基于ZigBee的设施农业监控系统

吕文艳，李金莹，杨宏业

（内蒙古工业大学 内蒙古 呼和浩特 010000）

基于ZigBee的设施农业监控系统

吕文艳，李金莹，杨宏业

（内蒙古工业大学 内蒙古 呼和浩特 010000）

通过分析集约化农业大棚的需求，结合无线传感器网络技术，提出一种基于ZigBee技术的设施农业监控系统。该系统采用基于IEEE802.15.4无线标准研发的ZigBee无线网络，整体设计以STC89C54单片机为核心，利用SHT11数字温湿度传感器、DS18B20数字温度传感器、CC2430射频芯片及LCD1602液晶屏，对农业大棚内温湿度进行采集、显示及传输。通过实验证明，该无线化的设施农业监控系统能够稳定运行，具有一定实用价值。

集约化；设施农业；ZigBee；温湿度；实用性

内蒙古自治区地处温带季风气候区，降水量较少，以小麦，马铃薯，莜麦等温带植物为主要农作物。基于自治区的气候特点，蔬菜的种植和成熟只能实现一年一收，难以满足市场的需求，只能靠从省外购置，从而蔬菜的成本大大提高。

实现蔬菜种植的大棚化是解决问题的主要方法，然而由于大棚种植对局部环境的温度、湿度等要素的控制至关重要，目前的管理方式消耗了大量的人力且管理成本高、种植面积小，无法成片大规模生产是制约生产集约化的主要因素。因而实现大棚种植的智能化是解决此问题的重要手段。

该系统根据实际情况利用ZigBee组网简单、功耗小、传输成本低等特点设计了设施农业系统。希望此系统能够切实可行地解决目前蔬菜大棚种植的瓶颈问题。

1 ZigBee 技术

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。采用跳频技术和扩频技术。ZigBee含有3种类型节点，即协调器、路由器和终端设备。终端设备与监控对象相连，实现具体功能。路由器实现路由、扩展网络功能。协调器负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络及节点等[3]。

ZigBee技术具有自组织网功能，在彼此网络模块通信范围内，通过自动寻找能够很快形成一个互通的ZigBee网络。当终端物理位置发生变动，彼此间的联络会发生变化，网络模块会在通信范围内重新寻找通信对象，确定一个新的互联网络。

2 系统功能

该系统终端由数字温湿度采集器SHT11、数字温度采集器DS18B20检测得到大棚内温湿度数据，并转化为数字信号。通过ZigBee无线传输网络将数据传送到监控中心。监控中心显示、存储每个时刻点对应的温湿度数据，并绘制直观的时间-温湿度曲线图。大棚户可使用手机或电脑通过互联网获取大棚温湿度数据。如果大棚内温湿度数据超出设定的阈值，监控中心通过GSM网络向户主手机发送警报，并且通过ZigBee无线传输网络向对应大棚内的终端传输指令，终端单片机执行该指令所对应的程序来启动继电器，以此调节大棚内温湿度。监控中心还可通过GSM网络及互联网向大棚户主发送关于农业大棚养殖管理、病虫害预防、天气预报以及市场行情等信息，为户主提供人性化便捷服务。

传统大棚温湿度数据采集方案中，每个大棚终端须内置SIM卡，终端每次向监控中心上传温湿度数据都需要通过GSM网络。由于上传次数繁多，导致大棚户主需要承担高额的通信费用。该系统中大棚各个节点温湿度数据与监控中心采用ZigBee无线网络通信，无需任何通信运行费用，成本低，致使该系统更适合集约化管理，能够提高成片农业大棚种植的生产效率。

图1 系统功能示意图Fig. 1 Diagram of system function

3 硬件设计

3.1 温湿度采集终端

本系统的温湿度采集终端主要组成是：单片机、ZigBee无线传输模块、温湿度传感器模块、显示模块、继电器控制模块、电源模块六个部分，各模块关系如图2所示。

图2 数据采集终端硬件的结构示意图Fig. 2 Structure diagram of data collection terminal hardware

1)单片机：其I/O口对农业大棚温湿度数据进行采集，并将采集到的温湿度数据传送到ZigBee无线传输模块；接受监控中心的控制命令对卷帘控制模块、排风扇控制模块进行控制。

