基于ZigBee的多环境参数监测系统设计

2017-03-06牛涛王一涯陈曙光王宪菊

现代农业科技 2017年1期

牛涛++王一涯++陈曙光++王宪菊

摘要作物生长与环境温度、光照强度、CO2、土壤湿度等众多因素有关。为了及时掌握设施农业中各参数实时值以及随时间变化的关系。本文设计了一种基于ZigBee的多环境参数监测系统。系统采用星形网络结构，各传感器节点将采集的数据通过ZigBee网络传输给基站，基站对数据分析处理后通过串口传输给PC机，并以VB编写的上位机界面将各点环境参数按照与时间变化的关系以曲线的形式显示出来，通过上位机界面不但可以观看实时数据，还可以查询历史数据，为农作物管理提供了决策依据。

关键词 ZigBee；环境参数；温度；光照强度；土壤湿度；监测系统

中图分类号 TP368.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）01-0169-02

Design of Multiple Environment Parameters Monitoring System Based on ZigBee

NIU Tao 1 WANG Yi-ya 2 CHEN Shu-guang 3 WANG Xian-jv 3 *

（1 Fuyang Xinniu Agricultural Technology Co.，Ltd.，Fuyang Anhui 236000； 2 Fuyang Chunjiang Agricultural Technology Co.，Ltd.；

3 Fuyang Normal University）

Abstract Crop growth is connected with environmental temperature，light intensity，CO2，soil moisture and many other factors.In this paper，in order to know the real value of the parameters and the variation of parameters with time in the agricultural facilities in time，a multi-channel environmental parameters monitoring system was designed based on ZigBee.In the system，the star network structure was applied，each sensor node collected data through the ZigBee network transmission to the base station.After analyzing and processing，the data was transferred to PC through the serial port，the environmental parameters of various points were displayed as curves according to the relationship with time by VB-programmed upper PC interface.Viaupper PC，not only real-time data could be viewed，but also the historical data could be queried，so as to provide the decision-making basis for crop management.

Key words ZigBee；environmental parameters；temperature；light intensity；soil moisture；monitoring system

在農作物生长过程中，温度、光照强度、CO2、土壤湿度等环境因素是否适宜是农业管理者首要考虑的问题，也是需要克服的关键技术之一。传统的农业管理方式为粗放式管理，依靠人的感知来了解上述环境参数无法达到准确性要求。要实现精准农业，必须获取准确的农业信息。

随着传感器技术、通信技术和计算机技术的迅猛发展，将物联网应用于农业检测系统中已是未来发展趋势，将采集的环境温度、光照强度、CO2、土壤湿度等影响农作物生长的农业信息进行加工、传输和处理，通过对监测数据的分析，并结合作物生长发育规律来控制环境条件，从而使作物能够达到优质、高产、高效的产出[1]。

考虑到设施农业中布线困难，本文采用ZigBee无线网络传输，在大棚中布置多个传感器节点，传感器节点负责环境信息的采集及传输，基站定时向各节点发送数据采集命令，传感器节点监听到命令后，将采集的数据按照一定格式整理成字符串通过ZigBee模块发送至基站，基站对接收的数据进行分析处理，然后通过串口传输给上位机，上位机将各个采集的环境参数实时显示出来[2-3]。

1 系统设计

1.1 系统整体结构设计

本系统以STM32F103ZET6单片机为基站下位机，以STC12C5A32S2单片机为传感器节点主控芯片，与每个主控芯片连接的有多个测量环境参数的传感器和ZigBee通信模块，与基站下位机连接的有ZigBee模块和上位机。各个传感器节点通过ZigBee无线网络与基站通信，基站分时向各个传感器节点发送数据采集命令，传感器节点的主控芯片监听到源地址与之匹配的命令后，将采集的各个环境参数按照一定形式转换为字符串，通过ZigBee模块发送到基站的ZigBee。基站的中央处理器对各个节点的数据进行分析处理后通过串口传输给上位机[4-5]。上位机将数据以更加直观的形式显示出来，便于农业管理者及时掌握农业信息，为农作物精准管理提供信息支持。系统整体结构如图1所示。

1.2 基站设计

1.2.1 基站硬件组成。基站主要用来汇聚各节点的信息，并需要完成数据的计算处理，系统基站选用高性能的为中央处理器STM32F103ZET6负责向各个传感器节点发送数据采集命令，并将接收到的数据进行汇总、处理，然后通过串口将处理后的数据传输给上位机。基站的硬件组成如图2所示。

1.2.2 ZigBee汇聚节点设计。基站的ZigBee模块用来汇聚所有传感器节点传输过来的数据，同时可以向各个传感器节点发送命令，系统选用的ZigBee模块为CC2530，该模块体积小、传输距离远、存储容量大[6-8]。传输距离可达1 000 m，模块的主芯片为CC2530F256。模块与基站的中央处理器通过串口通信。其电路连接如图3所示。

1.3 传感器节点设计

传感器节点采用STC12C5A32S2单片机为控制器，测量环境参数的传感器分别有温度传感器DS18B20、光照传感器为BH1750FVI、CO2浓度传感器为MG811和土壤湿度传感器SM2801B。单片机分时采集各个传感器的数据，对数据进行分析、处理和保存，控制器STC12C5A32S2时刻监听基站发来的数据采集命令，收到命令后，将各环境参数按照一定格式转换为字符串，发送到基站的ZigBee模块[9]。图4为一个传感器节点组成框图。

1.4 系统软件设计

系统采用单片机STM32F103ZET6为基站下位机，软件开发环境为IAR，编程语言为C语言，采用模块化编程思想。基站下位机程序主要有主程序、传感器节点命令发送程序、传感器节点数据接收程序和串口通信程序。程序流程如图5（a）所示。

传感器节点采用单片机STC12C5A32S2，软件开发环境为KEIL，传感器节点的程序主要有温度采集子程序、CO2浓度采集子程序、光照度采集子程序、土壤湿度采集子程序、命令监听子程序和采集数据发送子程序。程序流程如图5（b）所示。

2 结语

经调试，系统可完成预期功能，基站可成功接收到各个传感器节点发送的数据，并通过串口传输给上位机，在上位机界面上可实时观测各个测量点的环境参数变化，为农业管理提供了可靠的信息支持。

3 参考文献

[1] 李中华，王国占，齐飞.我国设施农业发展现状及发展思路[J].中国农机化，2012（1）：7-10.

[2] 葛志军，傅理.国内外温室产业发展现状与研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（35）：15751-15753.

[3] 刘笃仁，韩保君.传感器原理及应用技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4] 王芳琴.单片机控制的节水灌溉系统的研究[D].武汉：华中农业大学，2005.

[5] 張观山.果园智能灌溉系统的开发[D].泰安：山东农业大学，2014.

[6] 赵伟.基于远程通信技术的温室环境控制系统研究与实现[D].北京：中国农业科学研究院，2010.