基于Zigbee的农业温室大棚测控系统的设计与实现

金伟，陶伟，谷龙龙，孟浩

（安徽农业大学信息与计算机学院，安徽合肥230036）

我国国土幅员辽阔，位居世界第三，但是人均耕地面积少。而且我国可耕种地面在逐年减少。如何充分利用现有的土地资源，是一个值得研究的课题。我国大部分地区属于大陆性季风气候，四季温度差别大。同时我国南北气候相差很大，北方大部分的时间都是低温，不能正常的进行农业生产，浪费大量的人力、物力。文献[1]是使用GSM网络对温室大棚环境因素进行检测，文献[2]是基于RS485总线的形式对温室大棚相关参数进行检测与调控，文献[3]是采用CAN总线传输方式设计了温室大棚检测系统。通过对以上学者和工程技术人员研究成果的分析，可以尝试采用无线自组网形式进行温室大棚相关研究。

作物的生长需要合适的生长环境，这种环境可以是自然（如田间）的生长环境，也可以是人工可控制的环境（如温室内）。感知环境的变化是作物生长环境的首要工作，它包括温度、湿度、光照、营养成分、土壤酸碱度等等。本系统主要针对将作物生长环境信息采集后，通过Zigbee无线网络将数据发送到控制中心，控制中心的管理人员可根据需要控制相应的电气装置，从而达到环境的感知和控制，实现远程监控。

系统利用了单片机技术、传感器技术、无线通信技术等，设计了一款基于Zigbee的农业温室大棚测控系统。系统具有价格低廉，运行稳定等特点，具有广阔的应用前景。

1 系统整体设计

温室中影响农作物生长的环境因子主要有温度、湿度、二氧化碳浓度和光照等。在作物的整个生长发育周期中，这些环境因子不可能完全满足作物的需要。因此，就需要采取必要的调节措施把这些环境因子维持在适合于作物生长发育的水平，收获优质、高产的农作物。因此，系统的主要功能是实现温室大棚内温度、湿度和光照强度等环境因子的监测和控制。

1.1 系统设计思路

本着低成本、高性价比的技术创新为指导思路，挑选了价格低廉和功能强大的51 单片机作为系统的核心控制器，以功能强大、稳定且价格适中的DHT22温湿度传感器、光照传感器作为主要采集设备，稳定的Zigbee协议栈实现无线组网通讯，以及单片机控制的可控硅、继电器作为最终的执行机构。

1.2 系统技术原理

系统通过分布在温室内四处的各种传感器设备采集诸如温度、空气湿度、光照度、土壤湿度、EC值、pH值等信息，利用新一代的Zigbee无线通信技术将数据进行汇总，再通过无线网络发送到控制中心，实现对大棚环境信息的无线监控。各传感器采集的数据既可以通过5110 液晶屏就地实时显示，也可以通过Zigbee网络汇总分析后在控制中心进行相应的显示，还可以根据相关的条件，设置是否打开或关闭温室的相关电气设备，实现温室环境监控的自动化操作，实现远程操作。系统结构图如图1所示，系统拓扑图如图2所示。

图1 系统整体结构

图2 系统整体拓扑图

2 系统功能设计

系统下位机各监测点采用STC89C52 单片机为中央处理器[4]，通过串口与Zigbee模块进行通信，同时通过相关传感器的通讯，监测环境信息。本部分电路可分为温湿度数据采集部分、光照传感器数据采集部分、Zigbee 通讯部分和调光调速部分。

2.1 温湿度采集

系统选用DHT22 数字温湿度传感器，其内部含有已经校准的数字信号输出的温湿度复合传感器，它通过单总线外接一个约4.7～10 K的上拉电阻再与MCU 相连，电路简单，抗干扰能力强。DHT22 包含一个电容式感湿元件和一个NTC 测温元件，可以同时输出环境中温度和湿度信息,数据输出格式为40 bit，其中高位在前，低位在后，输出格式为

40 bit数据=16 bit湿度数据+16 bit温度数据+8 bit校验和[5-6]

2.2 光照传感器采集

系统选用的光照传感器为模拟电压式光照传感器，测量范围为1～200 klx，测量精度为±5%，信号输出范围为0～5 V，供电电压为12 V。由于本系统提供5 V 供电，光照传感器需要12 V 供电，所以本系统采用MC34063 进行升压，给光照传感器提供稳定的电压。升压电路如图3所示。

图3 升压电路

2.3 Zigbee通信

系统选用的Zigbee模块，是基于TI 公司CC2530F256 芯片[7]，内部运行Zigbee2007/PRO协议栈，具有Zigbee的全部特点，Zigbee模块接口如图4所示。系统Zigbee模块功能如下：

1）可以形象地理解为“无线的RS232 连接”，所以使用这个模块就像使用RS232电缆一样；

图4 Zigbee接口

2）不用考虑ZIGBEE协议，串口数据透明传输；

3）所有模块上电即自动组网，Coordinator自动给所有的节点分配地址，不需要手动分配地址，网络加入、应答等专业Zigbee组网流程。

2.4 调光调速

系统通过调光来模拟温室中进行人工补光的工作，通过风扇调速来模拟控制温室中的通风系统。系统采用MOC3061系列光电双向可控硅驱动器是一种新型的光电耦合器件，它可用直流低电压、小电流控制交流高电压、大电流。用该器件触发晶闸管，具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。调光调速电路原理图如图5所示。

