ZigBee技術(shù)在大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

王子博

（遂川縣氣象局，江西 遂川 343900）

溫室大棚的應(yīng)用歷史較長，但由于以往在技術(shù)方面存在一定短板，使得溫室大棚在應(yīng)用過程中仍存在諸多實(shí)際問題。例如，在大棚環(huán)境監(jiān)測中，受儀器精密度的影響，加之方法不科學(xué)，造成應(yīng)用成本較高，從而導(dǎo)致使用效果難以得到保障。針對此類問題，可采用大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，提高大棚管理效率。此系統(tǒng)是ZigBee 技術(shù)的拓展應(yīng)用，受益于Zigbee的自組網(wǎng)、低功耗、大規(guī)模的特點(diǎn)，可大量部署傳感器，實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境的精細(xì)化、規(guī)?；O(jiān)測，通過將獲取到的數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程終端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離管理溫室大棚的目的。

1 大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由ZigBee 物理層、媒體接入控制層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層組成，能及時(shí)獲取大棚內(nèi)環(huán)境狀況。根據(jù)大棚環(huán)境監(jiān)測實(shí)際需求，可將Zigbee 硬件構(gòu)建成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由主協(xié)調(diào)器和多個(gè)從設(shè)備組成。主協(xié)調(diào)器用以建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，啟動一個(gè)新的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，管理各類設(shè)備的入網(wǎng)及通信；路由器和終端設(shè)備等負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集及網(wǎng)內(nèi)的信息傳遞；終端設(shè)備能及時(shí)采集大棚環(huán)境參數(shù)，將有效數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳送至主協(xié)調(diào)器，再到達(dá)網(wǎng)絡(luò)層［1］。如果設(shè)備終端出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)顯示出具有一定意義的參考數(shù)據(jù)，并持續(xù)進(jìn)行故障報(bào)警。數(shù)據(jù)控制層由控制管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web 服務(wù)器組成，其中，控制管理服務(wù)器可針對系統(tǒng)中的服務(wù)進(jìn)程進(jìn)行統(tǒng)一管理，將數(shù)據(jù)及環(huán)境等情況及時(shí)錄入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，如與既定溫度參數(shù)不一，還能采取人工干預(yù)措施，及時(shí)調(diào)節(jié)溫度。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)用了MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有極強(qiáng)的安全性能，此系統(tǒng)支持安卓（Android）智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問及控制。應(yīng)用層中，為用戶提供了一個(gè)全面開放的平臺，用戶可借助不同類型的終端設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制。

2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)

大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中Zigbee網(wǎng)絡(luò)硬件包含Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)3 種節(jié)點(diǎn)，半功能設(shè)備（RFD）、全功能設(shè)備（FFD）2 種設(shè)備。節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊、射頻模塊等組成，通過集成化技術(shù)，達(dá)到信息采集的目的。其中，大量半功能設(shè)備部署為終端節(jié)點(diǎn)，將采集到的外界環(huán)境信息傳遞至全功能設(shè)備的路由節(jié)點(diǎn)，最終由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成Zigbee 協(xié)議數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換通信。在信息采集終端，主要應(yīng)用了空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器。通過一系列傳感裝備，可以迅速準(zhǔn)確地采集大棚內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。安裝時(shí)可選擇使用直插式封裝法，將眾多數(shù)據(jù)集中于顯示終端中，極大地提升設(shè)備安裝調(diào)試及維修效率。日常中Zigbee處理器處于待機(jī)休眠狀態(tài)，只有在到達(dá)既定時(shí)間后方可開始工作，對各類傳感裝備下達(dá)數(shù)據(jù)收集指令，此時(shí)傳感器即可按照自身功能，采集環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)，并將此類數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞至Zigbee處理器中，隨之做出相應(yīng)的判斷。

3 Zigbee技術(shù)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

位于傳感網(wǎng)絡(luò)底層的采集終端即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可快速收集大棚內(nèi)的溫濕度等關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，并將其顯示在LCD（Liquid Crystal Display 液晶顯示屏）上，此時(shí)即可采用ZigBee 無線通信協(xié)議將信息傳遞至協(xié)調(diào)器中，對此類數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。在采集終端首次通電的狀態(tài)下，需進(jìn)入系統(tǒng)初始化（硬件外設(shè)初始化、ZigBee 協(xié)議棧初始化）環(huán)節(jié)，在初始化完成后，即可自動搜尋自身所在范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)。待組網(wǎng)成功后，能及時(shí)將各類數(shù)據(jù)借助Zig‐Bee 無線通信協(xié)議傳輸至協(xié)調(diào)器中，數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，終端傳感網(wǎng)絡(luò)即會進(jìn)入休眠狀態(tài)，只有再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)方可將其喚醒。

3.2 數(shù)據(jù)控制層軟件

數(shù)據(jù)控制層可為應(yīng)用層提供必要的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的多項(xiàng)功能。在Web 服務(wù)器中，所采用的各類軟件可滿足遠(yuǎn)程用戶的諸多需求，其中部署B(yǎng)/S 結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)及提供給終端用戶使用的Web Service，控制服務(wù)管理器需持續(xù)運(yùn)行，以及時(shí)接收用戶指令，并在處理完畢后給予用戶反饋。

