基于Zigbee技术的温室大棚无线监测系统设计

郭翠玲, 王 华

(商丘职业技术学院 机电工程系， 河南 商丘 476000)



基于Zigbee技术的温室大棚无线监测系统设计

郭翠玲, 王 华

(商丘职业技术学院 机电工程系， 河南 商丘 476000)

将 Zigbee 技术与GSM技术相结合，利用相关传感器特性，设计了一个对大规模温室大棚进行实时监测的系统。在每个大棚的一处或多处安装温/湿度、光照度、土壤PH值、二氧化碳浓度以及红外报警等传感器，组建一个基于 Zigbee 的无线传感器网络，该系统可以将大棚内多个传感器节点的数据通过GSM网络与用户手机通信，实现远程实时监测控制。

Zigbee技术；GSM技术；温室大棚；无线监测

随着我国农业集约化管理的推进，互联网+作为创新2.0下的新业态，与人们的生活已经息息相关，随之而产生的智慧农业被提出。我国是一个农业大国，随着经济的增长，人们生活水平日益提高，对蔬菜需求量越来越大，农村大规模以上的温室大棚也逐渐增多，如果管理人员频繁出入于棚内就会加大传播病菌的机会、影响植物生长且不利于棚内保温，同时造成管理人员工作量加大，劳动成本提高，管理效率低.为了把管理人员从繁杂的劳动中解放出来，实现温室大棚管理的智能化，通过Zigbee 无线传感技术对温室大棚内环境如温度、湿度、光照、防盗等进行实时在线监测，并对土壤的湿度、温度、酸碱度等进行实施数据分析，以达到无线监测控制的一种方式。

Zigbee 技术是一种近距离无线通信技术.其传输距离在 10～ 100m 范围内，在无障环境下可以达到150m.它是依据 IEEE802.15.4标准，此技术采用无线电波将数据从节点传递给另一个节点，从而实现在多个节点之间相互协调通信，具有标准简单、组网容量大、自组网能力强、能耗低、价格低廉等特点。

1 系统的结构和功能

1.1 系统的整体架构

系统方案架构如图 1所示。该监控系统包括一个协调器网关节点和多个终端传感器节点.其中协调器网关节点包含Zigbee 协调器和 GSM 模块两大部分，具有组网/维护的作用，使 Zigbee 网络与终端传感器节点之间通过路由进行实时信息交换。并且协调器节点通过 GSM模块与用户手机相连接，实时传输各个温室大棚内传感器节点的监测数据到用户手机。并将采集到的大棚内各项信息并根据指令进行相应的动作控制。该系统各个应用层可以灵活确定其安全属性，整个网络的可靠性、安全性都比较高.系统的具体功能如下所述:

1) 终端传感器节点可以实现温室大棚内的环境信息采集和安全布防等.主要实现人体红外探测、土壤PH值探测、环境温/湿度探测、光照度探测、二氧化碳检测和门磁探测等.协调器节点把从Zigbee 网络各终端获取的数据信息进行处理，并对信息异常情况做出相应的判断，通过 GSM 模块即时发送报警信息至管理员手机。

2)管理人员接到报警信息后，如能远程处理，则通过手机发送控制指令，协调器节点通过GSM 模块接收指令后，把 GSM 协议转换成 Zigbee协议，然后再由 Zigbee 无线网络协调器将得到的用户指令发送给相应的终端，从而驱动相关继电器使其产生动作，比如关闭电源、水阀、窗户等，实现实时控制的功能。

同时，管理人员也可随时通过手机来查询大棚内是否有人或门窗电源等状态信息，从而实现全天候远程监控。

图1 系统架构图

2 系统硬件设计

2.1 Zigbee 协调器

本系统的处理器采用的是 CC2530 芯片，它是Zigbee 协调器的一个核心部件.该芯片兼容IEEE802.15.4协议，是一种无线射频元件，它不但集成了2.4GHZ的射频收发器，还内置了增强型工业标准的8051单片机、可编程FLASH及RAM等，而且还提供了一套外设集(包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO).CC2530 芯片能够非常方便地组建无线网络，实现节点之间信号的无线传输.该芯片内集成了相应的功能模块，其外围电路也比较简单，其RF发送输出功率4.5dB，接收灵敏度为-97 dB。