2)ZigBee无线传输模块：单片机通过串口将采集到的温湿度数据传送给ZigBee无线传输模块，ZigBee无线传输模块通过无线传输功能将数据传送给监控中心。

3)温湿度传感器：本系统中采用SHT11数字温湿度传感器以及DS18B20数字温度传感器完成温室大棚的温度、湿度数据的采集。

4)显示模块：实时显示已采集到的农业大棚文书度数据，并在LCD屏上显示，方便大棚管理人员读取温湿度数据。

5)继电器控制模块：当农业大棚温湿度超过阈值时，单片机通过指令启动电机，如打开排风扇通风降温、打开水阀放水浇灌农作物等动作，对温湿度进行调节。

6)电源模块：分为两种：5 V和3.3 V。3.3 V电压是专为ZigBee无线传输模块通信供电，5 V电压为其他器件供电。

3.2 温湿度传感器的选择

该系统中选择SHT11数字式温湿度传感器与DS18B20数字式温度传感器。由于现代化农业大棚面积较为广大，大棚中各点温度相差比较大，而湿度变化不明显。因此该系统中采用一点测湿度，多点测温度的方式，也即采用SHT11置中，DS18B20串行分散的方式来采集温湿度数据。

图3 大棚温湿度数据采集方位图Fig. 3 Diagram of location about temperature and humidity data in greenhouse

SHT11是一款基于CMOSENSTM技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术和传感器技术相结合，发挥其强大的优势互补作用。SHT11温湿度检测运用电容式结构，采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容温湿敏器件的缘由特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成一个单一的个体，因而测量精度较高而且具有精确的出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变的引起的误差。

DS18B20数字式温度传感器接线方便，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。采用DS18B20可以用于测试农业大棚内多点温度。传统大棚温度数据采集方案采用并行方式，如N个温度采集器需要与N个I/O口连接，导致布线复杂，I/O口浪费。而本系统中DS18B20利用单总线串行方式，即每个DS18B20含一个独特序列号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线上，只需与单片机一个I/O口连接，便可循环上传DS18B20的序列号和对应的温度值。极大程度降低了布线复杂度以及提高了I/O口利用率。

4 软件设计

4.1 软件设计框架

软件部分的程序分4个部分。第一部分：数据采集子程序；第二部分：显示已采集的温湿度数据；第三部分：使用ZigBee无线传输模块向监控中心传输数据；第四部分：单片机通过ZigBee无线传输模块接收监控中心指令并执行。

程序采用中断方式，主程序不断的执行采集数据、显示数据语句。由于大棚内温湿度数据的连续性和惯性较大，无需时刻上传，可根据每个农业大棚实际情况设置固定间隔上传温湿度数据，如3 min或5 min等。所以采用定时器中断的方式来对数据进行上传。对于数据的接收采用串口中断的方式进行接收。

图4 系统软件框图Fig. 4 Flow chart the software

图5 主程序框图Fig. 5 Main block diagram

4.2 终端软件部分

主程序主要完成传感器、显示器、端口设置等初始化，中断设置、定时器设置。在循环中不断完成采集数据子程序、显示子程序，在没有中断进入时，一直执行采集、显示程序。

图6 发送数据中断子程序Fig. 6 Transmitting data interrupt subroutine

5 结束语

文中基于ZigBee[7]无线网络通信技术和SHT11数字式温湿度传感器片及DS18B20数字式温度传感器来设计该设施农业监控系统。以温湿度数据采集终端具有低成本、低功耗为目标。对比传统大棚温湿度采集方案，该系统具有采集终端组网快、组网简单、布线简洁、费用低、网络易扩张等优点。该系统能够稳定连续工作，非常适用于现在化设施农业大棚温湿度数据的监控，在实际应用中具有一定价值。

图7 接收控制中断子程序Fig. 7 Receiving control interrupt subroutine

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DAI You-wang,LI Zeng-you,WEI Yu-feng. Design and implementation of low-power wireless sensor node based ZigBee[J].Modern Electronics Technique,2011(18):121-123,126.

ZigBee-based monitoring system of agricultural facilities

LV Wen-yan, LI Jin-ying, YANG Hong-ye
（Inner Mongolia University of Technology,Hohhot010000,China）

By analyzing the needs of intensive agriculture greenhouses, combined with wireless sensor network technology, it is proposed based on ZigBee technology in agricultural facility monitoring system. The design uses a wireless standard developed based on the IEEE802.15.4 ZigBee wireless network, the overall design as STC89C54 microcontroller as the core, and SHT11 digital temperature and humidity sensor, DS18B20 digital temperature sensor, CC2430 RF chip and LCD1602 , temperature and humidity in the greenhouse agriculture for the collection,transmission and display. The experimental results show that the wireless monitoring system of agricultural facilities,stable operation, has a certain practical value.

intensification; agricultural facilities; ZigBee; temperature and humidity; practicality

TN92

A

1674-6236(2014)07-0019-03

2013-06-28稿件编号201306202

吕文艳(1990—)，女，内蒙古二连浩特人，硕士研究生。研究方向：智能控制，智能交通，电子技术。