3.3 應(yīng)用軟件

為直觀顯示大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，要通過專業(yè)化的軟件搭建起大棚智能監(jiān)控平臺，及時(shí)調(diào)節(jié)溫濕度等環(huán)境狀況，協(xié)助用戶完成管理工作。應(yīng)用軟件系統(tǒng)應(yīng)具有環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備操作、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)曲線分析、系統(tǒng)配置及數(shù)據(jù)查詢等功能。其中，環(huán)境監(jiān)控功能可將大棚內(nèi)環(huán)境變化情況以三維動畫的形式實(shí)時(shí)展現(xiàn)在顯示系統(tǒng)中，用戶可在控制室內(nèi)及時(shí)了解環(huán)境變化及生產(chǎn)狀況，如發(fā)現(xiàn)環(huán)境異常波動，系統(tǒng)可及時(shí)報(bào)警。設(shè)備控制功能方便了用戶操作，能夠依據(jù)天氣變化情況及生產(chǎn)所需手動調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能是為便于查詢?nèi)請?bào)表、周報(bào)表等歷史報(bào)表所設(shè)計(jì)，能及時(shí)儲存各類歷史數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)分析的重要參考［2］。曲線分析則可全面展示出大棚內(nèi)的溫度變化情況，系統(tǒng)不僅能提供實(shí)時(shí)的曲線分析圖，還可儲存歷史曲線圖，便于后期進(jìn)行查詢及使用。系統(tǒng)配置可滿足用戶個(gè)性化需要，用戶可設(shè)置個(gè)人賬號，使管理更為方便、快捷。

3.4 主機(jī)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

主機(jī)應(yīng)用程序基于Visual Studio 2010 系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，主要借助了ASP.NET 技術(shù)，采用了C#作為開發(fā)語言。此軟件為模塊化設(shè)計(jì)，依據(jù)不同的模塊功能，做出針對性極強(qiáng)的設(shè)計(jì)，有助于降低軟件功能模塊間的耦合性，保障系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。軟件是在三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求下進(jìn)行的開發(fā)，可使表現(xiàn)層、控制層、邏輯層所包含的內(nèi)容更為豐富，提升軟件及系統(tǒng)的實(shí)用性。另外，為加強(qiáng)客戶端的可操作性及美觀度，運(yùn)用Ajax 技術(shù)優(yōu)化了客戶端的表現(xiàn)方式。在邏輯層中，可直接調(diào)用Web Service 方法，直接對終端服務(wù)器發(fā)送管理指令，借助此方式，用戶可進(jìn)一步提升系統(tǒng)管理的便捷度，能在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任一位置進(jìn)行全方位管理，實(shí)現(xiàn)對大棚生產(chǎn)過程的不間斷監(jiān)控。

4 Zigbee系統(tǒng)性能測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，應(yīng)在系統(tǒng)安裝完畢后及時(shí)進(jìn)行性能測試。本文在某溫室大棚基地進(jìn)行了相關(guān)的系統(tǒng)性能測試工作，將試驗(yàn)觀察期設(shè)定為7 d，查看在此時(shí)間段內(nèi)此系統(tǒng)軟硬件的工作狀態(tài)。要在溫室內(nèi)布置一批協(xié)調(diào)器、路由器、信息終端采集裝備，其中，協(xié)調(diào)器需連接基地的監(jiān)控中心，與相應(yīng)的監(jiān)控軟件形成統(tǒng)一整體。安裝路由器時(shí)，不宜將其安置于遠(yuǎn)離溫室的區(qū)域，以防數(shù)據(jù)傳輸失真。為達(dá)到最佳效果，應(yīng)將路由器放置于溫室耳房內(nèi)，并將數(shù)據(jù)采集裝置放置于溫室中間區(qū)域［3］。在終端節(jié)點(diǎn)中，可將采集周期設(shè)定為5 min，可在每次采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)（如光照、溫濕度、二氧化碳濃度等）時(shí)，及時(shí)通過路由器將其傳送至監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，待采集結(jié)束后進(jìn)入休眠狀態(tài)，可在下次采集周期到來時(shí)再次喚醒，將第一手資料傳遞出去。本系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)距離路由器節(jié)點(diǎn)的距離在80 m 以內(nèi)，路由器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心協(xié)調(diào)器的距離為150 m。軟件系統(tǒng)可將采集到的信息及時(shí)儲存，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包傳送至信息服務(wù)系統(tǒng)中，及時(shí)將數(shù)據(jù)加入農(nóng)業(yè)信息服務(wù)平臺，以備今后查詢使用。通過本次試驗(yàn)可以看出，此類溫度控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性能，能勝任大部分情景下的溫室大棚種植，發(fā)揮出自身的實(shí)用價(jià)值。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及準(zhǔn)確性，今后應(yīng)不斷完善系統(tǒng)功能，將誤差率降至最低水平。

5 結(jié)語

ZigBee 技術(shù)適合應(yīng)用于大棚環(huán)境監(jiān)測中，取得了良好的應(yīng)用效果。此技術(shù)可對大棚內(nèi)的環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將其發(fā)送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有使用便捷、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee 技術(shù)突破了有線傳感器的局限性，可使用戶隨時(shí)了解大棚內(nèi)的環(huán)境變化情況，依據(jù)此類數(shù)據(jù)資料及時(shí)進(jìn)行種植調(diào)整，避免因人為疏忽影響農(nóng)業(yè)物長勢。ZigBee技術(shù)是智慧化農(nóng)業(yè)的具體表現(xiàn)，具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，值得在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大范圍推廣應(yīng)用。