基于ZigBee技术的葡萄温室环境数据采集系统研究

余 欢，王运圣，徐识溥，刘 勇，黄攀攀

（1上海应用技术学院电气学院，上海201418；2上海市农业科学院数字农业工程与技术研究中心，上海201403；3上海市农业科学院农业科技信息所，上海201403；4上海海洋大学，上海201313）



基于ZigBee技术的葡萄温室环境数据采集系统研究

余 欢1，2，王运圣2，3*，徐识溥2，3，刘 勇2，3，黄攀攀2，4

（1上海应用技术学院电气学院，上海201418；2上海市农业科学院数字农业工程与技术研究中心，上海201403；3上海市农业科学院农业科技信息所，上海201403；4上海海洋大学，上海201313）

摘 要：为解决现有温室有线监控设施不便于现场布线和设备维护的问题，以上海市农业科学院庄行综合试验站的葡萄温室为实验基地，采用TI公司的CC2530芯片，开发了基于ZigBee技术的葡萄温室环境数据采集系统，实现了对葡萄温室光照强度、空气温湿度等环境信息的实时采集。试验结果表明，系统具有易安装、易拆卸、开发成本低、工作稳定等特点，可广泛应用于远程环境监测领域。

关键词：环境监测；温室；数据采集；ZigBee；葡萄栽培

在现代农业中，温室可以给作物提供一个全年都能正常生长的环境，避免作物受到恶劣气候的影响，还能有效控制农药和肥料的使用量，降低对环境的污染［1］；因此，如何监测和控制温室的空气温湿度、光照强度等各项环境参数，对于提升农业生产效率和维持低碳环保的生产方式具有非常重要意义。

目前，很多葡萄温室全靠人工管理，这需要消耗大量的时间和劳动力。有一部分虽然采用了温室监控系统，但是，这些传统的监控系统普遍采用有线的监控设施，存在布线安装和移动拆卸困难、维护成本高、功耗大等缺点［2］。

随着无线通信，嵌入式技术和微电机技术的快速发展，以及农业设施化，精准化需求的增加，温室监控系统成为了当前研究的一个热点。ZigBee技术是近几年兴起的一种无线通信技术，具有低功耗、低速率、高容量、安全、短延时等特点，因此广泛应用于物联网的各个产业中，例如：智能家居、数字医疗、智能电网等领域。利用ZigBee技术可以快速搭建低功耗、低成本的无线传感器网络，为温室监控提供了有力支持［3-7］。

在这一背景下，本研究设计了一种基于ZigBee技术的葡萄温室环境数据采集系统。该系统充分利用了ZigBee的优点，达到了现代温室监控低成本、低功耗、高精度的要求。

1 系统总体设计

本系统由数据采集、数据传输和数据处理三个模块组成。系统总体结构如图1所示，数据采集模块由传感器、终端节点、路由器节点和协调器节点四个部分组成。ZigBee终端节点上接有各种传感器（空气温湿度传感器、光照传感器），用于采集葡萄温室里的环境数据，终端节点采集到的这些数据将直接发送给协调器节点或者通过路由器节点转发给协调器节点。协调器将接收到的数据进行优化融合后通过GPRS发送到PC端的监控中心，用户通过账号和密码登录监测系统就可以查看到温室的环境信息。

图1　系统总体架构Fig．1 Overall framework of system

2 系统硬件设计

2．1 主控芯片CC2530

CC2530是德州仪器（TI）公司推出的第二代用于ZigBee、IEEE 802" 15" 4和RF4CE的片上系统。CC2530集成了性能优良的RF收发器和增强型的8051CPU，具有5种不同的运行模式（Active、Idle、PM1、PM2、PM3），使其适应于低功耗要求的系统［8］。

2．2 传感器选型

（1）空气温湿度传感器。本系统温湿度传感器选用的是数字型插针式DHT11温湿度传感器。DHT11是一款具有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。具有体积小、响应快、抗干扰能力强、功耗低等优点。DHT11［9］引脚接线图如图2所示，产品为四针单排引脚封装，采用单线双向制串行接口，用于与微处理器之间的通信和同步。DHT11引脚1接电源正极，供电电压为3" 0—5" 5 V，引脚2是串行数据接口，引脚3悬空，引脚4接地。

