基于 Zigbee 的温室环境监控系统设计

潘晓贝 郭志冬

（1.三门峡职业技术学院 电气工程学院；2.三门峡职业技术学院 机电工程学院，河南 三门峡 472000）

基于 Zigbee 的温室环境监控系统设计

潘晓贝1郭志冬2

（1.三门峡职业技术学院 电气工程学院；2.三门峡职业技术学院 机电工程学院，河南 三门峡 472000）

对 我 国 温 室 控 制 系 统 的 现 状 进 行 了 分 析 ，根 据 各 环 境 因 子 对 农 作 物 生 长 的 影 响 ，采 用 先 进 的 ZigBee 无线传输技术来设计出温室环境智能监控系统。 实现了对温室内温度、湿度、光照强度及 CO2浓度等的信息采集、数据处理和监控等任务。

温室控 制；智能 监控 ；ZigBee 技术 ；无 线传感 网络

引言

温室是指通过人工干预的方式来对指定区域内的温度、湿度、光照强度、CO2浓度、土壤水分、养分等诸多环境因素进行调控，使之适合所培育作物的生长需求，由于它摆脱了地点、季节和外界气候的影响和限制，从而能够有效地改善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，提高土地产出率、劳动生产率和社会、经济效益。 因此，在 世界范围内得 到了广泛的应 用[1]。

我国作为全球设施栽培种植面积最大的国家之一，近几年温室产业发展得也很快。 温室环境监控技术是智能温室的核心技术之一，同时也是最难掌握的技术之一[2]。 近 些 年通过从国外 引 进先进 的温室技术以及我们国内研究人员的自主研发，我国的温室技术虽然取得了长足的进步，但是在温室环境的智能监控方面还是较为落后的，笔者对现代化温室环境参数控制的智能化进行了探索和研究，在总结前人研究的基础上，设计了基于 Zigbee 的温室环境智能监控系统，为智能化在温室环境参数自动控制系统中的应用做了有益的尝试。

1 系统总体方案设计

本系统选取温室内的温度、湿度、CO2浓度以及光照强度等环境参数来作为系统的被控制量，将加热器、加湿器、遮阳网、天窗/侧窗、风机等作为执行机构，对大棚内的环境参数进行调控，使温室大棚的环境参数达到农作物生长所需条件的最佳参数状态。

系统的整体结构框图如图 1所示，主要由五部分组成：DSP 监控平台、数据协调器、ZigBee 无线传感器节点、执行机构和各参数传感器。 本系统可自动控制执行机构的动作，进而调节温室内的各个环境参数，使之 达到最佳环境 条件[3]。

图1 系统总体结构框图

笔者主要设计了基于 Zigbee 的温室环境无 线传感网络，包括硬件设计和软件设计两部分。 硬件的研究设计主要是设计无线传感器节点、ZigBee 无线组网等；软件设计主要包括无线传感器节点的程序设计。

2 ZigBee 网络节点的硬件设计

网络节点的主要功能是采集温度、湿度、CO2浓度、光照强度等温室环境参数，并对数据进行处理。网络节点的组成结构包括：传感器模块、处理器模

块 、无线通信模块、能量供应模 块 四 个 部 分[4]。 本设计中的 ZigBee 网络节点的组成框图如下图 2 所示。其中，传感器模块包括：温湿度传感器与 CC2430 的接口电路、光照强度传感器与 CC2430 的接口电路、CO2浓度传感器与 CC2430 的接口电路； 处理器模块和无线通信模块被 CC2430 芯片集于一体； 能量供应模块就是电源电路。

图2 ZigBee 网络节点的组成框图

2.1 CC2430SoC 电路设计

CC2430 单芯片系统内部集成了增强型 8051微控制器、存储器等和大量的包括无线收发机在内的常用电路。 故用 CC2430 片实现无线射频信号收发控制的话其外围只需要添加很少的电路即可。

CC2430 的无线通信 SoC 电路原理图如图 3 所示。 图中，CC2430P1 口的 P1.0 和 P1.1 两引脚各接1 个 LED，这 2 个 LED 作为指示信号灯；JTAG 的专用下载口占用了 CC2430P2 口的 P2.1 和 P2.2 两个引脚。 CC2430 中剩余的引脚供给像时钟电路、传感器接口电路和电源管理电路等一些外围电路设计时使用。 CC2430 的天线电路在设计时，为了提高其性能，选用的方式是非平衡变压器连接非平衡天线。 电路中的一个电容、三个电感和一个 PCB 微波传输线 组成了非平衡 变压器[5]。

图3 基于 CC2430 的无线通信 SoC 电路

2.2 各种传感器与 CC2430 接口电路设计

（1）温湿度传感器 SHT11 与 CC2430 的接口电路设计

温湿度传感器 SHT11 与 CC2430 的接口电路如图 4 所示。 因为 CC2430 没有 I2C 总线接口，设计时就用通用的 I/O 口总线， 用 CC2430 的 P0.2 脚接SHT11 的数据线（DATA）引 脚，CC2430 的 P0.1 脚接 STH11 的时钟（SCK）引脚，在 SHT11 的数据线

