基于ZigBee和Web技术的温室大棚远程监控系统

赵金才，焦智莹，梁峰



基于ZigBee和Web技术的温室大棚远程监控系统

赵金才，焦智莹，梁峰

（天津农学院工程技术学院，天津 300384）

基于ZigBee和Web技术的大棚远程监控系统，采用运行有ZigBee协议栈的CC2530单片机和刷有Openwrt的路由器网关，实现了大棚内ZigBee终端的内组网和外联网。ZigBee终端包括挂载有温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等的传感器节点和控制大棚通风窗、遮光帘、保温帘、滴灌、补光器等机构的控制节点两种类型。传感器节点的数据通过ZigBee协调器及网关上传到网络云服务器，Web服务器提供人机交互界面，用户可通过浏览器实现远程自动和手动监控。系统无需现场布线，采集点设置灵活，覆盖面积广，利于传统大棚向种植管理数字化、精确化方向提升改造。

ZigBee；温室大棚；云服务器

近年来，我国的温室大棚种植已经形成规模化和产业化，但在大棚种植过程中自动化程度较低，仍然存在过于依赖人的经验、效率低、精度差等问题，直接影响作物的产量和质量[1]。本文提出一种将传感器技术、无线网络技术和自动控制技术相结合的基于Web服务器和ZigBee组网的温室大棚远程监控系统，不仅能够实现大棚环境温度、湿度、二氧化碳、通风量等参数的自动调节，还可利用手机或电脑通过互联网对大棚的通风窗、遮光帘、保温帘、滴灌等机构设备进行远程控制，既利于保证大棚环境参数达到作物的最佳生长需求，又简化了设备的操作，便于温室大棚调控系统的普及和推广。

1 系统结构

系统主要由传感器节点、控制节点、网关以及Web服务器4部分组成。在大棚内部使用ZigBee技术组网[2]，将各传感器节点、控制节点与协调器节点进行无线连接。网关由路由器和ZigBee协调器组成，租用阿里云的ECS（Elastic Compute Service）服务器作为Web服务器，服务器与网关利用TCP协议进行通讯。编写前端人机交互界面和后端服务程序作为Web服务器，一方面对网关上传的传感器数据进行处理和存储，另一方面响应用户通过手机或电脑在浏览器上发出的控制命令并下发给网关直至控制设备。系统整体架构框图如图1所示。

图1 系统整体架构框图

2 终端节点设计与实现

2.1 终端传感器节点

为方便扩展，传感器终端节点采用传感器盾板与微控制器底板相分离的设计。

2.1.1 微控制器底板

底板采用以TI公司CC2530F256为核心带PA放大的ZigBee模块，CC2530内部运行Z-Stack协议栈，控制射频部分实现无线ZigBee组网通信，数据稳定传输可达1 000 m。终端节点的供电方式分为2类，需要改变检测位置的传感器节点利用锂电池进行供电；不需要改变位置的继电器控制节点利用220 V市电变压后供电。在传感器节点上使用0.96英寸OLED通过SPI总线与CC2530互相通信，用于显示传感器采集的信息。终端节点底板电路如图2所示[3]。

图2 传感器节点底板原理图

2.1.2 传感器盾板

在农作物生长过程中，温湿度、二氧化碳和光照强度对于农作物的光合作用至关重要[4]，将不锈钢防水型的DS18B20温度传感器和土壤水分传感器（大连祺峰科技有限公司生产）埋入土壤中，检测土壤中的温湿度，这两种传感器探头为不锈钢制成，不易电解，可耐土壤中酸碱盐的腐蚀。利用DHT11温湿度传感器测量大棚内空气的温湿度，土壤水分传感器输出信号为0～2 V的电压信号，通过CC2530的ADC功能进行数据采集。DS18B20与DHT11采用1-Ware总线方式与CC2530通信，系统采用GE 红外二氧化碳T6603-5型传感器和以BH1750FVI芯片为核心的GY-30数字光照度传感器分别采集二氧化碳浓度和光照强度[5]，传感器盾板电路原理如图3所示。

图3 传感器底板原理图

2.2 终端控制节点

系统的控制节点主要由多个SLA-5VDC-SL-A型继电器组成，最大允许电流达30 A，通过光耦实现强弱电隔离，避免触电事故和消除对单片机的影响。终端控制节点原理如图4所示。

图4 终端控制节点原理图

2.3 基于Z-Stack协议栈的终端节点应用层设计实现

Z-Stack是德州仪器推出的ZigBee2007/PRO协议栈[6]。上电后，终端节点在完成硬件初始化后启动协议栈，搜寻附近协调器组建的网络，这一过程协议栈自动实现，不需要用户参与。组网成功后在应用层进行用户任务的轮询，包括周期性对传感器采集的数据进行上传和执行协调器发来的控制命令，终端节点流程如图5所示。

图5 终端节点程序流程图

3 网关的设计与实现

网关由Openwrt路由器、ZigBee协调器、7寸触摸显示屏、USB摄像头和电源等组成。组成结构示意图如图6所示。网关的主要作用是将大棚内部的ZigBee网络接入到外部Internet网，实现大棚内部传感器数据的上传和用户远程控制命令的接收[7]。7寸触摸显示屏用于在大棚内部查看整个系统运行状态。摄像头采集实时画面送入服务器。