（2）光照度传感器。本系统选用BH1750FVI数字光照度传感器，BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路；内部组件包括接近人眼反应的光敏二极管（PD）、集成运算放大器（AMP）、模数转换装置（ADC）、内部振荡器以及光照度计算和I2C总线接口；外部无需添加其他部件，光源依赖性弱，可以探测较大范围的光强度变化（1—65 535 lx），受红外线影响很小。

图2　DHT11接线图Fig．2 Wiring diagram of DHT11

2．3 终端节点

终端节点由四个模块组成：传感器模块，处理器模块，无线通信模块，能量供应模块。终端节点的结构如图3所示，传感器模块通过各种传感器采集温室监测和控制所需的各种参数信息，处理器模块负责数据的存储，能量和任务的管理。无线通信模块用于和其他节点进行无线通信。能量供应模块用于给整个节点供电。

图3　终端节点组成结构Fig．3 Structure of terminal node

2．4 协调器节点

协调器节点是整个ZigBee网络的核心，它主要由CC2530芯片、GPRS模块、射频天线、晶振、扩展接口、电源模块几个部分组成。负责整个网络的建立、启动及维护。其硬件组成如图4所示。

图4　协调器节点组成结构Fig．4 Structure of coordinator node

3 系统软件设计

本系统以IAR作为ZigBee协议的开发环境，IAR Embedded Workbench是一款用于开发嵌入式系统的集成开发环境，支持众多的微处理，可以嵌入多种开发工具，使用IAR的编译器可以生成最优化、最紧凑的代码，从而节省硬件资源，降低产品成本。本系统以C语言作为编程语言来实现无线传感器网络的建立，数据的采集和传输。终端节点的程序流程如图5所示，协调器节点的程序流程如图6所示。终端节点主要用来采集和发送传感器采集到的数据，终端节点上电后首先进行初始化工作，然后向协调器发送入网请求，如果入网成功，那么终端节点会按照数据采集周期进行定时，进入睡眠模式，定时时间到就会被唤醒，终端节点被唤醒后，自动采集和发送传感器采集到的数据给协调器节点。协调器主要负责网络的建立、维护以及控制终端节点的加入。网络建立好后，协调器处于接收消息的状态，收到消息后，根据消息的类型，进行相应的处理：使子节点加入网络或者接收子节点传来的数据，协调器将接收到的数据进行处理后，通过GPRS发送到用户服务器。

图5　终端节点程序流程Fig．5 Program flow of terminal node

图6　协调器节点程序流程Fig．6 Program flow of coordinator node

4 系统的实现

4．1 系统设计模式

本系统采用“B/S”结构，即“浏览器/服务器”模式，这种模式的特点是统一了客户端，将系统功能实现的核心集中到服务器上，方便了系统的开发、维护及使用。浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互。

在具体开发上，系统使用模型视图控制器（Model View Controller，MVC）设计模式。模型视图控制器框架如图7所示，M是Model的简写，即业务模型，负责应用程序数据库中的数据逻辑和数据存取。V是View的缩写，表示用户界面，负责数据的显示方式，C是Controller的缩写，即控制器，主要处理用户与数据之间的交互。模型视图控制器设计模式［10］实现了视图层和业务层的分离，具有耦合性低，重用性高等特点，可以提高系统的扩展性和可维护性。

图7　MVC框架Fig．7 MVC framework

4．2 系统开发环境

4" 2" 1 系统前端开发

系统前端，即浏览器端，采用Adobe Brackets进行开发，Brackets是Adobe公司开发的一款免费的开源文本编辑器，是一个跨平台的HTML、CSS和JavaScript前端Web集成开发环境。前端CSS代码的编写采用Sass预处理器，简化了CSS工作流。

4" 2" 2 系统后端开发

系统后端，即服务器端，采用Zend Studio进行开发，Zend Studio是Zend Technologies公司开发的PHP语言集成开发环境（IDE），具备功能强大的专业编辑工具和调试工具，可以在Linux、Windows、Mac OS X上运行。数据库使用的是免费开源的MySQL关系型数据库管理系统。

4．3 系统测试

系统前端界面如图8所示，图中显示的是葡萄温室的实时数据，目前主要采集了光照强度、空气温湿度、土壤温湿度这5项环境参数，通过该监测系统可以查看温室环境历史数据和曲线分析图。测试结果表明：该系统可以远程实时地采集温室环境数据，并通过浏览器展示给用户，数据传输稳定。

