基于ZigBee技术的温室大棚环境参数远程监测

潘 琳

（盐城工学院 电气工程学院，江苏 盐城 224001）

在渐渐兴起的温室大棚产业中，对大棚中的温、湿度的控制显得尤为重要。温度和湿度对农作物的生长有着决定性的关系，一旦温度和湿度超过农作物生长所需的要求，将会影响农作物的正常生长。在传统农业温室大棚中，其主要监控方式为有线通信。其不仅耗费大量人力、财力，而且维护起来也比较麻烦，在一些环境恶劣的气候中无法满足工作要求。新兴的无线传感器网络技术ZigBee正好解决了这一问题。ZigBee技术可以采用短距离无线通信方式，并且具有低速率、低成本、低复杂度、安全、可靠等特点。文章采用主控芯片CC2530组建无线传感网络，使用温湿度传感器DHT11作为传感器节点实现对温室大棚的温湿度监测。

1 系统总体结构设计

系统的硬件部分主要由两部分组成：采集系统和传输系统。数据采集系统主要作用为采集温度数据和湿度数据。利用温度传感器和湿度传感器将环境参数的变化转化为模拟量，再通过模数转换将数据传输给终端节点。数据传输系统主要由ZigBee模块组成，ZigBee模块实现将采集到的数据以无线的方式传输出去，再通过串口传输给PC端。每个ZigBee模块都包含无线传输和无线收发。

ZigBee无线传感网络覆盖大棚内部。终端节点将采集到的温湿度数据进行预处理，然后通过ZigBee无线网络将数据无线传输给协调器节点。协调器节点通过串口将温度数据和湿度数据传输给PC。由于ZigBee具有功耗低的特点，所以在终端节点采用休眠模式，即终端每5S一次检测温湿度（休眠时间可通过软件来调整）。在终端节点上加个按键，此按键能实现让终端实时传输温湿度给协调器的功能。当协调器节点检测到接收到的温湿度数据大于程序中设定的上限值时，协调器节点上的报警器开始报警。系统总体设计框图如图1所示。

2 系统硬件实现

2.1 核心控制器

图1 系统总体设计框图

处理器核心使用的是美国TI公司生产的CC2530芯片。该芯片是一款2.4G ISM ZigBee产品，在单个芯片上整合了射频收发器，内部有增强型的单片机 8051内核处理器，256K flash存储器，支持最新的ZigBee协议，支持硬件调试。它有单周期访问SFR、DATA和主SRAM这3种不同的内存访问总线方式。CC2530包括一个调试接口并且扩展了18个输入中断单元。由于集成使得外围电路更加简单，系统更加稳定，且成本低、功耗低、性价比较高。

2.2 温湿度检测电路设计

温湿度检测电路主要是用DHT11温湿度传感器来检测温度和湿度。DHT11是一款温度和湿度复合型感器。它有很强的稳定性和准确性。主要由感湿元件、测温元件和8位单片机构成。传感器采用单线串行接口，使系统变的简单快捷。具有功耗低、体积小、传输距离远、4针单排等特点。DHT11的工作电压是3.3～5V。电源引脚之间可加入100np的电容，来去除滤波。

2.3 电压转换电路设计

由于使用的ZigBee芯片工作电压为3.3V，DHT11传感器和蜂鸣器工作电压均为3.3V，而电脑串口的输出电压为5V，所以需采用降压电路。采用三端可调输出的线性稳压器LM1117，它能将输出电压稳定在一个定值。LM1117为集成式的元器件，输入端接入5V电压后，输出端能稳定输出3.3V，采用LM1117稳定性、精确度都提高了。

