基于ZigBee和GPRS的温室控制系统研究

李将　俞阿龙　蔡文科　李倩倩

摘要：为了适应现代农业发展的需求，提高农业温室控制系统的智能化水平，提出了以CC2530处理器为核心组建ZigBee网络，结合GPRS无线通信模块和Web远程控制技术实现数据采集与温室设备控制的方案。该系统根据采集到的温度、湿度、照度、CO2浓度等温室参数，与事先设定的环境参数进行对比，经分析后通过服务器控制软件和手机客户端实现对温室设备的远程控制。性能测试结果表明，该系统稳定、智能化程度高，具有广泛的应用推广价值。

关键词：农业温室控制系统；CC2530处理器；ZigBee；温室控制；GPRS；性能测试

中图分类号： S126；TP273 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0494-04

随着现代农业发展的需求，智能温室与当代科学技术的结合程度越来越高，实现了植物生长小环境中温度、湿度、照度、CO2浓度等环境参数的自动检测和控制[1]，保证了植物全年能够不受外界因素影响地处于最佳的生长环境，从而提高产量，缩短生长周期。智能温室有很多普通温室所不具备的优点，符合现代农业发展的要求，是当今世界农业生产的发展方向。目前，国内温室控制主要采用人工实地测试和有线监控方式，掺杂过多的人工经验[2]。人工实地测试不能实时监测温室环境变化，更不能根据需求自动打开相应温室设备，无法满足现代温室农业控制系统的要求。有线控制方式布线复杂，性能不稳定，成本高，不利于提高温室大棚的利润率。 因此，本研究提出了一种基于ZigBee无线通信技术的智能温室控制系统，结合GPRS以及嵌入式技术[3]，通过Web实现了数据和控制指令的无线远距离传输，系统集成度高，克服了原有智能温室控制系统的许多缺点，适合在农业中广泛运用。

1 系统总体设计

该系统以CC2530处理器为核心设计了采集数据的传感器节点和控制系统的执行节点。传感器节点、执行节点、协调器节点组成星型结构的ZigBee网络。WSN（无线传感器网络）节点上集成了空气温湿度、照度及CO2浓度传感器，测到的数据经ZigBee网络上传给协调器节点，协调器节点对接收到的数据进行初步处理并存储，发送给GPRS模块，经由移动GPRS网络及Internet网络，最终传给指定IP地址的终端服务器[4]。服务器将接收的数据存入数据库，客户端通过智能手机或连接网络的电脑从数据库获取数据，以曲线和读数2种方式进行显示[5]。若采集的环境数据超出预先设定的参数范围，系统会发送警告信息提醒管理者注意并按相应的逻辑控制关系自动发出控制指令，经由互联网、移动GPRS网络和ZigBee网络，反向发送到WSN执行节点，以控制相应设备的启停，达到控制环境参数的目的。系统总体框见图1。

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点硬件设计

传感器节点是农业温室控制系统最基本的元素，主要负责采集温度、湿度、照度、CO2浓度等环境参数。传感器节点主要由传感器模块、CC2530模块和电源模块3部分组成，硬件框见图2。系统所使用的数字温湿度传感器AM2301/DHT21是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。照度传感器采用ROHM原装BH1750FVI芯片，直接数字输出，模块内部包含通信电平转换，标准NXP IIC通信协议，测量精度高，工作温度在-40～85 ℃范围内，能适应条件恶劣的环境。CO2浓度检测方面采用“快乐海岸”MG811高性价比CO2浓度传感器，受温湿度的变化影响较小，具有良好的稳定性和再现性。测量范围350～20 000 mg/L，输出4～20 mA 的线性信号，可满足农业温室的要求。