图2 CC2530 射频模块电路图

本系统的RF前端采用的是TI公司集成度很高的CC2591射频芯片.其工作频率为2.4GHz，内部集成放大增益为+22 dB的功率放大器、低噪声放大器、平衡转换器、交换机、电感线圈及RF匹配网络等.同时，还集成有SMA(Sub-Miniature-A的简称)天线和倒F天线相结合的方式接收/发送天线，其接收增益最高可以达到11 dB 、噪声系数为4.8 dB，该天线的具有较高的灵敏度，有效增加了该系统的覆盖范围.其电源模块采用的是外接电源和电池两种供电模式，以提高系统的可靠性。

2.2 GSM 模块

GSM 模块是Zigbee 协调器和用户手机之间能够建立无线通信的重要环节，以便用户手机发送和接收相关信息.本部分由TC35i芯片及外围电路构成.其中TC35i 是一款双频 (900/1800MHZ)集成模块。

2.3 串口通信电路

Zigbee 协调器与GSM 模块采用的是串口方式实现相互通信.该电路采用TTL 电平标准，并且将该电平通过 SP3232芯片转换为 RS232 电平。该转换电路如图 3 所示。

图3 串口转换电路图

2.4 终端传感器节点

系统的各节点之间采用无线连接方式，每种类型终端传感器节点具有相互独立性，便于维修和安装，因此具有较好的灵活性以及扩展性.该系统主要通过人体红外探测、土壤PH值探测、环境温/湿度探测、光照度探测、二氧化碳浓度探测、门窗磁探测等实现相应的检测目的.所采用的相关传感器如下所述。

1) 人体红外传感器

人体红外传感器的作用是监测温室大棚内是否有人出入.在工作时段，当监测到一段时间温室大棚内无人而门未关好时，发送信息通知管理人员前去查看是否忘记关门，也可与门磁传感器配合使用，实现远程关闭功能.在夜间，如监测到有人异常侵入，可发送报警信息.本系统采用的是普恩科技的RD-623型热释电红外传感器，它不仅可以探测到波长为 7～ 14 μm 的红外线，而且具有较高的灵敏度和信噪比，稳定性好，其抗干扰能力较强.驱动电路是通过比较器和定时器转换为高低电平信号输出至 CC2530 的 IO口。

2 )土壤PH值探测模块

土壤PH探测模块主要用于检测采集大棚内土壤的性能状况，它在大棚作物种植中是非常重要的，以便于及时改进施肥类型.本系统采用鑫芯电子的X8W850-H1型无线土壤PH探测传感器，此种型号的传感器可以精确检测到土壤PH值的变化状态，有效提高管理人员的工作效率，以便提高作物产量。

3 )环境温/湿度探测模块

环境温/湿度探测模块主要用来进行实时监测采集温室大棚内的环境温度和湿度，以便管理人员对其进行及时调节，达到良好的智能化控制效果，适应作物的生长需求.该系统的环境温/湿度探测模块采用的是物联网无线温/湿度传感器.该传感器采用无线数据传输，体积小，功耗低，内部采用2节5A电池供电，安装简单方便，可壁挂或放置在温室大棚内的任何位置。

4)光照度探测传感器模块

光照度探测传感器模块的作用主要时用于检测大棚内的光照强度，以便工作人员能够及时对适合农作物的光照需求做出正确的判断并对其进行适当的调整。该系统采用ST-GZ型光照度传感器，它采用了具有较高灵敏度的感光探测器，并配合高精度线性放大电路，具有多种光照测量范围和信号输出类型的传感器，其准确度可达±3%FS，通电后1秒可达到稳定状态，响应时间小于1秒 ，其连接电缆的规格一般时2米3线制和2米4线制(RS485)两种类型可供选择。

