基于物联网的智能迷你温室监控系统设计

过琦芳 许宏图 李天赐 高莲春

摘要：在阳台或院子里智能化种植各种蔬菜、花卉成为一种时尚。本文采用Zigbee技术和Android平台设计出智能迷你温室监控系统，通过传感器自动监测温室内的空气温湿度、光照度、土壤温湿度等环境参数，并根据监测结果自动控制风机、补光灯、滴灌设备的运行，从而使温室内的环境参数保持在最佳范围内，保证植物的健康生长。

关键词：Zigbee；Android；监控系统

中图分类号：TP732 文献标识码：A

随着人们对高品质生活的追求以及对食品安全的日益重视，在阳台或者院子里种植各种蔬菜及花卉成为一种时尚，不仅可以陶冶情操，而且可以吃到绿色无农药的蔬菜，可谓是一举两得。但由于受季节以及种植条件的限制，一般只能种植一些生命力强，易于管理的植物，而且种植人员需花费大量的时间和精力进行手动管理，这对于年轻的上班族来说，是很难实现的。

本文针对以上存在的不足，设计出智能迷你温室监控系统。用户可以通过手机查看温室内的温湿度、光照度等环境参数，并可以设置参数的上下限阀值，当超过或低于阀值时，自动开启或关闭相应的机电设备，保证植物生长在最佳环境内，从而实现各种蔬菜、花卉的智能化种植。

1 系统的总体设计

整个系统的设计方案如图l所示。系统由Zigbee监控节点、协调器、WiFi网关、Android移动客户端组成。系统采用Zigbee技术组建星型网络，Zigbee监控节点采集温湿度、光照度、土壤温湿度等信息，定时通过Zigbee无线网络发送给协调器，同时根据设定的阀值自动控制相应机电设备的运行。协调器通过串口将接收到的环境信息发送给WiFi网关，安卓移动客户端和WiFi网关之间采用socket通信，通过APP查询迷你温室内的环境参数信息并实现对机电设备的电气控制。

2 系统硬件设计

本系统的Zigbee协调器和Zigbee监控节点都采用TI公司的CC2530F256作为核心芯片。CC2530F256是TI公司推出的用来实现嵌入式Zigbee應用的片上系统，它完全兼容8051内核，同时支持IEEE802.15.4协议，采用倒F天线，只需很少的外围电路就能实现信号的收发功能Ⅲ。协调器和监控节点都采用外部5V电源供电，由底板上的电源转换模块AMS1117转换为3.3V电压为整个电路板供电。协调器的串口接口采用MAX3232芯片，连接CC2530单片机的P0.2和P0.3引脚。监控节点的温湿度传感器采用DHT11，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度符合传感器，具有极高的可靠性和卓越的稳定性，采用单线制串行接口，连接CC2530的P0.7[2]。光照度传感器采用光敏电阻MG45，是一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，具有灵敏度高、反应速度快、稳定可靠的特点，单总线输出，连接CC2530的P0.6。土壤温湿度的测量采用DSW-T2型土壤水分温度传感器，4-20mA的标准模拟信号输出，连接CC2530的P0.5。DHT11、MG45和DSW-T2与单片机的接线图如图2所示。

3 系统软件设计

本系统无线传感器网络的开发采用IAR集成开发环境，协议栈采用TI公司的ZStack协议栈。ZStack完全支持符合IEEE 802.15.4/2igbee标准的CC2530片上系统（Soc），集成了Zigbee协议体系结构的各层功能，使用标准的C语言，用户只需要根据实际需要对其应用层进行修改就可以实现相应的功能。移动客户端应用软件的开发采用Android开发平台来实现。

3.1 协调器软件设计

协调器是整个Zigbee无线传感器网络的核心，它的主要功能包括三个：一是根据预先给定的参数，选择合适的信道和网络号，建立Zigbee无线网络，并进行网络的维护和控制终端节点的加入；二是接收监控终端节点发送过来的环境信息并通过串口发送给WiFi网关；三是接收网关通过串口发送的控制命令并通过Zigbee无线网络下传给监控节点。其流程图如图1所示。

3.2 监控节点软件设计

监控节点上电后自动加入到无线传感器网络，并上传自己的网络状态信息给协调器节点。监控节点的主要任务是周期性的采集温湿度、光照度、土壤温湿度等环境信息，并通过无线网络发送给协调器节点，同时需根据用户设定的参数阀值自动控制相应机电设备的运行。由于监控节点是部署在温室内，采用电池供电，所以需充分考虑能量消耗问题，除了在硬件设计方面采用低功耗的元器件外，在软件设计时也要尽量使节点在不需要工作的时候进入低功耗模式。因而本文使用Zigbee协议栈里的一个定时函数osal_starttimerEx（）来实现采集数据的周期性发送，当采集终端节点不工作的时候就进入睡眠模式，定时时间到就被唤醒，发送采集到的数据到协调器，然后再进入睡眠模式，从而节约能耗。

3.3 移动客户端应用软件设计

移动客户的软件设计机主要包括监控界面的设计和与下位机的数据通信。监控界面主要实现温湿度、光照度、土壤湿度等环境参数的实时显示、超限报警并能对各个环境参数的阀值进行设置，同时能手动控制机电设备的运行。Android移动客户端与WiFi网关之间采用Socket通信，移动客户端与WiFi网关建立连接后，WiFi网关将接收到的环境信息发送给移动客户端，同时移动客户端可以发送控制命令给WiFi网关并通过串口转发给协调器，再由协调器通过Zigbee无线网络发送给各监控节点，从而实现机电设备的手动控制。

4 结论

随着物联网技术的迅速发展，Zigbee技术以及Andriod移动开发技术有了很大的用武之地。本文利用以上技术设计了迷你温室环境自动监控系统，实现了对温室内的环境参数进行自动化、精准化的调控，有效地改善了作物的生长环境，节约了人力成本，为人们在阳台或者院子里智能化种植各种蔬菜、花卉提供了新的思路。

参考文献

[1]青岛东合信息技术有限公司.Zigbee开发技术及实践[M].西安：先电子科技大学出版社，2014：54.

[2]倪天龙，单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用 [J].单片机与嵌入式系统应用，2010（6）：60-62.