主要依靠人力，自動化控制在大棚中的應(yīng)用處于推廣的階段，且自動化控制僅局限于功能單一的生產(chǎn)活動，如定時噴灑水、定時遮陽。用戶如果不能將多種自動化設(shè)備統(tǒng)一管理，就不能發(fā)揮設(shè)備的最大效能，推廣應(yīng)用的價值不高，抑制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者投入自動化生產(chǎn)的熱情[1]。本系統(tǒng)通過多種環(huán)境檢測傳感器采集大棚環(huán)境信息、環(huán)境自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和ZigBee無線通信技術(shù)，可以有效地解決人力管理存在的不足，實現(xiàn)真正意義上的大棚管理全自動化。

1 ZigBee技術(shù)概述

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要事先布線構(gòu)成有線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，而對于大面積農(nóng)業(yè)化生產(chǎn)，這無疑會消耗大量的人力成本和財力資源。對于ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而言，它采用無線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，能夠較好的解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺陷[2]。與其它無線傳輸技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、可靠性強(qiáng)和網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點，是基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)[3]。ZigBee節(jié)點在工作的情況下，每次以比較低的速率傳輸小量的數(shù)據(jù)，信號在收發(fā)的過程中間隔時間也短；而ZigBee節(jié)點在不工作的狀態(tài)下，它就處于休眠狀態(tài)，這樣就能節(jié)省電量，使得電池的壽命可達(dá)6～24個月，甚至更長時間，這有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低[4]。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

大棚植物生長環(huán)境因素主要有空氣溫濕度、土壤濕度和光照強(qiáng)度等，通過對應(yīng)的傳感器采集得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。TI公司的CC2530是集ZigBee技術(shù)和增強(qiáng)型8051內(nèi)核為一體的芯片，因此使用傳感器采集數(shù)據(jù)的方法與傳統(tǒng)8051單片機(jī)類似，使用難度大大降低[5]。

通過多節(jié)點終端設(shè)備可以采集得到多組環(huán)境數(shù)據(jù)，利用ZigBee無線傳輸技術(shù)，可以將終端設(shè)備的數(shù)據(jù)通過對應(yīng)路由器節(jié)點傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。再通過USB串口通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上位機(jī)[6]；此外，也可以將協(xié)調(diào)器獲得的數(shù)據(jù)通過WIFI傳輸?shù)绞謾C(jī)APP端，方便人機(jī)交流。

為了增加系統(tǒng)的自動化控制水平，通過計算機(jī)上位機(jī)或手機(jī)APP設(shè)定適合植物生長的環(huán)境閾值。利用ZigBee無線傳輸技術(shù)，將閾值傳遞到終端上。終端將采集得到的實時數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較，一旦出現(xiàn)異常，開啟與之對應(yīng)的自動控制系統(tǒng)，直至恢復(fù)正常，關(guān)閉該自動控制系統(tǒng)[7]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 CC2530資源分配

本系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端3部分組成，它們都是由CC2530為核心搭建而成。協(xié)調(diào)器主要功能是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的啟動和配置、充當(dāng)人機(jī)交互平臺數(shù)據(jù)和命令的中轉(zhuǎn)站；路由器主要功能是允許相應(yīng)的終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、充當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和命令的中轉(zhuǎn)站；終端主要功能是采集和發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)命令[8]。

3.2 傳感器選擇與使用

空氣溫濕度采集使用的傳感器是Sensirion公司生產(chǎn)的濕敏電容型SHT10[9]，相比于傳統(tǒng)的濕敏電阻型DHT11，它在穩(wěn)定性、精度、測量范圍方面都表現(xiàn)得更好。SHT10包括一個電容性聚合體濕度敏感元件、一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接，可以通過時鐘線和數(shù)據(jù)線來讀取溫濕度的數(shù)值。土壤濕度檢測選擇的是常見的土壤水分傳感器YL-69[10]，它由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，可長期埋設(shè)于土壤內(nèi)使用，構(gòu)造一個簡單的分壓電路，結(jié)合CC2530自帶的ADC模塊，即可得到土壤相對濕度。光照強(qiáng)度檢測使用光敏電阻[11]，它是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，同樣構(gòu)造分壓電路可得到光照相對強(qiáng)度，傳感器工作原理圖如圖2所示。

圖2 傳感器工作原理圖

3.3 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)由抽水泵、排風(fēng)扇、加濕器和遮陽布組成，基本工作原理都是驅(qū)動電機(jī)工作，通過三極管驅(qū)動電路和繼電器可以程控電機(jī)工作與否，程控驅(qū)動電路如圖3所示。程控信號是環(huán)境檢測系統(tǒng)得到的實際數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值相比較區(qū)分的：當(dāng)實際數(shù)據(jù)異常，程控信號輸出高電平，NPN三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，電機(jī)開始工作，自動調(diào)節(jié)對應(yīng)環(huán)境；當(dāng)參數(shù)恢復(fù)正常，程控信號輸出低電平，NPN三極管截止，繼電器彈開，電機(jī)停止工作。

