基于ZigBee树状网的农作物大棚温湿光强度监控系统设计

于耀淞程宇一

（海军工程大学电子工程学院武汉430033）

基于ZigBee树状网的农作物大棚温湿光强度监控系统设计

于耀淞程宇一

（海军工程大学电子工程学院武汉430033）

自ZigBee技术提出以来，其构成的无线传感网络在智能家居、工业、医疗等领域应用得到了广泛应用。论文设计了基于ZigBee树状网的农作物大棚温湿光强度监控系统，提出了满足大棚农作物环境监测的系统的架构，并对相关参数采集硬件电路和软件流程进行设计。在IAR开发环境下，以CC2530芯片为核心构建了一个由若干终端节点、若干路由节点和一个协调节点组成的树形温湿光强度参数采集网络。各终端器利用数字式温湿度传感器DHT11采集温度、湿度数据和光强度传感器TSL2561采集光强度数据，通过直接发送或路由器转发形式将采集到的环境参数汇集到协调器。通过实验验证了设计的有效性和推广应用价值。

ZigBee；CC2530；树形；DHT11；TSL2561

Class NumberTP393

1 引言

随着现代农业科技含量的不断提高，大棚农作物生长环境可控可调，更利于实现智能化控制。但现有大棚的环境参数采集测量大多是通过有线方式传输到控制端或者人工实地记录实现的。由于集中布线受地形和复杂环境因素的影响，难度大、不易维护、导致投入成本较高。同时人工实地记录方式浪费更多的人力、物力，数据的实时性也不强。这就催生了探索新的科技成果应用于大棚农业生产，ZigBee无线通信技术具有的功耗低、成本低、时延短、网络容量大、安全可靠等特点［1］使其越来越多地应用于大棚农业生产。通过控制芯片和各种测量环境参数传感器的结合，可以解决传统参数采集方式的弊端，正逐步实现广泛应用。

本文设计的大棚农业环境监测系统，使用CC2530单片机［2］和温湿度传感器和光强传感器组成参数采集节点，采用单片集成的ZigBee无线射频技术进行传感器采集参数的传输，上位机开发则采用Visual Basic.NET和Access数据库系统，将各节点所采集到的环境参数信息实时显示到系统界面，从而达到对作物生长环境有效监测的目的。

2 系统总体设计

大棚农作物生长环境测量系统由环境参数采集传感器、ZigBee无线网络和检测控制中心组成，整个系统的框架结构［3］如图1所示。

网络每一个终端是结合温湿度传感器、光强传感器和数据处理芯片组成的测量农作物环境参数的设备，具备网络路由和协调器功能的设备与终端设备之间通过ZigBee无线网络实现测量数据的传输，最后由协调器设备通过串口传输线将采集到的不同节点的数据传输到监控中心，数据统一保存在Access数据库中，方便管理者实时查看大棚作物生长环境的变化情况，及时在环境状况改变的情况下制定相应措施，利于农作物的生长。

3 系统硬件设计

无线通信网络部分采用了TI公司的CC2530芯片，整合了业界领先的2.4GHz IEEE 802.15.4/ ZigBee RF收发机、增强型8051内核、系统可编程Flash存储器和RAM等功能。设计的环境温湿采集在室外无障碍最高传输距离可达300m左右。芯片外围硬件电路如图2所示。

本文测量温湿度和光强的传感器分别选择了SHT11温湿度传感器［4］和光强度传感器TSL2561［5］。SHT11是新型智能温湿度传感器，集成了湿温度传感器、信号放大调理电路、A/D转换电路，通过II线串行接口与控制芯片进行数据传输与控制，融合了CMOS芯片技术与传感器技术［6］。SHT11传感器默认的测量温度和相对湿度的分辨率一般分别为14位、12位，通过状态寄存器可以调整分辨率。相关指标如表1所示。

表1 SHT11指标参数

TSL2561是一款高速、低功耗、量程宽，可编程灵活配置的光强数字芯片。其光强度测量范围为1-70000Lx。可通过软件设置相应光强度阈值，当实际光强度超出或低于设定的光强度值时，会给出相应中断信号。

本树状网络大棚环境温湿度、光强度采集流程为：所有设备都上电，网络协调器会选择合适的信道、合适的网络号，自主建立ZigBee无线网络［7］；网络路由器通过搜索网络协调器建立的网络。同时启动路由功能并加入加入网络，网络终端节点申请加入网络并将SHT11采集到的大棚环境温湿参数和光强度参数直接或通过网络路由器转发给网络协调器终端。最后由协调器设备通过串口传输线将采集到的不同节点的数据传输到监控中心，以便更容易地进行温、湿和光强参数数据分析和数据存储［8］。

4 系统软件设计

软件设计主要分为网络终端设备软件设计、网络路由软件设计和网络协调器软件设计三部分组成［9］。网络终端设备主要负责大棚温、湿和光照参数的采集和无线发送，网络路由器扮演路由转发功能，主要将测得的三个参数转发给网络协调器。而网络协调器则负责大棚环境参数汇集传输到PC机上。从而进行实验所测三个参数的分析与评估。网络协调器、网络路由器和网络终端对应的软件流程图分别如图3～图5所示。

