基于无线传感器的温室大棚智能监控系统设计

程　倩

（江西工程学院，江西　新余　338000）

基于无线传感器的温室大棚智能监控系统设计

程倩

（江西工程学院，江西新余338000）

当前温室大棚存在监测困难、有线传输系统成本过高等问题。为实现对温室大棚数据的有效监控，文章基于无线传感器的技术优势，设计出温室大棚智能监控系统。作者通过建立无线传感器网络并利用温湿度及气体传感器对温室大棚内的环境参数进行测算，通过无线传感器网络实现了数据高速传输，提高了温室大棚环境监测的智能性和可靠性，降低了温室大棚的监控成本，实现了真正意义上的远程监控。

无线传感器；温室大棚；智能监控系统；ZigBee技术

随着现代农业的发展，智能化监控系统已经广泛应用于农业技术中。当前，温室大棚的监控方式包括人工控制和有线监控两种，人工控制法需要用户对环境具有较强的感知力，如控制不得当，耗费的时间及人力成本过高，将造成巨大的经济损失。无线传感器网络是一项融合多学科的综合性技术。基于无线传感器设计出温室大棚智能监控系统，可以对大棚内作物的生长、土壤、病虫害等信息进行实时的监测，方便收种、灌溉、防治病虫害工作的顺利开展。文中设计的基于无线传感器的温室大棚智能监控系统，利于管理者在控制室了解温室大棚内的信息，通过实时动态监测促进我国农业管理水平更加智能化和网络化。

1　温室大棚智能监控系统的总体设计

1.1温室大棚智能监控系统的需求及功能

作物对其的生长环境的需求是综合性的，环境会影响作物的光合作用、呼吸作用等代谢过程，也会通过影响有机物的运输阻碍作物的生长，环境因素还会影响作物生长所需的温度和湿度。因此，温室大棚智能监控系统主要的监控对象包括大棚内的空气温度、空气湿度、光照强度、土壤成分等。为降低系统的使用成本，在进行环境因素监控时，需要重点监测温室大棚内的温度、湿度和二氧化碳浓度。作物的生长发育离不开温度和湿度，因此在温室大棚智能监控系统中温度和湿度的监测是基本内容之一；作物生长需要光合作用，光合作用与二氧化碳浓度息息相关，为促进作物的良好生长，需要利用温室大棚智能监控系统对二氧化碳浓度进行有效监测。温室大棚智能监控系统中利用传感器节点在监控范围内构成网络，采集大棚内的数据信息，并及时传输至监控管理中心，用户可以通过监控终端查询数据，监控中心为图形化操作界面，便于操作。

1.2温室大棚智能监控系统的网络结构

基于无线传感器的温室大棚智能监控系统包括无线传感器监测网络和监控中心两部分内容。在温室大棚智能监控系统中，主要采用的是网状拓扑形式，通过分布于温室大棚内的传感器节点采集信息，对大棚内的温度、湿度、二氧化碳浓度等数据进行采集，并采用ZigBee（短距离低功耗的无线通信技术）射频方式实现节点之间的通信。无线传感器的汇聚节点具有通信的路由功能，对收集到的数据进行初步处理，并通过通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）设备传输至监测中心，由监测中心分析及显示数据信息，如遇异常情况，将自动启动报警模块。

在温室大棚智能监控系统中，通过无线传感器进行数据的采集工作，其可实现在不同的应用场合采集相应的数据，有效地对温室大棚的数据进行监测。在系统中，数据的传输由两部分组成，其一是由终端节点传输至汇聚节点，其二是由汇聚节点传输至监控中心。温室大棚智能监控系统通过ZigBee技术实现汇聚节点的数据收集工作，通过GPRS传输技术实现汇聚节点至监控中心的数据传输工作。温室大棚内的数据分析及存储工作是通过数据中心的软件完成的，数据中心的软件接收到无线传感器传输过来的数据后，进行监测，再实现数据存储，利用相关技术分析处理数据信息，最终得出相应的结论，实现对温室大棚内的实时监控。

2　无线传感器网络节点的硬件设计

无线传感器网络节点由电源管理模块、传感器模块、数据处理模块和通信模块构成，是通过模块化结构设计而成的。其中，电源管理模块主要对无线传感器网络节点的功耗进行管理，随着技术的发展，当前的处理器模块已经实现与无线射频模块放入同一芯片中，简化了射频电路的设计；传感器模块通过采集温室大棚内的数据信息，例如温度、湿度、二氧化碳浓度等，再通过A/D转换；数据处理模块需要完成对无线传感器网络节点进行路由协议、任务管理等工作内容；通信模块通过在节点间的无线数据交互，实现数据信息的收发和采集工作。

