基于Zigbee无线网络智能温室控制系统的设计

任冬冬　胡斌　王玉超　傅振涛　黄萌

【摘 要】本文设计了一个基于ZigBee无线网络的单片机智能温室控制系统，本智能系统可通过各种传感器实时监测温室环境内各类环境因子（包括温度、湿度、光照强度、CO2浓度等），并将其数据通过Zigbee无线网络传输至控制系统单片机，由无线网络将控制系统发出指令传送至相应的执行机构，实时调节温室环境，保证温室永远处于一个对农作物最为有利的生长环境。本系统很好的解决了实时数据监测的问题，改变了过去只靠操作人员通过观察作物生长状态而进行测报的相对落后状态，对生产作物进行即时的自动监测，促进生产资源集约高效利用，从而能够大幅度提高的农业生产力。

【关键词】无线网络；ZigBee；智能温室；无线传输

中图分类号： TP277 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）29-0045-002

【Abstract】In this paper，we design a SCM intelligent greenhouse control system based on ZigBee wireless network.The intelligent system can monitor various environmental factors （including temperature，humidity，light intensity，CO2 concentration，etc.） in the greenhouse environment in real time through various sensors The data is transmitted to the control system microcontroller through the Zigbee wireless network，and the control system sends instructions to the corresponding implementing agencies by the wireless network to adjust the greenhouse environment in real time to ensure that the greenhouse is always in the most favorable growth environment for the crops.The system is a good solution to the real-time data monitoring problems，changing the past by observing the growth of crops by the operator state of the relatively backward state of the newspaper，the production of crops for real-time automatic monitoring， and promote the efficient use of productive resources and thus Can greatly improve the agricultural productivity.

【Key words】Wireless network；ZigBee；Smart greenhouse；Wireless transmission

0 引言

近年来，农业作为国家优先发展产业正受到各级政府的高度重视，增加亿万农民收入是我们国家当前的基本国策，农业现代化是我们追求的目标，基于计算机和自动化技术的智能温室是农业现代化的一个重要方面。温室为农作物提供了一个能透光、保温（或加温）适于生长的环境。特备是在不适宜植物生长的季节，温室能提供生育条件和增加产量，还用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。温室内存在各种变量参数（如温度、湿度等），是一个多变量、多耦合、非线性、大滞后的复杂动态系统，需要由各种检测装置对环境因子进行检测，但往往检测出环境发生变化时再由执行机构来改变温室环境是滞后的，并不能实现实时监测实时调节。因此建立一个有预见性、及时的控制系统来调节温室环境，以提供最为合适的农作物生长环境是非常有必要的。

1 总体方案设计

基于Zigbee无线传输智能温室控制系统主要包含上位机和下位机两大模块，其系统框图见图1。上位机选用微机，为主控制系统，下位机则采用单片机实现分级控制。上位机主要是实现面向客户各种环境因子数据的设置及显示，从而适用于各种农作物的环境控制，同时能将环境因子数据及控制指令历史数据存储下来。下位机的工作是在接受监控PC机发出的控制信号后，可以通过上位机已经预设好的各项数据的阀值来实现对执行机构的控制。下位机控制器是以CC2530单片机为核心的，整个下位机系统包含两个下级模块，分别是ZigBee无线主模块和单片机自动控制模块。其中ZigBee无线主模块又由模数转换系统、数据采集系统、无线网络传输系统以及通信系统组成。系统通过各种传感器实时监测温室内的二氧化碳浓度、温湿度和光照强度等温室环境因子，将其采集的数据上传到ZigBee子节点，再通过无线网络传到ZigBee网络总节点，最后通过RS-232串行口总线将数据传到上位机上并显示反馈给用户。单片机自动控制模块包括数据模块和执行机构控制模塊。数据采集模块可以完成对ZigBee总节点通过网络通信层所传递给单片机数据的收集和预处理，同时将结果通过RS-232串行口总线送至数据存储器或监控服务器存储和管理。执行机构控制模块则是通过比较实时监控的环境因子参数和预设阀值来实现对温室大棚内的各个执行机构（如遮阳系统、保温系统、升温系统、湿窗帘/风扇降温系统、喷滴灌系统或滴灌系统）的启动与关闭。endprint

2 ZigBee无线网络模块设计

本智能温室控制系统最主要的特点在于数据的传输是基于ZigBee实现的。ZigBe技术是一种复杂性不高、低能耗、运行速率较低、传输距离较短、设计成本不高的双向无线通讯技术[2]，并且在实际的设计中ZigBee网络有着非常强大的延展性[3]。依据控制要求和温室自身的特点，可选用适合ZigBee无线网络技术的处理芯片，构建一个合乎情理的网络拓扑结构来实现ZigBee网络的无线传输，把协调器、处理器以及终端设备有机的整合在一起，通过软件编程实现数据在无线网络中的畅通传输。

2.1 ZigBee技术的软件开发环境的介绍

本设计所使用的软件开发环境是IAR，它是一个非常强大的开发环境，几乎所有可用的工具都可以完整地嵌入这个软件中，相对于其他的开发环境，IAR 开发环境是一种具备入门容易、使用方便和代码简洁等特点的强大软件，IAR开发环境的主要特点：

1）高度优化的IAR AVR C/C++编译器；

2）AVRIAR汇编器；

3）通用IAR XLINK Linker；

4）IARXAR库创建器和IAR XLIB Librarian一个强大的编辑器；

5）一个工程管理器；

用户可以在IAR开发环境下做一些对新的项目开发设计，而且这个开发环境界面简洁、清晰，用户很轻松就可以熟练驾驭这个具有大量代码继承能力的IAR开发环境。

2.2 ZigBee星型网络拓扑结构的搭建

为了使温室环境的监测能够准确，在一定范围内要设置温室环境因子的监测设备，其所监测到的数据要通过无线传输网络输送至上位机。合理的设计温室环境因子监控设备在温室中的分布以及无线传输网络的拓扑结构都能提高系统的实时反馈的速度和效率。因此设计一个合理的无线传输网络的拓扑结构是非常重要的。本系统设计了一个全功能设备作为系统的ZigBee主节点和多个精简功能设备作为ZigBee网络的子节点的星型网络拓扑结构，星型拓扑结构设计较为简单、在应用中易于实現、而且网络的能耗较低。

