基于ZigBee网络的温室环境监控系统设计

张宏伟+解应博+杨红涛

摘 要：传统的依靠人工对温室温度和湿度进行监测和控制的方式，由于监测误差大，控制具有延迟性，导致温室内的环境参数不能稳定在合理范围内。针对监控水平自动化程度低，不能适应温室规模化种植这一现状，设计了基于ZigBee网络的温室环境监控系统。该监控系统利用传感器对温室内的温度和湿度进行检测，将检测到的参数值经过ZigBee网络和RS485总线传输到上位机中。上位机对数值进行分析处理，然后发送指令到控制设备，进行温室环境监测和控制。实验表明该监控系统灵敏度高、控制灵活，达到了预设效果。

关键词：ZigBee；上位机；RS485总线；温湿度监控

DOIDOI：10.11907/rjdk.171325

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）007-0061-03

0 引言

随着通讯技术的发展，温度、湿度信息的实时采集、分析和处理，以及相关设备的控制灵敏度都有很大提高，将温室规模化种植提升到了一个新高度。目前的信息通讯技术中，有线信息传输方式有CAN总线、RS485总线、Profibus总线等[1-3]，无线通讯技术应用较频繁的是蓝牙技术、ZigBee技术、WiFi技术以及移动通信技术等[4-6]。有线通信技术和无线通信技术都可以在一定程度上完成温室温度、湿度参数以及控制指令的传输。但是，温室内环境复杂，布线困难[7]，而无线技术传输距离较短[8]，将有线通信和无线通信两者结合，才能更好地完成环境参数的检测和控制[9]。

为了达到温室环境参数检测灵敏、控制设备延迟性低的要求，提出了一种基于ZigBee网络和RS485总线的温室环境监控系统方案，该监控系统能很好地实现温室内的温度和湿度的实时监测和控制，使温室内的环境参数始终处于设定的范围内。

1 系统总体架构

温室环境监控系统由温湿度采集模块、无线温湿度监测仪、远程上位机和相关控制设备组成。温湿度采集模块和无线温湿度监测仪共用CC2480作为控制器，利用组态王6.55设计监控界面，对温室内的温度湿度参数实时显示，可通过监控界面了解温室内相关设备的运行状况，有利于工作人员及时掌握温室状况，系统架构如图1所示。

SHT11传感器将采集到的温室温度值和湿度值传送到CC2480芯片中，再通过ZigBee网络将信息发送给无线温湿度监测仪，无线温湿度监测仪通过RS485总线与远程上位机相连，上位机对传来的信息进行分析，存储处理后，发送相应指令到PLC中，PLC根据接收的指令来控制加热器、喷雾器和通风机的开启或关闭。

2 系统硬件組成

2.1 传感器模块

选择传感器主要从供电方式、供电电压、测量误差大小、信号输出方式等几个方面考虑。本监控系统数据采集选用SHT11温湿度传感器，该传感器具有响应速度快、抗外界干扰能力强、性价比高等优点。SHT11为两线数字式输出，测温范围为-40～+123.8℃，湿度检测范围为0～100%RH，检测温度精度为±0.4℃，湿度检测精度为±3%RH，内部结构如图2所示。

传感器将采集到的温湿度值转换成电信号，经过放大电路放大的信号通过模数转换电路，把模拟量信号转换成数字量信号，同时对信号进行数据标定，最后通过I2C总线接口输出信号。

2.2 CC2480模块

CC2480芯片是一款集低功耗和低成本等优点于一体的、支持ZigBee传输协议的射频芯片，具有较宽的电压支持范围，能够处理对时序要求严格的ZigBee协议任务，具有良好的通讯功能，能通过SPI接口或UART接口和任何类型的微处理器通信。温湿度传感器将采集到的信息传送到CC2480芯片，再经过CC2480芯片利用ZigBee无线通信方式，将信息传输到温湿度监测仪中。CC2480和SHT11的接口电路如图3所示。