2.2 执行节点硬件设计

执行节点由CC2530、继电器、温室设备和电源4部分组成。执行节点是实现整个系统功能的重要环节，在温室控制系统中起着控制温室设备以调节环境参数的功能。

CC2530集成了业界领先的RF收发器、增强工业标准的8051MCU、8 kB的RAM、ADC、USART、DMA等功能部件，因此主模块只需很少的外围元件，就可构成满足节点功能的主控模块，实现系统所需功能。CC2530外围电路见图3，主时钟晶振采用32 MHz无源晶振和32.768 kHz时钟晶振，无线RF模块外围电路采用阻抗匹配网络，且模块内部都选用质量较好的电感器、电容器等元件，天线使用50 Ω鞭状负极性天线。在温室内传感器节点和执行节点设计方面，CC2530需要实现的功能和外围模块主要有3个部分：通过A/D口控制传感器模块进行数据采集；通过I/O口相应主机控制；控制无线RF模块完成数据的收发[3]。

执行节点设计部分CC2530通过继电器来控制各温室设备的启停，根据实际需要，本系统所设计的是一款带光耦隔离

的八路继电器模块，性能稳定、抗干扰能力强，采用大电流继电器（AC250 V 10 A DC30 V 10 A），可以控制各种温室设备及大电流负载。具体的继电器控制原理见图4。八路继电器总共有10个接口：1个接地，1个接电源端，其余8个接口分别连接CC2530的P0_0至P0_7接口。具体工作原理如下：执行节点根据终端服务器发送的控制命令决定各输入口置高电平或低电平，置低电平信号时，电源端通过发光二极管回到输入端形成通路，发光二极管被点亮，光敏管受光照射产生光电流[6]，使输出端产生相应的电信号，该电信号使得三极管导通，经三极管放大后连通电磁铁，从而衔铁被电磁铁吸下来，进而打开相应的温室设备进行加温，通风等操作，控制温室内的环境因子。当输入端置高电平时，关闭相应的温室设备。各具体的温室设备限于篇幅本研究不作讨论。

2.3 GPRS模块硬件设计

本系统根据厦门才茂提供的GPRS DTU设计了GPRS无线通信模块。该模块有标准的硬件连接电路，为了减少使用难度，内置了TCP/IP协议，它可看作是嵌入式微处理器与GPRS MODEM的结合，它具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信的功能，方便完成点对点、点对多点等复杂连接；提供串口数据双向转换功能，可以将串口上的原始数据转换成TCP/IP数据包进行发送，而不须要改变原有的数据通信内容[7]。实现IP方式或动态IP+动态域名解析方式的模式。内部硬件连接示意见图5。endprint

3 系统软件设计

3.1 协调器软件设计

协调器流程见图6。ZigBee协调器主要负责组织整个网络，是整个系统信息传送的中枢环节。协调器处理各终端节点加入ZigBee网络的请求，节点成功加入网络后向协调器节点发送采集到的环境信息。同时协调器节点与GPRS模块组成嵌入式网关，负责与远程服务器进行通信，实现了数据和指令的远程无线传输。

3.2 服务器终端控制软件设计

系统采用B/S模式构建，客户端有着强大的自主功能，用户只需通过浏览器就可以实时监测温室的环境数据，根据与预先设定的参数进行比较，通过终端服务器控制软件或通过手机即可实现对远程温室现场发送相应的控制指令，以调节温室环境。服务器端控制软件采用基于 . net framework 3.0的C# 语言进行编写。运用多线程处理技术，让单个处理器都能使用线程级并行计算，提高CPU运行效率，进而提高程序处理与温室设备控制的效率，保证温室设备控制的时效性[8]。服务器端与GPRS模块采用TCP/IP协议进行远程通信，主要完成了对温室内部的温度、湿度、照度、CO2浓度的信息采集与管理，根据采集的数据信息，发送终端设备控制指令，实现对温室设备的远程控制。整个服务器软件部分包括4部分：负责与终端通信及链路检测软件、WEB服务及访问控制软件、数据库管理软件以及环境参数设置及相应指令发送控制软件。服务器软件结构见图7。

