基于cc2530的温室大棚智能监测系统设计

盛凯 于会山

摘要：分析了目前我国温室大的棚发展现状，针对传统温室大棚监控的不足，本文设计了基于ZigBee技术的温室大棚智能监测系统，采用ZigBee无线通信节点解决了传感器之间繁琐的布线问题，通过无线传送把温室大棚内的空气温湿度、土壤湿度、CO2浓度和光照度数据上传到监控中心，能让工作人员第一时间了解温室大棚的情况，以便及时做出应对措施。

关键词：CC2530；ZigBee;无线监测；温室大棚农业温室大棚作为重要的农业基础设施，在现代化农业生产中发挥着巨大作用。目前传统的农业温室大棚监测，多采取分时、分区取样的人工方法，由于温室大棚面积大，检测目标比较分散，导致工作量大，可靠性差；有线型布线方式，这类布线方式存在安装困难，而且存在后期升级难度大，重复利用度低等多种问题。温室大棚内的农作物在生长过程中需要的环境因子很多，适宜的温度、湿度、光照强度以及CO2浓度是农作物实现优质和高产的关键。本设计基于ZigBee技术的温室大棚智能监测系统，能够实时监测温室大棚内的温湿度、光照强度、CO2浓度等数据，从而对温室大棚内的环境进行及时控制，有效地控制大棚内作物在生长过程中需要的水分、通风以及温度等，使温室大棚内的环境条件能够适宜作物的生长。该系统以ZigBee技术构建的无线传感器网络为基础结合远程访问应用程序，对温室大棚进行远程管理和控制。

1系统的总体结构设计

系统主要由3部分构成，分别是数据采集部分，无线数据传输部分和监测部分。数据采集由空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、CO2传感器和光照度传感器组成。无线传输部分包括ZigBee终端节点和协调器。终端节点连接各种传感器，用来采集接收数据；协调器负责ZigBee网络的组建和接收到数据以后，利用UART串口，将数据传递给中央计算机。监测部分的界面采用LabVIEW编写，用来处理和显示接收到的数据信息。在整套系统中，由温度传感器、湿度传感器、CO2传感器和光照度传感器负责采集数据，数据采集后，由ZigBee终端节点经由ZigBee网络传送到ZigBee协调器上，最终协调器把数据通过串口传输到监控中心计算机上，并在监控界面显示出来。

2硬件设计

2.1 传感器节点模块

要监测温室大棚内环境因子数据，需通过传感器实现。传感器是一种检测装置，它能够将检测到的信息通过一系列有规律的变化成为电信号或其他所需的信号，因此可以满足人们对信息进行传输、储存、显示等要求。在温室大棚的应用上，由于需要采集温度、湿度、CO2浓度和光照强度四种环境因子的数据，因此传感器的环境适应性目标有以下三点：(1)工作时温度范围在-20-60℃；(2)湿度5%~95%，非凝结；(3)传感器防护等级IP65以上。

2.1.1 空气温湿度传感器模块

温度是提供作物生長的最基本的要素，通过影响酶的活性来可以影响作物的各种生理性活动，对作物生理性改变有着很重要的影响。本设计采用数字式温度传感器，无需校准和标定。DHT 11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术以及温湿度传感技术，确保产品非常可靠和具有长期稳定性。传感器包括一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件；并和一个高性能8位单片机相连接己因此该产晶具有超快响应、品质卓越、抗干扰能力强、性价比超高等一些优点。

2.1.2 土壤湿度传感器模块

土壤的湿度直接决定着农作物在生长过程中的水分供应状况。土壤湿度超过正常范围，作物的光合作用不能正常进行，农作物根系呼吸、生长基本活动受到阻碍，作物的产量和品质下降。本系统采用HS1101解决湿度测量方案。

2.1.3 CO2传感器模块

大气中CO2浓度一般为300-330mg/L，在冬春设施蔬菜生产中，为了大棚的保温，温室大棚会缺少气体交换，中午的CO2浓度会下降，甚至低于补偿点，二氧化碳处于亏损状态。在每亩(1300立方米)的标准大棚里二氧化碳浓度达到900mg/L，可以达到大棚蔬菜的需求。市场上常用的气体传感器主要分为半导体式传感器、红外线吸收式传感器等。红外线吸收式传感器一般具有灵敏度高、控制范围大、响应时间快等特点，但相对来说，价格相对有点贵。考虑到温室大棚的环境因素，最终选择了测量精度高、技术成熟的二氧化碳气体浓度传感器60040。

2.1.4 光照度传感器模块

在温室大棚的光照调控主要是增加光照强度，一般大棚内的光照强度下降到1000勒克斯时，就应该补光。根据温室内作物对光照强度的要求，光照度传感器型号为GY-30，采用的是先进的电路模块开发变送器来实现对环境的光照强度的测量，其输出信号为标准的电压及其电流信号，具有体积小、安装方便、线性度好、抗干扰能力强和量程可调的特点，广泛用于环境、养殖、温室和建筑等的光照强度测量。

2.2 无线传输模块

当数据采集完成以后，就要利用无线传输网络，将数据传递给监测中心计算机。ZigBee无线传输网络主要由ZigBee终端节点和协调器组成。终端节点是数据采集源，实现加入、退出网络的功能；协调器是整个网络的中心负责网络组建和数据配置。ZigBee网络拓扑结构主要有3种类型，分别是星型结构，网状结构和树状结构。这里我们采用星型拓扑结构，星型网络相比于树型网络而言，仅需要一个网络协调器就可以进行数据的转发与组网，其他设备都是子设备，降低了网络复杂性，节约了成本;从供电角度上说，在星型网络中仅需要一个网络协调器，使用持续的电力供电，而其它的设备均采用电池供电，节约了大量电资源;星型网络与网状网络结构相比其网络组建相对要更加的简单、易于实现。

ZigBee技术中定义了2种类型物理设备:精简功能设备(RFD)、全功能设备( FFD)。FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输，通常担任网络协调器来组建网络，又称为汇聚节点。RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息，作为终端节点用于采集数据。

市场上符合ZigBee标准的射频芯片有很多种，考虑到设计温室大棚智能监控系统的价格和特点，选用的是CC2530芯片。它是一款用于用2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

3软件设计

在软件方面，采用IAR Embedded Workbench集成开发工具作为CC2530的编程工具。系统软件设计是在硬件的基础上进行相应的软件开发，实现传感器采集数据、发送数据到相应的设备和上位机显示数据等功能。系统软件设计按照实现功能的不同可以划分为终端设备数据采集、协调器设备数据管理和上位机显示软件设计3大部分。

终端节点程序流程框图如图4所示。数据终端采集节点，主要是负责与温度传感器等多个传感器协同工作，将经由传感器采集到的温度、湿度、CO2浓度和光照强数据发送到数据协调器。

协调器是整个ZigBee网络的中心，负责组建网络，调度协调各个节点，协调器主程序首先是初始化内部设备和外部设备，然后进入循环程序，等待数据的到来，图5为协调器主节点软件流程图。

运行在PC端的上位机软件使用的是LabVIEW软件编写而成。通过PC串口，程序接收到协调器发送的一串数据包之后，读取串口数据，并对采集的数据进行处理并显示在界面上，从而用户可以对温室大棚进行全天候的实时监控。

4 结束语

本研究介绍了温室大棚智能监控系统软硬件设计，采用ZigBee技术构建的无线传感器网络克服了有限传感器网络的局限性，具有低成本、低功耗的特点。利用传感器和无线传输技术相互结合，操作方便实用，系统价格低廉，技术成熟，稳定性强，具有非常广阔的应用前景。

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