利用ZigBee技术研制樱桃大棚温湿度监测系统

尹娜

（大连海洋大学应用技术学院 辽宁省大连市 116000）

1 现状分析

温室大棚种植模式作为我国现代农业发展的一部分，已经在我国广泛推广。传统的温室大棚虽然具备透过、保温、保湿等功能，但是大棚内的所有关于作物生长的参数指标都需要人工采集的方式获取，除了需要耗费巨大的人工成本外，还存在人工操作不当会破坏作物生长环境、人工采集参数与指标不准确、数据分析与处理不及时等问题，从而影响作物的正常生长，造成不必要的经济损失。同时，对于作物果实的光照度测量完全是依照人工经验判断，缺乏科学准确的数据支撑，无法完全实现对作物种植实时监测，精准控制。

“温湿度”：温度，是表述空气或其它物质的热度。湿度，则表述的是空气中含水量的多少，一般用相对湿度表述，最高100%，最低0.00%。

“光照度”：农作物的生长发育都离不开光照，新疆产地的葡萄之所以甜度高，正是因为新疆的葡萄光照充足。光照不但可以为作物自身进行光合作用提供所需的能量，而且可以为大棚形成适宜作物生长的气候环境创造条件。

“监测”：检测，监控。樱桃大棚温湿度及光照度监测系统，是实现对樱桃温室大棚中空气温湿度多点采集、土壤湿度多点采集、光照强度多点分析等功能，结合基于Internet 大数据分析，及时为农户提供准确的数据和参考建议，提高樱桃产量。

目前，国内对蔬菜温室大棚的监控系统已经很成熟，但是针对樱桃大棚的检测监控系统应该是刚刚起步，尤其是果实的光照度监测，还没有成熟的系统。

2 实现系统的关键技术

2.1 构建基于ZigBee技术的低功耗无线传感器网络

ZigBee技术是一种无线通讯技术，具备低功耗、低成本、短时延、网络容量大、安全性能高等优点，与CDMA 和GSM 网络十分相似。ZigBee 数传模块与移动网络基站在工作原理上也有许多相似之处，ZigBee 技术的通讯距离是支持无限延展的，从最标准的75m 可以根据需要不断扩大范围。

ZigBee 网络节点功能强大，每一个独立的网络节点都可以成为监控对象，独立的网络节点与传感器连接就可以直接对目标对象进行实时监控和数据采集，还可以通过系统将其它网络节点的数据资料、参数指标传送过来。不仅如此，ZigBee 网络节点(FFD)在属于该节点信号覆盖的范围内，均可以与系统内部孤立的子节点(RFD)进行无线连接。

ZigBee 的网络拓扑结构主要有3 种：网型结构、星形结构和树形结构。每一种结构应用于不同的领域，ZigBee 无线网络传感器的协调器节点可以接收和发送无线信号。同时，ZigBee 无线网络还具备自组织、自愈等功能。

ZigBee 节点具有自组网和低功耗的特点，建立樱桃大棚无线传感器网络，通过在ZigBee 上的温度、湿度和光照度传感器实时采集各项信息，根据大棚的具体面积，合理投入多个ZigBee 节点，设计一个主机和多个从机组成的无线传感器监测网络的整体框架结构，如图1 所示。

ZigBee 网络的组建需要完成协调器网络初始化和节点通过协调器加入网络两个步骤。完成网络初始化的操作过程如下：

（1）需要检测网络协调器。首先需要检验节点为FFD节点与否，在确定节点为FFD 节点后，再检验该节点有无协调器存在于网络内部。再确定该节点并未加入其它网络且具备协调器功能后，才能确定该节点满足条件，能够建立ZigBee 网络，这个节点成为这个网络的协调器，产生信标并不断扩散出去。

图1：ZigBee 节点和ZigBee 网络

图2：ZigBee 网关

图3：上位机监控界面

（2）信道扫描。协调器建立新的网络后进行信道扫描，包括：能量扫描和主动扫描。第一步，排除干扰，对物理层所有默认的信道或者用户指定的信道进行能量扫描。根据信道测量值按照递增排序的处理方法将信道进行排列，筛选出能量值符合标准的信道进行下一步骤，能量值超出能量范围的信道则全部舍弃。第二步，符合能量值范围的信道执行主动扫描，选择网络数目最少的信道确定该信道作为用于建立新网络的信道。

（3）配置网络参数。通过信道扫描筛选出满足要求的信道，协调器则会确定一个PAN 描述符，确定的PAN 描述符必须满足PAN ≤0×3FFF 且PAN ≠0×FFFF,同时该PAN 描述符必须是所选择的信道内唯一的描述符。短地址（16 位）和扩展地址（64位）是ZigBee 网络的两种地址模式。通常协调器选择的短地址为0x0000。本地网络中的设备标识采用短地址（16 位），在任意一个网络中，短地址在每个设备中都是独一无二的，当节点加入网络时由其父节点分配并通过使用短地址来通信；扩展地址由IEEE 组织分配，用于唯一的设备标识。

