基于ZigBee网络的大棚监控系统设计与实现

阳希 广东省电子信息高级技工学校

基于ZigBee网络的大棚监控系统设计与实现

阳希 广东省电子信息高级技工学校

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，基于网络系统的无线传感器设计出的温室大棚监控系统，是实现其数据监控的有效手段。建立无线传感器网络，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

随着社会经济和科技水平的进步，基于ZigBee无线双向通讯技术的监控方式逐渐作用于温室大棚运作中，这项综合性强的技术方式不仅能够及时有效的对大棚内气温湿度、土壤湿度以及病虫害等信息进行实行监控，还能促进我国农业技术发展整体水平趋向于现代化和智能化。

1 Zigbee技术和无线传感器网络

1.1 Zigbee技术

Zigbee技术是一项以双向无线通讯为主的网络数传技术，其具有近距离、耗能低、成本低、高可靠等显著特征，这些显著特征使其能够良好作用于温室大棚的实时监控。简单来说，Zigbee技术就类似于日常生活使用的移动通信CDMA网或GSM网，其通讯距离范围由标准的75m逐渐支持无限扩展。但两者之间还存在差异，Zigbee技术主要是为了便于现代化控制的数据传输而兴起的，所以它还具有操作简单、工作可靠等特点。Zigbee技术中数传模块最多可高达六万多个，在全网络范围内，这六万多个数传模块之间可以实现相互通讯，通讯范围标准也由75m支持无限扩展。每个单独的Zigbee网络节点不仅自身可以从其连接的无线传感器进行数据的监控，还能智能化的将其他网络节点数据进行传输。同时每个Zigbee网络节点在其信号范围内，还能和不需要进行数据传输的子节点进行无线接连。

1.2 无线传感器网络

无线传感器网络全称Wireless Sensor Network，简称WSN，是由大量或移动或静止的传感器以自发形式和多跳方式组成的一种无线网络，通过对数据信息的感知、采集、处理以及传输实现监控者的及时监控。通过无线传感器网络定义，我们可以发现其主要构成部分是传感器、感知对象以及监控者。不同无线传感器网络中的传感器类型适用于不同场景，包括探测地震、电磁、温湿度、噪音、光强度、土壤成分等等在内的生物环境。以MEMS微传感技术和无线联网技术为主的无线传感器网络在我国现代化农业发展中有着举足轻重的作用。

2 基于ZigBee网络的大棚监控系统中网络设计

2.1 网络结构设计

以Zigbee网络为主的无线传感器作用于温室大棚监控系统，主要是通过无线传感器监控网络和监控中心两部分实现其在温室大棚中的影响作用。这一监控方式下的温室大棚监控系统主要采用网状拓扑形式，分别对温室大棚中不同位置传感器节点所传输的棚内温湿度、奇特浓度等数据信息进行采集，通过Zigbee网络技术实现网络节点之间的通讯。基于Zigbee网络技术的无线传感器，其网络节点可以有效实现采集数据的初步处理和传输，再由监控中心对传输数据进行分析，便于监测中心及时发现为并自行开启报警模式。温室大棚智能监控系统的网络结构如图1所示。

在温室大棚智能监控系统中，基于Zigbee网络技术的无线传感器应用，其所收集到的数据信息，可以有效帮助监控者掌握棚内环境信息，更有利于温室大棚的实时监控。由图1研究表明，在温室大棚监控系统中，数据的传输一方面由终端网络节点传输给汇聚网络节点，一方面有汇聚网络节点传输给监控中心，这也是智能化大棚监控系统的主要运作模式。汇聚网络节点的数据信息收集主要通过Zigbee网络技术实现，再通过通用分组无线服务技术完成汇聚网络节点像监控中心的数据信息传输。此外，传输完的数据分析和存储工作主要由数据中心软件完成，数据中心软件接收完信息并对其进行监测、存储和分析，得出大棚监控的最终结论，实现其对温室大棚的有效监控。

图1 基于ZigBee网络的大棚监控系统的网络结构

2.2 网络节点设计

基于Zigbee网络技术的无线传感器设计，其网络节点的组成包括电源管理、传感器管理、数据处理管理和通讯管理在内，主要是通过这四方面管理的模块化结构实现其重要作用。电源管理模块主要是对无线传感器网络节点的损耗进行管理，当前作用于各监控现场的电源管理处理器随着科技的进步，逐渐实现了同一芯片中放置无线射频模块和电源管理模块，方便了射频电路的设计；传感器管理模块则是通过对温室大棚内温湿度、气体浓度等数据的手机和转换实现其作用；数据处理管理模块和通信管理模块在基于无线传感器完成路由协议、任务管理等工作的基础上，其各网络节点再进行无线数据交换和传输，最终实现大棚数据的精准采集和传输。