图5 调光调速

3 系统软件设计

系统软件设计是实现系统功能的重要组成部分。本系统分为下位机软件设计部分和上位机软件设计部分。下位机是各监测点进行温室大棚环境信息采集并且与上位机进行通信，上位机主要跟各监测点进行通信同时进行服务器相关处理。

下位机软件流程如图6所示，首先要进行MCU初始化和Zigbee组网，然后进行相关环境参数采集并存储到MCU 自带的EEPROM中，在上位机进行轮询时，将数据发送给上位机并清除。在数据上传时，采用握手机制识别上、下位机是否准备好或成功接收数据，下位机在发送完数据后一定时间内接收到上位机回送的ACK 则认为发送成功，否则将继续发送，直到3次失败以后停止发送，同时下位机实时接收控制指令。

图6 下位机软件流程图

上位机软件设计中，主控部分首先要进行MCU的初始化和Zigbee 组网，上位机然后向下位机发送轮询指令或控制指令，上位机获得相关的温室大棚的数据以后进行数据的存储、分析与显示。其软件流程如图7所示。

图7 上位机软件流程图

4 数据传输协议的设计

系统如果有多个监测点同时向主控发送数据时，就有可能造成数据冲突，为保证数据的完整性和正确性，需要在软件设计过程中引入合适的通信协议。上、下位机之间进行数据传输的过程采用握手确认、CRC校验保证数据传输的可靠、稳定和正确[8-9]。

帧头、帧尾：0xAA表示帧头，0xAF表示帧尾。用于识别数据传输的开始和结束，防止信息的混淆、错乱。

数据长度：帧头、数据长度和CRC校验值的总字节数。

节点编号：用来识别该数据由哪个节点发送,上位机发送时该值设为0。

命令值：由4个字节组成。下位机上传数据时该值设为0，上位机发送时，第1个字节用于区别系统的监测与控制指令（参数设置也认为是控制的一部分）。当第1个字节为0xBA时，表示系统数据监测采集指令，第2个字节表示需要采集数据的节点，剩余2个字节设置为全1；当第1个字节为0xCA时，表示系统控制指令，第2个字节表示设备的编号，第3个字节表示控制的动作（例如0x01表示打开设备，0x02表示关闭设备），第4个字节表示系统传递的控制参数（例如进行补光时光照度的值），如果控制的设备不需要控制数值，那设置为全1；当第1个字节为0xDA时，表示系统设置指令，第2个字节表示设置类型的编号（例如0x03表示采集频率远程设置），剩下2个字节表示设置的具体参数（如果是采集频率远程设置，这2个字节表示多少秒采集一次信息）。

光照值、温度值、湿度值：系统所需采集的一些信息。

CRC校验：验证数据在传输的过程中是否出现数据异常，对数据帧中的所有数据进行CRC校验，保证数据的正确性。系统通信协议格式如表1所示。

表1 数据通信议格式

5 实地测试与数据分析

系统对安徽农业大学农翠园的玻璃温室的温度、湿度、光照度进行实时监测，根据场地要求设置了6个监测点，根据农作物的生长规律，系统每隔30 min 采集一次数据[10]。表2为某一时刻系统采集的部分实验结果，图8为系统实物图。

表2 部分实验结果

图8 系统实物图

6 结束语

利用Zigbee模块将传感器整合到无线传感器网络中，通过在温室大棚内布置温度、湿度、光照等传感器，对棚内环境进行监测，实时就地显示，同时数据上传至数据中心，管理人员通过上位机软件对棚内的电气设施进行控制，通过这种更加精细和动态监控的方式对农作物进行管理，更能贴切地感知到农作物的生长环境，更精准地控制水、肥等生产物资的投入，从而提高资源利用率和生产水平。后期将结合太阳能供电的方式进行改进，以便系统可以更方便地进行布置，可以进行更大范围地监测研究。

[1]赵方，吴必瑞，卢青波.基于MSP430的温室大棚温度远程监控系统[J].农机化研究，2012（5）：182-187.

[2]魏亭，杨盛泉，刘白林.基于RS485总线的温室大棚集散控制系统的研究与设计[J].西安工业大学学报，2013，33（9）：706-711.

[3]牟淑杰，张志霞，刘向峰.CAN总线在温室控制系统中的应用[J].农机化研究，2009（10）：120-122.

[4]黄友锐，孙力.单片机原理及应用[M].合肥：合肥工业大学出版社，2006.

[5]蒋鼎国，徐保国，王明胜.基于GPRS的远程温室监控系统设计[J].广东农业科学，2011（13）：160-162.

[6]唐中一，王明胜，舒领，等.基于NRF24L01远程数据采集系统的设计[J].自动化与仪器仪表，2011（4）：44-45+55.

[7]沙国荣，赵不贿，景亮，等.基于Zigbee无线传感网络的温室大棚环境测控系统设计[J].电子技术应用，2012（1）：60-62.

[8]YUAN Yi，SUHonggen.The study of wireless network applications based on Zigbee technology[J].Computer Applications and Software，2004，6（5）：89-91.

[9]Ahmet R，HasanA.Channel estimation by using short training sequences in CDMA systems[J].Wireless Personal Communications，2008，3（4）：359-371.

[10]彭高丰.温室大棚环境智能自动测量与调节系统研究[J].计算机测量与控制，2012，20（10）：2664-2665.