2.4 电源电路

①电源插座。由于供电电压是5V，可以选择PWR2.5 DC的插座。电源插座是预备电源的作用，假如终端电压不足，而又想要知道此时温室大棚的温湿度，可以采用电源插座的方式，给节点提供5V的电压。②电池供电。由于ZigBee具有功耗小的特点，所以可以终端采用休眠模式，每5S传输一次数据。根据现场实际需求，决定终端采用电池供电。由于LM1117模块的工作电压为5～12V，而一节电池的电压为1.5V，所以采用4节电池串联，共6V。市场上一节5号电池的电容量为1500mA.H，一个负载的工作电流为15mA，那么可以提供负载工作100H在温室大棚中，采集温度数据，由于温度变化比较缓慢，所以可以采取定时采集的方式，假设终端每小时传输50s，其余时间都在睡眠状态。那么实际上，我们采用4节5号电池，终端节点工作电流为60mA，每小时工作50s，通过计算可以得出4节5号电池提供给终端节点的工作时间为7200h（300天），即大约一年时间，由此可以看出ZigBee低功耗的特点。③终端供电和协调器供电。终端由于现场需求，所以采用电池供电和电源插座两种方式，普通情况下采用电池供电。协调器采用USB转串口供电，这样既能给协调器供电，又能将协调器上接收到的温湿度数据传送给PC端。

2.5 报警及其控制电路

在设计中，当协调器接收到终端传来的数据高于设定的警报值时，协调器应当报警，在这里，我们选用蜂鸣器报警。报警电路采用的有源蜂鸣器。当报警电路工作时表示此时温室大棚中的温度和湿度已超过用户设定的温湿度上限，此时需采取一些对应措施来使大棚中的温湿度下降，即在协调器节点上加上一个拨动开关S2，此开关可以打在位置1和位置3上，通过手动和自动方式来控制电动机的工作，在终端节点再加上LED灯，表示电动机的启停。当报警电路工作时，处于控制平台室的人员得知大棚的温湿度已超过上限值。当拨动开关S2此时在3的位置，即自动挡时，报警器报警时电动机将会自动启动；当拨动开关S2在1的位置，即手动挡时，报警器报警时，此时控制平台室内的人员可以通过协调器上的按键开关S1来控制终端上的LED（电动机）工作。这样就能通过电动机的工作状态来控制温室大棚的顶部天窗的打开程度或控制自动喷水系统的工作状态来达到降低温度或降低湿度。当温度或湿度下降到上限值以后时，报警器将停止报警。在晚上时或下雨天时，可以通过按键开关S3来使电动机反转，使大棚天窗关闭。自动控制方框图如图2所示。

图2 控制系统图

由于要实现电动机的正反转，所以需用到2个继电器。其中一个继电器控制电动机的正转，另一个控制电动机的反转。采用的是固态继电器。固态继电器是一种由固态电子元件组成的无触点开关器件，它是利用电子元件的开关特性，可达到无触点无火花的接通和断开电路的目的。

3 系统软件实现

本系统程序主要包括4个部分：a.将温湿度传感器DHT11检测到的数据做成帧；b.将数据通过终端节点发送出去；c.协调器接受终端传来的数据；d.协调器上的数据通过串口发送给PC端。

终端节点自动加入协调器组建的网络中，终端传感器采集温湿度数据并将数据做成数据包每5S（睡眠时间）传输一次，当终端按键被按下时，终端节点产生中断，产生中断后，程序跳过睡眠模式，立即传输数据。

协调器自动组建、配置一个网络，协调器是整个网络中最重要的，当它接收到终端节点发送过来的数据包时会检验校准位是否正确，当确认数据正确后在通过串口传输，当检测到校准位不正确是，协调器将一直处于接收数据状态，直至接收到正确的数据包。

4 结语

本文的设计系统很好的解决了在传统的温室大棚环境参数监测方面，有线传输所带来的工程量大，布线复杂，高成本，高功耗等问题。ZigBee技术先进的自建网、自寻址能力实现了对任意位置温度、湿度信息的灵活监测，对温、湿度智能控制电路让温、湿度较好的恒定在设定的值。本系统低成本、低功耗、网络维护简单、传感器更换方便、稳定可靠等特点使得其在温室大棚和工业控制等领域具有很强的应用前景。