无线传感器的网络节点，其硬件设备还具有集成度高、形状较小、应用方便等特点，包括模拟转换器、定时器、上电高电平复位电路等主要设备，在其硬件设备接发信号的时候，产生的电流损耗都较低。基于Zigbee网络技术的无线传感器硬件设备在温室大棚监控系统中的应用，例如温湿度传感器的应用，将棚内湿度和温度的测量集中在同一个传感器，最大程度节约了功能的损耗。在温湿度传感器芯片内部的模拟转换器中集成了多达14位的数字转换器，并兼具数字信号的输出，准确率极高。

3 基于ZigBee网络的大棚监控系统中软件设计

基于Zigbee网络技术的大棚监控系统中的软件设计包含数据处理软件、信息收发软件和参数设置设计三个层面在内。基于层面模块化的基本设计原则，数据处理软件包括处理报警讯息、日常文件和监控数据等，其中监控数据的处理主要是指对温室大棚内监到的数据进行详细分析和判断，此外还包括系统正常运行维护模块，便于对大棚监控系统的控制和维护进行有效管理；信息收发软件由数据的接收和发送组成，便于促进大棚监控系统数据信息的收发和存储；参数设置设计则通过无线传感器网络节点的工作模式、频率等实现其节点之间的参数设置和设计。

大棚监控系统中的数据信息采集和传输工作依靠其无线传感器网路节点实现。网络节点首先接收到指令是否进行数据采集，指令通过之后完成的数据采集经过处理后进行传输工作，传输到各个汇聚网络节点进行存储工作，再接受下一个指令，如此往复循环进行大棚监控系统的软件工作。而无线传感器中汇聚网络节点这一软件设计兼具采集信息、处理信息和传输信息三个作用，随着通信软件模块的启动，在保证有效节点纳入至无线网络后，依据不同任务需求下发指令。汇聚网络节点接收到监控中心的采集指令后，将指令下发至各个传感器网路节点，完成数据信息采集后再回传至汇聚网络节点，形成统一的存储模式等待发送指令，不间断的进行循环工作。基于Zigbee网络技术有效促进大棚监控系统中的软件设计实现传感器节点到汇聚网络节点的传输工作，并通过不间断的数据采集、处理和收发完成实时监控。

4 基于ZigBee网络的大棚监控系统中硬件设计

4.1 监控协调器的设计

监控协调器作为大棚监控系统指令和数据传递中心，庞大的数据处理量使其成为网络监控系统中的枢纽，但相对属于耗能较多的节点。通过协调器节点各功能模板构成体系研究，协调器工作应建立在CC2530芯片为主的单片机驱动上，工作中的电压值也由自电源的5V转为4.3V，再利用MAX232芯片实现协调器的节点之间电量水平转换，实现单片机和远程上位机之间的数据传递。

4.2 路由器模块的设计

路由器在监控系统的主要作用是汇集各个监测点的数据信息，其基本上承包了系统全部监测节点的数据上传工作，所以路由器在硬件设计中也属于耗能较多的模块。我们在研究路由器各个节点的功能时发现，其与协调器工作模式大致相同，都以CC2530芯片作为单片机驱动，并将自电源电压转变为4.3V。唯一区别就是路由器模块没有远程数据传输，对路由器的配置应尽量选用配置较高的固定电源。

4.3 环境采集单元的设计

大棚环境采集单元是其监控系统设计和实现的重要手段。其主要可分为传感器部分和采集数据的处理部分，分别负责对大棚环境数据进行采集、处理和数据的接收、翻译等。环境采集单元模块也是由CC2530芯片的单片机驱动为主，其结构模式大致和协调器、路由器框架相似，只是增加了采集数据的传感器和变换器。环境采集单元的耗能小因素使得普通性能电池就足以满足其供电需求。包括以气温湿度分析、土壤湿度分析、光照强度分析和二氧化碳分析在内的数据构成了大棚监控系统的环境采集单元设计。在温室大棚系统监控中的空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器和二氧化碳传感器选择上，我们应该针对其在监控系统中的不同属性进行严格筛选，比如光照传感器选择，由于大棚对其防水、耗能低且适应力强的需求，所以我们可以选择以二极管为光强测量的日本滨松公司旗下传感器，保证其耗能低的同时还具有较强的品质保障。

5 结语

总之，现代化科学技术的不断提升促使我国温室大棚发展越发智能化和网络化。基于Zigbee网络技术，通过分析大棚监控系统中的网络设计、软件设计和硬件设计，实现虽温室大棚内环境的实时监控，并在减少大棚监控设计成本的同时还能保障监控系统的准确性，以便于监测者能够及时解决大棚环境中发生的种种问题，有效避免了由于人工监控和有线控制弊端产生的成本高、维护难问题。

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[2]刘仲鹏,刘丽娟,李伟英.基于ZigBee网络的温室大棚环境监控系统研究[J].农机化研究,2014,(10):218-222

[3]袁志强.基于ZigBee技术的温室大棚无线监控系统设计[J].江苏农业科学,2012,(11):396-397