5)二氧化碳浓度探测模块

二氧化碳探测模块是用来检测大棚内二氧化碳的浓度，其值的大小影响农作物的光合作用等，配合光照度探测模块使用，有助于作物的健康生长。该系统采用ST-CO2型二氧化碳传感器，它利用非色散红外(NDIR)的原理对空气中存在的CO2进行探测，将成熟的红外吸收气体检测技术与精密光路设计、精良电路设计紧密结合，并且内置温度传感器，可进行温度补偿，具有良好选择性，无氧气依赖性，使用寿命长。具有灵敏度高、分辨率高的特点，且功耗低、响应时间快、稳定性好等特点。

6) 门磁传感器模块

门磁传感器模块的作用是用于检测温室大棚门窗的开关状态.该系统采用的是 MC-38 型门磁传感器，它的无线发射模块一侧有2 根导线，一根导线连接3.3 V 的电源，另一根导线连接 CC2530 的 IO 输入口.当大棚的门关闭时，门磁开关断开，输入为低电平; 当大棚的门打开时，门磁开关导通，输入高电平，CC2530 通过判断输入电平的高低即可获取门的开关状态并控制门磁开关，实现远距离控制。

3 系统软件设计

3.1 协调器网关节点

协调器网关节点的作用是组建一个 Zigbee 网络，通过该网络来实现各传感器节点与协调器和用户端之间的数据通信.当协调器节点上电之后，首先进行硬件的初始化，然后再进行信道扫描，寻找空闲信道，通过这一过程生成一个新的网络号，产生一个基于Zigbee的无线网络环境.随后再进行合法节点检测，如果有合法节点则等待该节点加入网络，随后网关开始等待相应的节点消息，满足阈值条件则进行相应的动作，否则处于保持状态，这样就可以实时监测并获得终端传感器节点采集的各项数据，并将数据通GSM 模块发送至用户手机，同时也可以接收来自用户的操作命令.协调器网关节点的工作流程图如图4 所示。

图4 协调器工作流程图

3.2 终端节点软件设计

图5 终端传感器节点工作流程图

本系统中包含有多个不同功能的 Zigbee 终端传感器节点模块，其主要功能是负责将不同传感器节点采集到的数据上传到协调器至用户手机，或执行用户手机经协调器下达的命令，控制相应的联动设备.对于无线网络通信部分，终端传感器节点的程序实现基本一致，区别是加入的休眠和定时模块，采用定时执行任务进行数据采集的方式，这样可以减少终端传感器节的耗电量，其流程图如图 5 所示。

4 结束语

随着农业集约化管理生产的推进，智慧农业开始被提出并越来越受到重视，随之而产生的各种远程监测控制的需求也越来越明显。因此，本文是基于Zigbee 技术的组网模式，通过对人体红外探测、土壤PH值探测、环境温湿度探测、光照度探测、二氧化碳浓度探测、门磁等参数的检测，实现温室大棚的无线监测，可以让管理人员不必频繁进入大棚的情况下，实现远程监测，使管理人员在不需要进入就能够及时了解大棚内的各种情况，实现了温室大棚的全天候远程监控，具有一定的实际应用价值和经济价值.文中不足之处有待进一步改进。

[1]郭小丹.基于物联网技术的高校实验室安防监测系统[J].实验室研究与探索,2014,33(4) : 281-285．

[2]彭龑,何展,钟文.基于ZigBee 的实验室安全监控系统[J].实验室科学,2015,18(1) : 68-71．

[责任编辑：倪祥明]

Greenhouses Wireless Monitoring System Design Based on Zigbee Technology

Guo Cuiling，Wang Hua

(ShangqiuPolytechnicCollege，Shangqiu476000Henan)

In this paper, Zigbee technology is combined with GSM technology, and a system for real-time monitoring of large-scale greenhouses is designed based on the characteristics of relevant sensors.In one or more places of each greenhouse, temperature, humidity, soil pH monitoring and Infrared alarm and other sensors to form a Zigbee-based wireless sensor network, the system can be a number of sensor nodes in the greenhouse through the GSM network and the user's mobile phone communications, remote real-time monitoring and control.

Zigbee technology; GSM technology; Greenhouses; Wireless sensor

2017-05-09

郭翠玲，女，河南商丘人，工学硕士，讲师。研究方向：电子信息及网络自动化等方面的教学及研究。

TN915.02

A

1672-1047(2017)03-0117-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2017.03.31