5 实验及数据分析

搭建好硬件平台后，需要对本系统进行相关性能测试。如不同通信距离下数据接收能力即丢包率测试。在满足系统要求情况下应用于实际大棚环境试验。单个大棚温、湿和光参数采集节点通信稳定性测试数据如表2所示。

表2 通信稳定性测试数据

通过以上通信稳定测试数据可以得出，随着通信距离增加，系统丢包率逐渐增大，但在200m范围内，其丢包率都满足系统要求。因此，可以将本系统投入到大棚作物生产环境监控中。在这之前还需要进行大棚环境模拟测试，确定终端参数采集设备对采集到的温度、湿度和光强度参数精确度。确保环境测量设备的准确度。

设置网络终端每隔30s采集一次环境温、湿和光强度数据并通过网络路由器转发给网络协调器，网络协调器再通过串口总线将数据传送到PC机上。在实验过程中记录了40组数据。温度、湿度和光强数据曲线分别如图6所示。通过数据曲线可以看出，参数采集设备的稳定性较好，温度波动范围仅0.3℃内，湿度波动范围在在0.2%RH内，光强度波动范围在15Lx内，整体误差较小。

6 结语

本文主要设计并制作了大棚农业环境监测系统，给出了系统的总体设计架构，分析说明了温湿传感器、光强度传感器和ZigBee无线网络技术相关参数及优缺点，并在此基础上设计了测量大棚内温度、湿度和光强度系统的硬件结构和网络参数采集终端软件、路由器软件和协调器软件的流程。并进行相关实验对系统的稳定性做了相关测试，结果表明本系统设计稳定性高，温湿度和光强度采集精度高，并且整个系统功耗也比较低。满足在大棚蔬菜环境监测网等环境中应用，从而实现环境温湿度智能化监控。

［1］史德林.基于ZigBee的温室大棚自动控制系统设计［J］.学术探讨，2014，20（7）：225.

［2］章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点［J］.计算机系统应用，2011，20（7）：184-187.

［3］余贵水，赵奎，朱倪瑶，左雷.基于Zigbee技术的大气温湿数据采集系统设计与实现［J］.舰船电子工程，2015，35（5）：89-93.

［4］张富春，邵婷婷，杨延宁.一种基于DHT11的家用自动浇花电路的设计［J］.电子测试，2014，16：34-36.

［5］杨明慧，杨鹏，史旺旺.基于TSL2561的无线光强传感器节点设计［J］.单片机于嵌入式系统应用，2010，6：38-40.

［6］徐振福.ZigBee技术在智能家居系统中的应用研究［D］.北京：中国科学院大学，2014.

［7］史德林.基于ZigBee的温室大棚自动控制系统设计［J］.学术探讨，2014，20（7）：220.

［8］夏飞.基于Z-Stack协议的无线传感器网络节点研究［J］.电子元器件应用，2009，11（12）：74-76.

［9］余贵水，赵奎，朱倪瑶，左雷.基于Zigbee技术的大气温湿数据采集系统设计与实现［J］.舰船电子工程，2015，35（5）：85-91.

［10］Yan Dongmei，Dan Zhiguang.ZigBee-based Smart Home system design［J］.IEEE Computer Society，2010（8）：39-44.

［11］EdCallawayLowPowerConsuptionFeaturesof IEEE802.15.4/ZigBee LR-WPAN Standard presented in SenSy［J］.www.ZigBee.org.2010（8）：66-74.

［12］Yan Dongmei，Dan Zhiguang.ZigBee-based Smart Home system design［J］.IEEE Computer Society，2010（8）：40-44.

Design of Crop Canopy Temperature，Humidity and Light Intensity Data Monitoring System Based on ZigBee Tree Network

YU YaosongCHENG Yuyi
（School of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan430033）

Since the ZigBee technology is proposed.The application of ZigBee wireless sensor network is widely used in the fields of intelligent home，industry，medical health and others implies.This paper designs the crop canopy temperature，humidity and light intensity data monitoring system based on ZigBee tree network，and proposes the system architecture which can monitor the crop canopy environment，and designs the related parameters acquisition hardware circuit and software process.A kind of a tree wireless network includes several end nodes，router nodes and a coordinator node is built using the SOC chip CC2530.Each terminal can acquisite temperature，humidity and light intensity data by using digital DHT11 sensor and TSL2561，then converge the data directly or transmit the data indirectly through router nodes to the coordinator through network.At last the effectiveness of the design and application value is tested through the experiment.

ZigBee，CC2530，tree form，DHT11，TSL2561

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.032

2017年1月5日，

2017年2月26日

于耀淞，男，硕士研究生，研究方向：信号与信息处理。程宇一，男，硕士研究生，研究方向：信号与信息处理。