图6 网关组成示意图

网关软件设计采用Python TCP Socket，Socket又称网络套接字，它的作用是实现网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换。Python是一种面向对象、解释型计算机程序设计语言，最大的特点是具有丰富和强大的库。网关上的所有程序都是基于Python编写，Openwrt作为一种基于Linux的路由器系统支持Python等脚本运行。网关利用Python脚本语言编写Socket程序，实现数据在大棚内传感器网络与互联网Web服务器数据库之间的通信。Python脚本在网关中实现两项功能：一是利用Python的pySerial模块监视协调器串口发来的数据，当发现串口发来终端传感器采集的数据时，通过MySQLdb模块写入Web服务器的数据库；二是通过Python的Socket模块编写程序作为TCP Client与服务器建立长连接，每隔1 s查询数据库中控制表的命令字段是否被更新，如果被更新则将命令发送至协调器执行。

4 Web服务器设计与实现

在阿里云的ECS服务器上搭建LAMP（Linux＋Apache＋MySql＋PHP）作为前后端程序的运行环境。前端利用HTML、CSS和Javascript语言编程实现Web客户端，为用户提供一个简洁的交互界面[8]，后端运用PHP（Hypertext Preprocessor）技术搭建Web服务器，解析用户在前端执行的操作并写入到数据库系统；前后端相结合，用户可直接通过手机或电脑浏览器获得大棚内作物生长环境参数信息，并可通过用户界面上的操作按钮对大棚内的电气设备进行远程控制。

针对手机端一般需要安装APP（Approach）才能使用的不足，在云服务器上设计并搭建了专用的Web用户交互页面来适配多种设备进行远程访问控制，包括手机、台式或笔记本电脑以及平板电脑。只要在安装有浏览器并能访问网络的设备上就能实现对大棚参数的远程监控。远程控制端通过访问固定的域名或IP地址连接Web服务器打开控制页面，在对控制页面中的按钮进行操作时，通过脚本分析响应动作，并将命令写入数据库，以供网关中Python脚本查询。前端浏览界面利用HTML、CSS和Javascript编写而成。HTML控制网页的结构与显示的内容，CSS控制网页的样式，javascript管理用户在浏览时的行为，3者共同组合实现用户远程控制界面。

5 结束语

本文提出并设计了一种利用ZigBee技术和Web服务器技术相结合的温室大棚监控系统。该系统不仅实现了对大棚内温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等参数的实时监测，而且可以根据设定参数通过对通风窗、遮光帘、保温帘、滴灌、补光器等设备的启闭控制实现自动调节。利用云服务器和互联网还可通过手机、电脑等设备实现温室环境参数的远程监控。系统终端节点采用底板、盾板的分离设计，便于维护与功能扩展，用户交互界面人性化、跨平台、易操作，为温室大棚控制技术的发展进行了新的探索，具有很好的应用前景。

[1] 王新坤，李红. 我国温室的研究现状与发展趋势[J]. 排灌机械工程学报，2010，28（2）：179-184.

[2] 危思思. 基于Openwrt开源平台的移动智能设备[D]. 杭州：浙江大学，2014.

[3] 鞠传香，吴志勇. 基于ZigBee技术的温室大棚监控系统[J].江苏农业科学，2013，41（12）：405-407.

[4] 徐鸽. 基于ZigBee的智能农业大棚监控系统设计[J]. 企业技术开发，2014，33（31）：20-26.

[5] 王小强. ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[6] 梁峰，赵金才，都晓鹏，等. 基于ZigBee2007/PRO的智能家居无线组网设计[J]. 天津农学院学报，2016，23（3）：47-50.

[7] 徐咏梅. Python网络编程中的远程调用研究[J]. 电脑编程技巧与维护，2011（5）：33-74.

[8] 陈凌牛. HTML5与CSS权威指南[M]. 北京：机械工业出版社，2015.

责任编辑：杨霞

Design of Smart Greenhouse Based on ZigBee and Web Server

ZHAO Jin-cai, JIAO Zhi-ying, LIANG Feng

（College Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

In this paper, a design of smart greenhouse remote monitoring system was proposed based on web server and ZigBee technology. By which CC2530 microcontroller was employed for operating ZigBee-stack system and routers which brushed with Openwrt, the network and extranet of the gateway of greenhouse were realized. ZigBee terminals contains two kinds, one consists of temperature and humidity, light intensity, the concentration of carbon dioxide sensors, and the other has a series of control nodes such as ventilation window, blanket, drip irrigation, fill device on-off relay control nodes. Through ZigBee and the gateway, the collected datum was uploaded to the cloud web server network , which provides the man-machine interface. Users can realize the automatic and manual monitor-control through various browsers. The field wiring is not needed in this system. And the collection point is flexible in wide areas. It is conducive to the upgrading of traditional greenhouse to the digital and precision.

ZigBee; greenhouse; cloud web server

1008-5394（2017）03-0088-04

TP277.2

A

2017-05-09

天津农学院大学生创新训练项目“基于手机APP客户端的温室大棚参数监控系统”（201510061191）

赵金才（1976 -），男，河北冀州人，副教授，博士，主要从事农业环境参数的检测与控制技术研究。E-mail：jcz602@163.com。