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摘要：

為提高溫室大棚生產(chǎn)過程的自動化、信息化水平，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)的日光溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。由監(jiān)測和控制兩部分組成。監(jiān)測部分采用ArduinoMega2560板對傳感器監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理；控制部分采用ArduinoMega2560板，通過控制繼電器來控制被控設(shè)備以改變環(huán)境因子。同時(shí)該系統(tǒng)采用ZigBee無線透傳模塊TB0106構(gòu)建ZigBee通訊網(wǎng)絡(luò)，各采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)采用星型組網(wǎng)方式。我們介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，該該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和較高的通信效率，可以滿足溫室大棚環(huán)境監(jiān)控對無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸和組網(wǎng)要求，具有較高的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：

ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，但是隨著農(nóng)村外出務(wù)工人員的增多以致務(wù)農(nóng)人數(shù)的不斷減少，原先的個(gè)體小規(guī)模種植模式也將會被大規(guī)模的現(xiàn)代化的種植業(yè)所替代。農(nóng)業(yè)種植將向規(guī)模化發(fā)展。我國的農(nóng)業(yè)主要面臨下面兩個(gè)方面的現(xiàn)狀：農(nóng)業(yè)的信息化低，智能化程度低。我國現(xiàn)在大部分的地方依然依靠傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用很少。因此急需科技人員在農(nóng)業(yè)的信息化，智能化，規(guī)模化方面的研究；目前我國各地都擁有大量的農(nóng)業(yè)大棚，如何對農(nóng)業(yè)大棚中的作物生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控將直接影響作物的生長及產(chǎn)量，而對作物來說，空氣溫度濕度，光照強(qiáng)度，二氧化碳濃度，土壤濕度和通風(fēng)狀況是影響作物生長的主要因素。本課題研究的是無線通訊在農(nóng)業(yè)大棚的監(jiān)控系統(tǒng)，采用Arduino作為主控制板ZigBee無線通訊模塊組建通訊網(wǎng)絡(luò)還有各種傳感器（溫度，濕度，光照強(qiáng)度，二氧化碳濃度等傳感器）搭建整個(gè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚的智能化管理。

1該系統(tǒng)主要硬件的介紹

1.1arduino

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件燒錄進(jìn)微控制器[1]。

1.2zigBee模塊

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗區(qū)域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定ZigBee技術(shù)是一種短距離，低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離，低復(fù)雜度，自組織，低功耗，低數(shù)據(jù)速率，低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee可以工作在2.4GHZ，868MHZ和915MHZ三個(gè)頻段上，分別具有最高250kb/s，20kb/s和40kb/s的傳輸速率它的傳輸距離在10到75m的范圍內(nèi)。ZigBee節(jié)點(diǎn)所屬類型主要有三種，分別是協(xié)調(diào)器，路由器，終端。同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)各個(gè)節(jié)點(diǎn)地址分配理論上可以連65536個(gè)節(jié)點(diǎn)[2]。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無線傳感器采集節(jié)點(diǎn)能夠通過大量的傳感器節(jié)點(diǎn)的相互協(xié)作，實(shí)時(shí)采集監(jiān)測對象的信息，然后將采集到的信息用無線模塊發(fā)送出去，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)形式傳送到服務(wù)器，最后客戶可以通過手機(jī)電腦等設(shè)備遠(yuǎn)程查看和控制。傳感器采集節(jié)點(diǎn)主要是Arduino作為底板和ZigBee無線模還有各個(gè)傳感器組成傳感器采集節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化配置[3]:實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的四種節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)）應(yīng)用程序與ZigBee協(xié)議鑲嵌，從而完成節(jié)點(diǎn)之間的成功組網(wǎng)和數(shù)據(jù)的無線傳輸，最終為設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制系統(tǒng)提供基礎(chǔ)通訊平臺。

3采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)可以采集空氣濕度，土壤濕度，溫室光照強(qiáng)度及二氧化碳濃度等環(huán)境因子。大氣溫濕度和光照強(qiáng)度以及二氧化碳濃度是影響作物生長的最主要因素，因此，將空氣的溫濕度，光照以及二氧化碳濃度傳感器作為系統(tǒng)的基本裝備元件，其余傳感器可以根據(jù)不同的溫室環(huán)境需求來進(jìn)行擴(kuò)展。采集節(jié)點(diǎn)選用Arduino作為微處理器，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)的擴(kuò)展我們采用了Arduino和Arduino擴(kuò)展板連用已達(dá)到增加I/O口，主板主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，無線傳輸?shù)裙δ堋４笈飪?nèi)的環(huán)境參數(shù)主要是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采集。由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間的設(shè)計(jì)基本相同，因此每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)對環(huán)境信息的采集過程是相通的。