3.3 GPRS模块软件设计

重点要解决信息的无线远程传输，因为这是远程控制功能实现的前提条件。本系统采用基于GPRS DTU所组成的GPRS模块与远程服务器端进行通信。GPRS的通信具有速

度快、通信费用低、组网灵活等优点[9]，可适用于所有带串口的终端设备，通过GPRS网络平台实现数据信息的无线和透明传输，服务器端软件将接收的数据包整理成Modbus-RTU协议的格式，通过电脑上的串口（或虚拟串口）发给服务器端控制软件使用。GPRS DTU在使用前须要进行一定的配置，DTU通电后，用RS-232信号传输线（只用到DB-9的2、3、5引脚，其他引脚必须悬空）连接到PC机的串口。在PC机上运行DTU配置软件。配置部分主要包括网络参数、DTU工作参数、激活参数、短信中心号码以及协议参数的设定[10]。具体的配置界面见图8。

4 系统性能测试与总结

系统分手动和自动控制2种方式，所谓的手动是指通过人工判断和数据分析后，管理人员通过联网电脑或移动手机通过WEB技术实现远程发送控制指令，以增强管理人员的能动性和干预能力[5]，提高系统的稳定性。

以江苏淮安地区黄秋葵的种植对环境参数要求为例对系统性能进行测试。测试结果表明，当环境参数超出设定参数时，管理人员会收到警告信息且服务器端会自动远程发送相应的控制指令，及时调节环境参数，使温室环境始终保持在最适合植物生长的状态，系统智能化程度高，可满足现代温室的要求。

系统的终端采集网络和远程数据的传送都采用了无线的方式，这使得整个系统更加灵活、成本更低，同时方便了系统后期的扩展；管理人员采用Web浏览的方式灵活、方便地访问终端环境数据采集，根据环境要求能及时、准确地发送相应的控制指令；采用GPRS DTU进行GPRS模块的设计，使得系统的集成度更高，性能更稳定。尽管本系统设计的初衷是应用于农业温室种植方面，但系统所采用的技术与原理具有很强的通用性，所以可以应用到其他领域的监测与控制过程中，因此本系统具有广阔的应用空间。

参考文献：

[1]栾学德. 基于ZigBee无线网络的智能温室环境监控系统设计[D]. 青岛：中国海洋大学，2012.

[2]过彩虹. 基于ZigBee无线传感器网络的温室大棚监控系统[D]. 南京：南京理工大学，2013.

[3]季 鹏，俞阿龙，贾芳芳. 基于ZigBee的混凝土施工信息无线监测系统设计[J]. 传感器与微系统，2013，32（11）：83-85，88.

[4]孙丽婷. 基于无线传感器网络的农业大棚监控系统设计[D]. 大连：大连理工大学，2013.

[5]赵 伟，孙忠富，杜克明，等. 基于GPRS和WEB的温室远程自动控制系统设计与实现[J]. 微计算机信息，2010，26（31）：20-22，11.

[6]宋吉江，牛轶霞，于春战. 光电隔离器的工作原理和应用[J]. 微电子技术，2001，29（5）：55-57.

[7]宋 恺. 基于无线传感器网络的温室环境监控系统设计[J]. 电子世界，2013（17）：141-142.

[8]刘翔宇，杨仁刚. 基于GPRS的负控终端远程Web监控系统[J]. 电网技术，2006，30（3）：76-79.

[9]王永涛，吴艳英，李家春，等. 基于GPRS DTU的农业灌溉施肥智能化控制系统的应用研究[J]. 中国农村水利水电，2013（12）：93-97.

[10]李笑涛，李 智. 基于GPRS和Web远程管理系统的设备监控终端设计[J]. 计算机与数字工程，2012，40（8）：136-138.刘 静，傅泽田，张小栓. 基于GM-RBF神经网络的冷链运输环境预测[J]. 江苏农业科学，2015，43（10）：498-500.endprint