圖3 程控驅(qū)動原理圖

3.4 人機(jī)交互平臺

該系統(tǒng)主要包含兩條人機(jī)交互路徑：ZigBee協(xié)調(diào)器和計算機(jī)上位機(jī)利用CH340芯片組成的USB轉(zhuǎn)串口通信路徑；ZigBee協(xié)調(diào)器通過 SPI協(xié)議與WIFI硬件開發(fā)平臺RT5350信息交互，再和手機(jī)APP組成的WIFI通信路徑。

CH340是一種USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，可實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外或者USB轉(zhuǎn)打印口。在串口方式下，提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號，用于為計算機(jī)擴(kuò)展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB總線[12]。

ZigBee設(shè)備與手機(jī)無法直接進(jìn)行通信，需要借助于支持WIFI的硬件平臺RT5350與手機(jī)進(jìn)行通信。Ralink RT5350是一款高質(zhì)量、小尺寸以及低成本的可編程系統(tǒng)芯片,在一個單芯片上幾乎囊括各種AP Router所需元件,提供了優(yōu)越的無線基地路由器解決方案，支持WiFi和藍(lán)牙Combo設(shè)計，具有GPIO、SPI、I2C、I2S、PCM、UART及JTAG接口，因此可以用作ZigBee與手機(jī)WIFI通信中轉(zhuǎn)站[13]。CH340和RT5350電路原理圖如圖4所示。

圖4 CH340和RT5350電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)使用IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 Evaluation設(shè)計開發(fā)環(huán)境，在ZStack-CC2530-2.3.1-1.4.0協(xié)議棧基礎(chǔ)上編寫了應(yīng)用層程序[14]。它采用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[15]，網(wǎng)絡(luò)中最多可以設(shè)置4個路由器節(jié)點以及每個路由器節(jié)點最多設(shè)置16個終端節(jié)點。

首先各節(jié)點操作系統(tǒng)初始化，協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)成功后，路由器節(jié)點申請加入?yún)f(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點加入路由器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)入休眠狀態(tài)，三分鐘后喚醒處理任務(wù)事件，然后再次以最新要發(fā)生的一件事件的時間作為休眠時間。終端任務(wù)處理事件中，終端節(jié)點將傳感器采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過路由器節(jié)點發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口通信將數(shù)據(jù)傳到計算機(jī)上位機(jī)端或通過WIFI無線通信將數(shù)據(jù)傳到手機(jī)APP端。人機(jī)交互端將接收到的數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較，若環(huán)境參數(shù)合理，則終端一直發(fā)送數(shù)據(jù)，直至環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常。環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常后，人機(jī)交互端發(fā)送控制命令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再經(jīng)對應(yīng)路由器節(jié)點發(fā)送給終端節(jié)點，終端節(jié)點打開環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，直至環(huán)境參數(shù)合理，環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)關(guān)閉[16]，系統(tǒng)程序執(zhí)行流程圖如圖5所示。

圖5 程序執(zhí)行流程圖

5 結(jié) 論

基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的大棚環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以實現(xiàn)真正意義上的大棚全自動化環(huán)境調(diào)節(jié)，能夠彌補(bǔ)人力在大棚植物種植時的不足，具有較高的實用價值。與此同時，系統(tǒng)也有許多地方需要改善：提高網(wǎng)絡(luò)兼容性和抗干擾能力，解決有線供電問題，利用上位機(jī)畫出環(huán)境參數(shù)變化曲線等。相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來大棚農(nóng)業(yè)將會向著更加智能化的方向發(fā)展。

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Greenhouse environment regulation system based on ZigBee

MEI Ya-jun，YAN Chuan,ZHANG Zhi-fei，WANG Jia-jun，WU Zheng-yang
（College of Physics and Electronic Engineering，Changshu Institute of Technology，Suzhou 215500，China）

Combining with the features of ZigBee collecting data,staff need not go to the scene to acquire information and system can regulate the greenhouse environment automatically.System collects environment information by using CC2530 chip with 8051 core,then information is transmitted to coordinatorthrough ZigBee network and finally transferred to hostcomputerthrough serial communication or transmitted to phone APP by WIFI.System will turn on the automatic adjustment mode to regulate the environment once detected abnormal.The experimental results show that this design can not only collect data effectively,but also regulate the environment automatically.

ZigBee network；CC2530；data collection；environmental regulation

TN92

：A

：1674－6236（2017）06-0173-04

2016-03-25稿件編號：201603345

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201510333001Z）

梅亞軍（1995—），男，江蘇東臺人。研究方向：物理學(xué)（電子材料與器件）。