4控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)主要是用來接受上位機(jī)發(fā)來的控制命令并執(zhí)行命令，以控制設(shè)備的啟動與停止。控制節(jié)點(diǎn)通過控制固態(tài)繼電器來控制交流接觸器，最終控制設(shè)備的啟動與停止。設(shè)備狀態(tài)信息通過繼電器的常開觸點(diǎn)采集，觸點(diǎn)閉合表明設(shè)備啟動，觸點(diǎn)斷開表明設(shè)備停止。控制節(jié)點(diǎn)可以控制風(fēng)機(jī)，遮陽簾，加濕器，加熱器等被控設(shè)備。并采集設(shè)備狀態(tài)信息。控制節(jié)點(diǎn)正常啟動時(shí)，打開串口，設(shè)置好ZigBee協(xié)調(diào)器的信道和ID號，初始化協(xié)調(diào)器，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功后，當(dāng)串口接收到來自處理器的相關(guān)命令時(shí)微處理器同樣通過指令來控制該節(jié)點(diǎn)的被控設(shè)備。控制節(jié)點(diǎn)有5V和3.3V兩個(gè)電壓等級。節(jié)點(diǎn)的主要供電方式為5V，由太陽能供電系統(tǒng)提供。Arduino控制板和固態(tài)繼電器需要5V電壓，ZigBee模塊需要3.3V電壓。由于控制節(jié)點(diǎn)是強(qiáng)電與弱電的結(jié)合使用，為防止強(qiáng)電與弱電之間相互干擾，供電部分設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路，此電路一方面將強(qiáng)電與弱電隔離，另一方面將弱電電壓穩(wěn)定在5V。

5太陽能供電設(shè)計(jì)

溫室大棚要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制作物生長情況，就需要檢測節(jié)點(diǎn)較多，如采用常規(guī)的的電源供電方式需要架設(shè)電線，由于溫室內(nèi)環(huán)境的影響，電纜在高溫高濕度的環(huán)境中極其容易腐蝕因此使用周期短效果差。溫室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其內(nèi)部光輻射量強(qiáng)，有利于采用太陽能供電方式來提供電力供給，從而避免大量電纜架設(shè)，采用該供電方式有利于能源節(jié)約[4]。太陽能供電系統(tǒng)，由太陽能電池板，太陽能控制器，蓄電池組成，太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換成電能儲存在蓄電池中以提供檢測節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)的電力供給其結(jié)構(gòu)框圖。

6顯示節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為了更好的人機(jī)交流本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了顯示節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)采用Arduino為底板即微處理系統(tǒng)，以協(xié)調(diào)器的身份加入網(wǎng)絡(luò)，用戶可以通過顯示節(jié)點(diǎn)查詢各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)參數(shù)即通過鍵盤輸入命令經(jīng)過微處理器處理后向各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求命令在由無線模塊將請求命令發(fā)送出去，這時(shí)各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)收到請求命令后做出響應(yīng)并將實(shí)時(shí)采集到的環(huán)境參數(shù)發(fā)送到顯示節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過微處理器的分析處理后由液晶顯示模塊反應(yīng)給用戶。該顯示節(jié)點(diǎn)具有最值分析功能，均值分析功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)特定監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，還能對整個(gè)監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行總體監(jiān)測。對單個(gè)特定監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)控是指對這個(gè)特定監(jiān)測點(diǎn)的所有監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行分析處理然后通過函數(shù)圖像的形式顯示該節(jié)點(diǎn)的參數(shù)變化趨勢使得用戶可以更直觀的了解溫室的環(huán)境變化[5]。

7網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

由于用戶不能隨時(shí)的近距離觀察溫室的環(huán)境狀況為了解決這一不便利因素該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了網(wǎng)關(guān)就使得無論用戶在哪里只要有網(wǎng)絡(luò)的地方用戶都可以通過移動通訊設(shè)備（手機(jī)，平板電腦和其他無線設(shè)備）登上網(wǎng)關(guān)所綁定的網(wǎng)頁實(shí)時(shí)的對溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控和管理。網(wǎng)關(guān)通過ZigBee協(xié)議從傳感器節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)，經(jīng)過應(yīng)用層與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行通信，次模塊與PC機(jī)通過英特網(wǎng)口相連，PC機(jī)通過訪問模塊的網(wǎng)址來訪問環(huán)境參數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)了ZigBee信號向TCP/IP的轉(zhuǎn)換。PC機(jī)通過模塊IP地址，將數(shù)據(jù)發(fā)送給該模塊，以太網(wǎng)模塊與Arduino-uno進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)TCP/IP向ZigBee的轉(zhuǎn)換。

8結(jié)論

溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的基本功能：1）可24小時(shí)實(shí)時(shí)對溫室的溫度，濕度，光照強(qiáng)度，二氧化碳濃度進(jìn)行檢測并可以通過ZigBee無線模塊實(shí)時(shí)傳給主控。經(jīng)過主控分析處理之后以數(shù)字和字母方式由液晶顯示器顯示監(jiān)控信息；2）由于傳統(tǒng)的供電方式采用連線方式由此造成了走線復(fù)雜維修困難，該系統(tǒng)采用太陽能電池板供電白天由于光照充足，由太陽能電池板發(fā)電一部分供給各采集節(jié)點(diǎn)一部分供給蓄電池充電以提供夜間工作做時(shí)供電。在此由于光照強(qiáng)度是變化的所以太陽能電池板提供的電壓是不穩(wěn)定的因此我們設(shè)計(jì)了自己的穩(wěn)壓器以提供穩(wěn)定的工作電壓；3）由于用戶不能隨時(shí)的近距離觀察和監(jiān)控溫室的環(huán)境狀況為了解決這一不便利因素該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了網(wǎng)關(guān)，使得無論用戶在哪里只要有網(wǎng)絡(luò)的地方用戶都可以通過移動通訊設(shè)備（手機(jī)，平板電腦和其他無線設(shè)備）登上網(wǎng)關(guān)所綁定的網(wǎng)頁實(shí)時(shí)的對溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

作者：段鵬偉 王俊學(xué) 單位：天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院

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