（4）运行新网络。将网络参数配置好，运行新网络，启动状态通过原语通知网络层，网络层管理实体再通过原语通知上层协调器初始化的状态。

在检测网络协调器、信道扫描、配置网络参数、运行新网络都顺利进行后，网络初始化这一步骤就成功了，等待其它节点加入即可。

节点通过协调器加入网络：

（1）查找网络协调器。对周围网络的协调器进行主动扫描，扫描过程中若检测到信标，就能够获取协调器的相关信息，可以发出请求与协调器连接。在选择合适的网络之后，上层将请求mac 层对物理层和mac 层的phyCurrentChannel、macPANID 等PIB 属性进行相应的设置。扫描过程中若没有检测到信标，在一段时间间隔后，节点会再次对周围网络的协调器进行扫描。

（2）发送关联请求命令。协调器接收到节点发送的关联请求的命令后会立即回复一个确认帧（ACK），并且协调器会将连接指示原语发送给它的上层。协调器上层在收到指示原语后，会对自身的情况做出判断，判断依据包括：能量和存储空间情况。协调器的能量和存储空间满足要求时，协调器上层才会允许节点加入，将响应发送给节点的mac 层。

（3）等待协调器处理。协调器加入请求命令被节点接收一段时间后，节点的mac 层会接受协调器的连接响应。协调器的能量和存储空间都充足的情况下，协调器会分配一个短地址给节点，该节点与协调器成功连接。

（4）发送数据请求命令。在响应时间内协调器允许节点加入，响应时间过后节点向协调器发送数据请求命令并且将该命令进行存储。

（5）回复。关联响应命令被节点接收后，协调器会收到节点发送的确认帧（ack），表示该节点成功接收连接响应命令，节点回复确认帧（ack）的时候会将协调器的短地址（16 位）和扩展地址（64 位）保存下来。同时，该节点会将连接确认原语发送至上层，通告关联加入成功的信息。

2.2 结合移动互联网技术

设计智能网关，通过Wi-Fi 技术，将ZigBee 网络与智能终端连接，并连接Internet，如图2 所示。

2.3 监测系统设计

采用Android 编程技术编写移动终端（手机）监测程序的界面，完成上位机和主ZigBee 协调器间数据通信，实现上位机监控界面与主机控制器之间实时数据通信的功能，如图3 所示。

3 系统的特色和创新点

系统中对光照度的监测是特色。光照是农作物生长发育不可或缺的一个重要因素，温室大棚的环境条件也离不开光照。农作物的生长速率以及农作物的产量和质量都与光照息息相关。光照对于温室大棚起的最重要的两点作用：

（1）农作物的生长发育离不开光合作用。

（2）温室大棚的温度调控离不开光照。

光照虽然对于农作物十分重要，但是光照强度也必须是控制在合理的范围内。高强度的光照会造成农作物的水分迅速流失，严重的甚至会对叶片造成一定损伤，危害农作物的健康状态；光照度不足，农作物不能充分地获取光能进行光合作用，农作物营养匮乏就会影响农作物的产量。在这些情况下，经与农户调研得知，“光照量”对樱桃果实的成熟度尤其重要。

系统中引入ZigBee 技术，Android 系统等物联网技术，构建以移动终端为核心的樱桃大棚温湿度及光照度监测系统，为农户及时提供温室大棚的各项信息，并结合基于Internet 的大数据分析技术，及时为农户提供解决方案，是本系统的技术创新点。

4 总结

樱桃大棚温湿度及光照度监测系统主要采用低功耗无线传感器网络ZigBee 技术，组成温湿度和光照度采集网络，通过移动互联网技术，将信息及时显示到农户的手机上，同时结合基于Internet的大数据分析技术，为农户提供建议和参考。

系统的研制，使农户能更及时方便的获取精准的樱桃大棚的光照度、温度、湿度、CO2等技术参数，并通过大数据技术为农户提供合理的建议。根据精准的数据信息作为支撑，打造大棚内部最佳的农作物生长环境，解决农作物因为大棚内部温湿度以及光照不达标而影响农作物生长的问题，从而达到提高作物的产量和果实的质量，形成科学技术与农业种植相结合的全新种植模式，实现农业现代化，打造高效优质的农产品，降低劳动成本的同时，提升农民的收入水平。

我国科学技术在不断地创新与发展，农产品市场经济也在迅速发展。随着现代化信息技术在全国各地的覆盖与推广，以物联网技术为核心的农业种植模式将会在现代农业种植领域占据重要的地位。农业化与信息化的结合将会很好地推动农业种植的发展，种植模式朝着绿色、生态、节能、高效的方向转变，我国农民的经济收入将不断提升，农业市场经济也将在我国市场经济占据更大的比重。