2.3 PLC控制模块

监控系统选择S7-300系列的PLC作为控制器，控制相关设备的启动和停止。PLC在长时间运行中能保证良好的安全可靠性， S7-300系列的PLC采用模块化设计，具有灵活的组装特性，能够根据实际需要组装不同的功能模块。监控系统选用SM322数字量输出模块来连接补光灯和喷雾器等相关设备，从而控制温室内的温度和湿度，保证植物茁壮成长。由于PLC自身带负载能力较弱，不能直接和大电流的电器连接，因此在PLC的输出端通常连接一个电流相对较小的中间继电器，再由该中间继电器和大电流电器连接。SM322和相关控制设备接线如图4所示。

SM322模块与喷雾器、加热器、通风机、补光灯、温度报警指示灯、湿度报警指示灯和系统正常运行指示灯相连，PLC接收上位机传来的相关控制指令，驱动相应控制设备，使温室内环境保持稳定。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee传感器节点软件设计

ZigBee技术拥有十分强大的组网能力，能够形成星型、树型和网状网3种网络结构，本文采用星型网络。星型网络是最简单的拓扑形式，自带IEEE.802.15协议层，因此星型拓扑网络结构可以不用ZigBee的网络协议栈。传感器节点由信息采集模块、信息处理模块、信息传输模块和供电模块组成。监控系统开始运行后，信息采集模块将采集到的环境参数进行模数转换，信息处理模块完成信息的存储、处理以及传输。传感器节点工作流程如图5所示。

3.2 上位机软件设计

上位机软件设计主要功能是让操作人员更加清晰地了解到温室的温湿度变化情况以及各种设备的运行状况。组态王6.55原理简单、操作方便、功能强大，所以监控系统选用组态王6.55实现上位机的监控界面显示。在该监控系统设计中，上位机实现主界面设计、参数设置和调整界面设计、历史曲线界面设计、实时曲线界面设计、数据报表和存储界面设计以及报警界面设计。监控人员可根据需要选择进入不同的监控界面了解相关信息。

4 结果分析

基于ZigBee网络的温室环境监控系统能很好地实现温室温湿度的在线实时监测和控制，能够根据温室植物的生长需要，将温度和湿度控制在一个合适的范围。图6为某一时间段内温室温度实时曲线图。

选取上午10：00到12：00这个时间段进行实验，温室内的温度测量实时曲线如图6所示，温室温度在监控系统正常运行下保持在24-29℃这一对植物生长最有利的范围值内。

5 结语

基于ZigBee网络的温室环境监控系统，能够根据检测需要在温室内不同位置布置温度传感器和湿度传感器。搭建的无线网络解决了温室内布线困难问题，RS485总线的运用也有效解决了ZigBee网络传输距离较短的缺点，工作人员能在远程监控室内通过上位机监控界面掌握温室情况。试验测试表明，该监控系统能很好地完成温湿度环境参数检测，组态王设计的监控界面能对各种信息保存和显示， PLC能根据接收的指令很好地完成相关设备的控制任务，使温室环境参数始终处于一个有利于植物生长的范围值内，具应用和推广价值。

参考文献：

[1]单冰华，张凤登.基于CAN總线的温湿度检测系统[J].电子测量技术，2016，39（5）：123-126.

[2]韩慧.基于RS485总线的温室环境监测系统[J].仪表技术与传感器，2012（3）：60-61.

[3]王艳芳，任胜杰，李智强.Profibus总线在智能温室监控系统中的应用[J].机床与液压，2010，38（4）：64-68.

[4]贾海政，陈军.基于蓝牙的温室温度监控系统研究[J].农机化研究，2009（5）：111-114.

[5]周浩慧.基于Zigbee的无线温度传感器网络设计与实现[J].软件导刊，2010，9（7）：86-88.

[6]许童羽，王建东，须晖，等.基于ZigBee与WiFi的北方日光温室群监控系统设计[J].中国农机化学报，2016，37（1）：59-64.

[7]彭波，文方.CAN总线网络在温室温度测控系统中的应用[J].工业控制计算机，2013，26（2）：1-3.

[8]孙茂泽，张爱丽，王来刚，等.基于ZigBee和GPRS的温室群监测系统设计[J].软件导刊，2016，15（5）：126-128.

[9]杨靖，白保良，李泽滔.温室环境监控系统的设计—基于RS-485总线和无线通信方式[J].农机化研究，2013（10）：166-170.