2.2.1 全功能设备的功能配置

每一个星型结构中都只有一个全功能设备（FFD）节点，也就是ZigBee星型无线网络的总节点。全功能设备（FFD）节点在星型无线网络中作为ZigBee协调器（Coordinator），是无线网络的主节点，主要负责整个网络的初始化、频率通道；并且负责整个设备的启停；当该主节点被激活后它就会建立一个无线个网，之后容许其他的ZigBee网络的子节点扫描并申请加入网络。除此之外主节点还要负责接收和存储由子节点收集的温室环境因子数据。

2.2.2 精简功能设备的功能配置

系统预设了3个精简功能设备（RFD）作为ZigBee无线传输网络的子节点。其主要功能是把由单片机收集到的传感器网络传来的实时数据通过网络传递到主节点。

2.2.3 ZigBee星型网络的组建过程

任何一个网络的建立都离不开协调器设备，可以说协调器（coordinator）是一个网络中最重要的组件，因为协调器是组网的关键所在。星型网络的建立过程如下：

首先，ZigBee网络的建立需要一个网络协调器，该协调器是全功能设备；初始化协调器，ZigBee协调器初始化化后，在信道内搜索其他协调器，若是有其他协调器在工作，则向该协调器发组网申请。若是没有其他协调器，则该设备自己组建ZigBee无线网，主节点在初始化后就开始对所在通信通道做出监视和等待状态；一旦有一个子节点向协调器发出组网请求后，协调器会分配一个16位PAN ID给这个子节点作为它唯一的标识，这个网络短地址的内容是依据这个子节点所处通道中所检测到的通道能量及网络号来决定的，在子节点分配完网络段地址后就成功的加入了这个无线网。

在网络建立以后，如果系统的设备很多的话，可能会出现网络堆叠或者PAN ID冲突的现象，所以为了尽量减少这种错误 可以在子节点出现冲突后初始化协调器来重置子节点的地址。

2.3 ZigBee节点与单片机控制模块的无线传输

本系统的无线传输网络搭建完毕后，需要进一步对数据传输进行软件的设计。不管是监测数据还是控制命令都是通过无线网络传输的，因此ZigBee的总节点和子节点都与单片机的控制模块有联系。在对大棚室内的环境数据进行采集时，CC2530芯片的主要工作流程：第一步是当STC89C52单片机将采集到的数据传给子节点时，CC2530芯片会读取串口数据；在读取到数据后系统会向总节点发出信息，触发子节点发送任务；最后CC2530芯片会将环境信息通过无线网络发送到总节点。ZigBee无线网络通信模式一共有两种，其中一种是非信标模式，而另一种就是信标网络模式。而我们的系统选择非信标网络模式作为网络通信模式，因为非信标模式比较灵活，其子节点通过竞争的方式加入拥挤的信道，而且芯片不会一直发送周期信标帧。在非信标工作方式下，发送MAC层或命令数据帧时，会有一个随机的等待周期，在这个周期过后，如是确定信道没有处在忙碌（busy）状态，再发送MAC层命令和数据帧；如果确定当前的信道状态处于非常忙碌的状态，那么系统会再等一个任意长的时间后，第二次再尝试接入当前信道。当CC2530芯片收到单片机传输来的数据后，会直接给单片机传输一个确认信号，而不会理会当前信道是否忙碌，ZigBee子节点会根据确认信号来判断数据发送成功与否[4]。

3 单片机控制模块设计

本系统中的单片机控制模块是系统控制的核心，单片机其中一个重要的功能是负责收集各个ZigBee子节点上所监测到的环境因子数据，控制数据的传递，将数据上传至上位机。它的运行过程见图2：在给所有的设备的电源通电后，单片机在完成其初始化之后就进入数据采集的状态。一旦传感器给单片机一个中断请求信号，单片机就进入与该传感器相应的工作状态，通过模数转换完成数据通道的检测，分别采集温湿度、CO2浓度以及光照强度的实时检测值，单片机能将这些数据进行预处理，然后打包发送给ZigBee子节点，最后这些数据通过ZigBee无线数据传输网络传递到上位机。

4 总结

本文设计了一款基于ZigBee无线网络的单片机智能温室控制系统，利用ZigBee技术的可扩展性和传输快速等特点，组建了能够实时监测温室环境并实时进行自动改善环境的智能控制系统。本系统很好的解决了实时数据监测的问题，改变了过去只靠操作人员通过观察作物生长状态而进行测报的相对落后状态，对生产作物进行即时的自动监测，促进生产资源集约高效利用，从而能够大幅度提高农业生产力。

【参考文献】

[1]丁为民，汪小旵，李毅念.温室环境控制与温室模拟模型研究现状分析[J].农业机械学报，2009，40（5）：162-168.

[2]金纯，罗祖秋，等.ZigBee技术基础及案例分析.国防工业出版社，2008.

[3]王东.无线传感器网络系统设计与应用[D].重庆：重庆大学，2007.

[4]马巧娟，郑萍，等.基于ZigBee和LabVIEW的多点无线温湿度采集系统设计[J].2009.

[5]黄萌.基于STM32集智能温室和杀虫为一体的控制系统的设计[J].湖北农机化，2015（3）：60-62.endprint