无线传感器网络节点的硬件设备集成度高，外形极小，应用便利。其中包含了模拟数字转换器、定时器、上电复位电路等设备，在接收和发射信号的情况下，电流的损耗较低。基于无线传感器的温室大棚智能监控系统中的温湿度传感器采用的是Scnsinion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片（11th Sensor of Humidity and Temperature，SHT11），其将温度和湿度的测量集中于一个传感器中，极大了节约了功耗。芯片内部集成了14位模拟数字转换器，并有数字信号输出，准确率较高。温室大棚智能监控系统中的二氧化碳传感器采用的是型号为4161的二氧化碳模块传感器（Carbon Dioxide Module，CDM4161），传感器体积小、寿命长且具有较高的稳定性。为避免信号的冲突，SHT11温湿度传感器采用线数字串行接口和CC2430进行数据通信，Data（数据）用于数据的读取。

3　温室大棚智能监控系统软件的实现

温室大棚智能监控系统的软件包括数据处理层、消息收发层、参数设置层3部分，根据模块化的设计原则。其中数据处理层包括处理报警信号、日志文件、监测数据等，处理监测数据是指对温室大棚内监测的数据进行分析统计、逻辑判断等工作内容，还包含系统运行维护模块，主要控制维护系统配置信息、节点列表、管理信息等；消息收发层则由消息数据的接收和发送两大模块组成，实现温室大棚智能监控系统内监测数据的接收、发送和存储；参数设置模块实现了各传感器节点及汇聚节点之间的参数设置，例如节点的工作模式、频度等。

无线传感器节点主要负责对温室大棚内的信息采集和发送工作，无线传感器节点收到指令确定是否采集数据，信息经过处理完成后进入数据传输模块，数据通过封装发送至汇聚节点，成功后保存信息，等到下一步任务提醒指令，再进行重复性工作，以此循环。无线传感器的汇聚节点具有收集、处理、传输信息的共同，通过通信模块的启动，建立无线网络，确保将有效节点纳入网络中，并根据任务的需要下达指令。当汇聚节点接收到监控中心的数据采集指令后，分发至各传感器节点，经过节点的信息采集，再传输至汇聚节点，在此打包封装，储存在存储单元内等待发送模块的信息发送指令，完成一个工作循环后等待下个指令，温室大棚智能监控系统通过不断的工作完成实时监控。温室大棚智能监控系统中的汇聚节点的软件设计采用ZigBee技术实现传感器节点至汇聚节点的数据传输内容，采用GPRS技术完成汇聚节点至监控中心的数据传输内容。

4　结语

本文通过ZigBee技术，采用SHT11温湿度传感器和CDM4161二氧化碳传感器设计出温室大棚的智能监控系统，降低系统监测成本，确保系统监控的准确率，对温室大棚内的数据进行实时监测并有效的传至监控中心，用户通过监控终端即可查询温室大棚内的信息数据，解决了有线监测网络投资大、维护难的问题。

［1］蔡镔，马玉芳，赵振华，等.基于无线传感器网络的温室生态智能监控系统研究［J］.河南农业大学学报，2014（2）：167-171.

［2］秦芹.基于无线传感器网络的温室大棚监控系统的设计［J］.无线互联科技，2014（3）：243-244.

Design of greenhouse intelligent monitoring system based on wireless sensor

Cheng Qian
（Jiangxi Institute of Engineering， Xinyu 338000， China）

There exists some problems of difficult monitoring and high cost of wire transmission in current greenhouse. In order to realize the effective monitoring of greenhouse data， based on the advantage of wireless sensor technology， this paper designed a greenhouse intelligent monitoring system. A wireless sensor network is built， and the autor uses temperature， humidity and gas sensor to estimate the environment parameter in greenhouse， through the wireless sensor network realized high-speed data transmission， which improved the intelligence and reliability of the greenhouse environment monitoring， reduced the greenhouse monitoring cost and realized remote monitoring of the true meaning.

wireless sensor； greenhouse； intelligent monitoring system； ZigBee technology

程倩（1982— ），女，湖北京山，硕士，讲师；研究方向：电子技术。