图8　系统界面Fig．8 System interface

5 结论与展望

本研究项目针对目前温室栽培的特点，设计了一套基于ZigBee技术的葡萄温室环境数据采集系统。该系统具有开发成本低、维护方便、低功耗等特点，用户通过手机浏览器也可以查看到实时数据，有效解决了传统温室监控系统布线困难、造价和维护成本高、可扩展性差等问题。本系统可以往以下几个方面作进一步扩展：（1）系统前端界面可以设计成响应式的布局，这样在不开发Android、iOS应用程序的情况下，在手机、笔记本或者平板电脑等设备上，也可以有较好的监控和显示效果。（2）集成专家系统，增加智能控制模块，根据温室中植物的生长特点，提供最佳的温室环境，提升农作物的产量和质量。

参 考 文 献

［1］Chen Y" Design of Greenhouse Monitoring System Based on ZigBee Technology［C］//James J P" Proceedings of the International Conference on Human-centric Computing 2011 and Embedded and Multimedia Computing 2011" Berlin：Springer Netherlands，2011：611-615"

［2］龚文超，吴猛猛，刘双双"基于CC2530的无线监控系统设计与实现［J］"电子测量技术，2012，35（6）：33-36"

［3］张猛，房俊龙，韩雨"基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计［J］"农业工程学报，2013，29（25）：171-176"

［4］杨玮，吕科，张栋，等"基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发［J］"农业工程学报，2010，26（3）：198-202"

［5］庞娜，程德福"基于ZigBee无线传感器网络的温室监测系统设计［J］"吉林大学学报：信息科学版，2010，28（1）：55-60"

［6］Song J" Greenhouse monitoring and control system based onZigBee wireless senor network［C］//IEEE" Electrical and Control Engineering （ICECE），2010 International Conference on" Yichang：IEEE，2010：2785-2788"

［7］He G，Wang X，Sun G" Design of a greenhouse humiture monitoring system based on zigbee wireless sensor networks［C］//IEEE" Frontier of Computer Science and Technology（FCST），2010 Fifth International Conference on" Changchun：IEEE，2010：361-365"

［8］李正民，张兴伟，柳宏川"基于CC2530的温湿度监测系统的设计与实现［J］"测控技术，2013，32（5）：25-28"

［9］周建民，尹洪妍，徐冬冬"基于ZigBee技术的温室环境监测系统［J］"仪表技术与传感器，2011（9）：50-52"

［10］徐识溥，张杰，袁涛，等" MVC模式在上海市农业科学院庄行综合试验站信息管理平台的应用［J］"中国农学通报，2012，28（6）：283-287"

（责任编辑：程智强）

Research on ZigBee-based data acquisition system of grape greenhouse

YU Huan1，2，WANG Yun-sheng2，3*，XU Shi-pu2，3，LIU Yong2，3，HUANG Pan-pan2，4
（1Electrical Faculty，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201408，China；2Engineering and Technological Research Center for Digital Agriculture，3Agricultural Information Institute of Science and Technology，Shanghai Academy of Agricultural Sciences，Shanghai 201403，China；4Shanghai Ocean University，Shanghai 201313，China）

Abstract：In order to overcome the inconvenient field wiring and maintenance of wired monitoring equipment in existing greenhouses，an environmental data acquisition system of grape greenhouse was developed by adopting the CC2530 chip made by the TI company and the ZigBee wireless communication technology at the Zhuanghang Integrated Experiment Station，Shanghai Academy of Agricultural Sciences，implementing the real-time acquisition of grape greenhouse’s environmental data such as light intensity，air temperature and humidity" The experimental results showed that this system had such advantages as simple installation，simple disassembly，low development cost and stable working performance，and could be widely used for remote environmental monitoring"

Key words：Environmental monitoring；Greenhouse；Data acquisition；ZigBee；Grape culture

*通信作者，E-mail：wys188＠163" com

作者简介：余欢（1989—），男，在读硕士，研究方向：农业物联网及农业信息化。E-mail：yuhuan169＠163" com

基金项目：上海市农委攻关项目［沪农科攻字（2015）第6-4-1号］；上海市科委“星火计划”项目（14391918102）；农业科技成果转化项目（2013C0010001）

收稿日期：2015-08-24

文章编号：1000-3924（2016）01-072-04

中图分类号：S625" 3

文献标识码：A