（DATA）引脚和时钟（SCK）引脚分别接 1 个 5.1k 的上拉电阻。

图4 SHT11 与 CC2430 的接口电路

（2）光照强度传感器 TSL230B 与 CC2430 的接口电路设计

图 5 所示 为 TSL230B 与 CC2430 的接 口 电路。 为了节省 CC2430 芯片的可用端口，用拨码开关来控制 TSL230B 的输入端。 TSL230B 的工作电压为 3.3V，其电源输入端和信号输出端的两个电容（0.1uF 和 0.01uF）都起到去耦的作用。 TSL230B的信号输出端 （OUT 引脚） 接在 CC2430 的 P0.3口上。

图5 TSL230B 与 CC2430 的接口电路

（3）CO2浓度传感器 T6004 与 CC2430 的接口电路设计

CO2浓度传感器采用红外式 CO2气体模块T6004，其与 CC2430 的接口电路如图 6 所示。 图中应用 T6004 的模拟输出模式， 并通过内部 ADC 转换器采样，这是为了节省 CC2430 的引脚资源。由于 T6004模拟输出的最大电压是 4V，直接采样无法实现，故需要用 LM358 把 T6004 的输 出衰减至 0～3.2V[6]。

图6 T6004 与 CC2430 的接口电路

3 ZigBee 节点程序设计

在本文的温室环境智能监控系统中，路由协调节点 （即数据汇聚节点） 和数据采集节点组成了ZigBee 节点的硬件部分，故应用层程序设计包括数据采集节点和数据汇聚节点两部分。

3.1 ZigBee 无线传感器 节点软件设计

根据前面分析的系统总体设计，数据的采集节点即 ZigBee 无线传感器节点的作用是把温室内的各种传感器包括温湿度传感器 SHT11、光线强度传感器 TSL230B 和 CO2浓度传感器 T6004 采集到的数据发送到路由协调节点即 ZigBee 数据汇聚节点。图 7 所示为 ZigBee 无线传感器节点的总体设计流程图。

图7 基于 ZigBee 的无线传感器节点的整体设计流程

3.2 ZigBee 汇聚节点的软件设计

ZigBee 数据汇聚节点即 ZigBee 协调器/路由器的作用是将把 ZigBee 数据采集节点采集到的数据整合以后传送给 DSP 控制台。 图 8 所示为 ZigBee数据汇聚节点的程序流程。

图8 ZigBee 汇聚节点的软件流程

4 结束语

采用 Zigbee 无线传输技术， 选用单芯片系统（SoC）CC2430，设计了基于 Zigbee 的无线传感器节点和数据汇聚节点的硬件设计，进行了系统软件的设计， 包括 Zigbee 无线传感器数据采集节点和数据汇聚节点的软件设计，为智能化在温室环境参数自动控制系统中的应用做了有益的尝试。当然，本系统还可以进一步扩展，可考虑将 CC2430升级到第二代 SoC 芯片 CC2530，使系统的整体性能再得提高；可通过优化硬件电路设计，进一步增强各节点的稳定性，提高整个系统的抗干扰能力；可考虑在系统的供电电路中添加太阳能光伏板，这样能克服系统中传感器功耗较大的缺点，让节点更好的工作。 此外，本文基于 Zigbee 无线网络技术设计的温室环境监控系统非常符合物联网的理念，后续随着物联网技术的进步，可考虑构建 Web服务器， 利用 Internet 或者 GPRS 进一步实现温室环境的远程监控。

[1]段 朝伟.大 温 室温湿 度 远 程监控 系 统[D]．武 汉：武 汉 理 工 大学，2008：1～6.

[2]尹 劲 松.智 能 温 室 环 境 控 制 系 统 的 设 计 与 试 验 研 究 [D]．重庆：西南农业大学，2004：1～6.

[3]董 文国．蔬 菜 温室大 棚 智 能监控 系 统 的设计[D]．曲 阜 ：曲 阜师范大学，2012：1～23，25～50．

[4]张 春峰，朱玉玉．基 于 ZigBee 的温 室 无 线 CO2 传 感器网 络节点设 计[J]．工 业控 制计算 机，2009（10）：36～37．

[5]张少 虎．基 于 ZigBee 的自动 抄表 系统的 设计[D]．西 安 ：西安科技大学，2011：10～21．

[6]段 雨顺．用 于 无线网 络 协 议转换 的 嵌 入式网 关 的 设计与 实现[D]．济南 ：山东大 学，2009：35～42.

（责任编辑 梁红艳）

Design on Intelligent Monitoring System of Greenhouse Environment based on ZigBee Technology

PANXiao-beiGUOZhi-dong
（1.Electric Engineering Department; Sanmenxia Polytechnic，2.Mechanical and Electronic Engineering Department，Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia 472000，China）

This paper studies the present situation of the system in China，analyzes the factors affesting crop growth.The system is designed by using advanced ZigBee wireless transmission technology to realize information collection， data processing， and monitoring for temperature， humidity， light intensity and concentration of CO2in the greenhouse.

Greenhousecontrol，intelligencemonitoring， ZigBeetechnology，wirelesssensornerwork

S126

：B

：1671-9123（2014）04-0112-04

2014-10-07

潘晓贝（1982-），女，河南灵宝人，三门峡职业技术学院电气工程学院讲师。