基于ZigBee的温室环境监测系统设计与应用

郑慧珍

(漳州职业技术学院，福建漳州 363000)

1 研究背景

温室设施农业是提高农业生产率的重要途径，这就需要对农作物生产环境进行精细监测及控制[1]。但传统的有线网络监控系统布线复杂，不容易维护，并且施工受地理因素影响较大。随着计算机技术、无线网络技术和智能传感器的发展，无线传感器网络(WSN)能够很好地解决这些问题[2]。尤其是2017年被称为IOT的新元年，2017年工业和信息化部办公厅引导全面推进移动物联网(NB-IOT)建设发展，建设广覆盖、大连接、低功耗NB-IOT基础设施、发展基于NB-IOT技术的应用[3]。电信行业和互联网巨头不再作为旁观者，而是积极投入[4]。无线物联网应用于各行各业，温室环境的控制也在其中。无线物联网的成熟和广泛应用为精确温室控制提供了有利条件，本文提出了一种基于ZigBee的温室环境监测系统。该系统在温室中铺设温湿度传感器、CO2传感器、光照度传感器、NH3传感器等。通过采集这些数据并调整环境因子的大小(加温、降温，开窗、遮阳等措施来实现)来达到控制温室环境的目的。将这些数据上传至服务器，上位机可以随时监测温室内环境情况并作出相应处理，通过存储和分析这些数据能够更好地研究作物生长环境。

2 监测器的总体设计

本系统分为上位机和下位机，上位机负责数据存储和处理，下位机负责数据的采集、初步处理并接受上位机命令向各IO口发送相关处理命令，使执行机构动作。本文主要介绍下位机的控制系统。本控制器以TI公司的CC2530芯片作为通信芯片和主控模块[5]。该芯片具有丰富的IO口并集成了ZigBee通信协议，从传感器读取温室参数，利用ZigBee技术的自组网功能发送至网关节点，再由网关节点将本子网的数据和监测时间打包，通过3G模块上传至网络服务器。

本系统原理框图如图1所示，传感器节点以CC2530芯片为主控/通信芯片，每隔一小时自动唤醒一次，搜索相同子网编号的ZigBee子网，并加入子网。然后利用设置于各温室中的各种传感器读取温室参数和节点编号进行数据打包，通过射频电路发射至网关节点。信号发送成功后由主控芯片关闭所有外围电路，进入休眠模式。

2.1 ZigBee模块

ZigBee技术具有低功耗、低成本、短时延、高容量、免布线等特点，以其为核心对现有的温室监测系统进行技术升级，将极大提高监测效率，降低监测复杂度及维护成本[6]。采用ZigBee技术构建无线传感器网络，实现对各传感器节点数据的实时处理，具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通信稳定、维护简便等优点[7]。CC2530是TI公司推出的处理器芯片，采用低功耗静态CMOS设计制造的支持IEEE802.15.4协议[8]。CC2530在单个芯片上整合ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器等。它具有128K系统内可编程闪存、12位模数转换器、32kHz休眠定时器、看门狗定时器、21个可编程I/O引脚等[9]。由于它封装小、低功耗、多种运行模式等特点[1]，所以很适合用于本系统的设计。图2为本系统所应用的ZigBee模块，该模块是系统的核心控制和处理模块。

2.2 温湿度传感器模块

以温湿度传感器模块为例进行介绍，模块的温湿度采集采用DHT81数字传感器，它是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出，传感器带有防腐蚀罩，并带有14位的A/D转换器，超快响应，抗干扰能力强，品质卓越[10]。其典型的应用电路如图3所示。该系统采用5V电源供电。

DHT81的温度采集具有极好的线性度，SOT为单片机采集到的2字节数值[11]。温度的计算公式为：

Temperture=D1+D2×SOT.

(1)

D1和D2参数从表1和表2中查询得到，通过式(1)计算得到所要测量的温度值。例如,按我国温度单位一般采用摄氏度，此时可以查询表1的第一行数值；然后再根据系统所使用的电源，若采用5V电压，那么查询到的D1系数是-40.00。该传感器默认的测量分辨率分别为14bit(温度)、12bit(湿度)，也可分别降至12bit和8bit。因此表2温度转换若是采用默认值则查询到的结果是0.01。

表1 温度转换系数D1

在参考温度为25℃(-77℉)时，相对湿度的计算公式为：

RHlinear=c1+c2×SORH+c3×SORH2.

(2)

SORH是由DHT81采集到的一个2字节数，系数c1、c2、c3从表3可以查询得到，经式(2)计算得到相对湿度RHlinear。图4为其转换到相对湿度的曲线图，可以看出DHT81的湿度采集几乎呈现线性。

表3 湿度转换系数

表4 温度补偿系数

湿度的大小在一定程度上依赖于温度的高低，并且实际湿度往往不是测试参考湿度。因此，实际的湿度需要进行修正，修正如下：

RHtrue=(T-25)×(t1+t2×SORH)+RHlinear.

(3)

其中，T为温度值，系数t1和t2由表4查询得到，RHtrue为修正后的湿度值。

3 监测器的部分软件设计

传感器节点的软件流程如图5所示。网关节点可以选择由太阳能或者交流市电供电，内部设有1MByte以上的数据存储器作为数据缓存，每隔一段时间将数据存储器中的待发数据打包，通过3G模块发送至网络服务器。发送成功后清空数据存储器，准备进行下一轮的数据收集。网关节点作为整个子网络的中转站，还负责子网的建立、鉴别有用数据、非法设备的踢出。该节点作为中转站无休眠状态，24小时不间断运行。

4 测试结果

上位机监测用户系统采用LabVIEW开发的界面。该上位机监测用户系统主要负责与温室的ZigBee网关节点进行通信，从而获得各环境参数，其界面如图6所示。这些数据同时存储到数据库，以便于后期处理和分析。

系统在福建省漳州市某大棚进行模拟测试，本监控器以温湿度传感器和光照度传感器进行测试，预留其他传感器接口，如CO2传感器、NH3传感器等。测试表明该控制系统能够很好地监测大棚的温湿度和光照度。