基于ZigBee的温室环境监测系统的设计与实现

摘要:温室大棚环境信息的快速、准确获取是农业精准调控的基础。研究设计一套基于ZigBee技术的温室大棚环境监测系统，采用CC2530微处理器控制多传感器数据采集，对温室大棚内的温湿度、CO2浓度、土壤湿度等环境参数进行实时采集，并通过ZigBee模块将数据进行无线传输上传，实现主机PC监测。经过测试，该系统功能完善、功耗低、性能稳定，可以较好地改善温室大棚的环境。

关键词:ZigBee;CC2530;传感器;温室大棚

引言

随着信息技术和网络技术的快速发展，农业信息化也得到了广泛的应用。近年来，温室大棚种植技术得到了迅速推广，合适的生长环境提高了农作物的产量，也解决了农作物的生长季节问题。但是系统存在的问题，研究了基于多数据融合的温室大棚环境监测系统，利用ZigBee技术进行多类环境参数数据的采集和汇聚，采用GPRS/4G移动网络实现了信息的无线远程传输，利用VisualStudio(VS)6.0开发基于Windows平台的显示系统，实现大棚内各类环境数据信息的稳定传输，满足现代化温室大棚信息采集、传输和显示的需求[1]。

传统的大棚环境监测多采用有线连接布线复杂、成本高、安装维护困难、可靠性差，而无线通信技术正好解决了这些难题。本研究针对目前温室大棚监控

ZigBee技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4的一种无线传感网络通信技术，具有低功耗、高可靠、低成本、低时延和灵活组网等特征，ZigBee技术因其优势被应用于农田环境监测系统中，成为获取土壤温湿度、空气温湿度和光照度等农田环境信息，感知农作物生长的重要手段。

ZigBee协议栈结构

ZigBee协议栈由物理层、媒体访问层、网络层和应用层四部分组成，结构如图1:

物理层直接与硬件相连，是硬件设备引脚定义的功能模块层，其主要任务是控制无线电收发器的开关、物理信道的选择和监测、通信数据的传输和接收以及通信链的质量检测和评估。

媒体访问层是物理层和网络层的桥梁，主要任务是建立数据传输的通信链路，实现信道的接入。

网络层是ZigBee协议栈的核心，主要任务是负责分配网络节点地址，数据传输时在该层完成路径选择以实现路由功能，并根据数据地址进行逻辑寻址。

应用支持层为网络层和应用层提供一个接口，其任务是在绑定的设备之间进行信息通信，并负责ZigBee网络中其他设备的绑定请求，并在设备之间建立安全机制。

ZigBee设备与网络拓扑

ZigBee具有灵活的组网方式，如星型拓扑结构、树型拓扑结构和网状拓扑结构，如图2所示:

星型拓扑结构只能和协调器节点进行通信，终端节点之间的通信必须通过协调器节点进行数据中转，这种结构的网络需要建立一个全功能节点的协调器;树型拓扑结构由一个协调器节点、至少一个路由器和多个终端节点组成，有更好的稳定性，覆盖范围较大;网状拓扑结构是路由器节点之间可以相互通信，能够组建复杂的网络，且稳定性高，传输数据量大。

根据温室大棚环境监测系统的实际工程需求，本设计选择较简单的星型拓扑结构作为系统的网络结构，即终端设备与协调器直接进行信息通信。

智慧农田信息监测系统总体设计方案

本系统主要用于监测农田环境信息，其总体结构设计如图3所示，主要由数据信息采集、信息传输和远程监测三个模块组成。数据信息采集模块主要由多个感知节点和多参数无线传感阵列组成，用于获取土壤温湿度、空气温湿度、CO2浓度等农田环境信息;信息传输模块包括ZigBee协调器模块、GPRS/4G/WIFI模块;远程监测模块由WEB服务器和SQL数据库组成，负责数据的存储和发布。

图3农田监测系统总体设计

系统硬件设计

主控制模块

本系统选用TI公司的CC2530作为核心处理器，其内部采用标准的增强型8051内核，支持IEEE802.15.4协议的无线射频单片，为开发者提供使用编程手段控制的数字I/O端口，同时集成了UART和A/D等外设，不仅具有较高灵敏度的无线接收能力，而且功耗低、节点设计简单。此外，CC2530有多个信道可供选择，支持ZigBee2007/PRO协议栈，使得运用CC2530设计的节点通信距离更远，组网性能更稳定可靠，符合该系统需求。

传感器的选择

统低功耗的需求。智能网关的节点数据较大，本系统采用高密度集成WI-FI芯片ESP8266-cloud2，其具温湿度传感器。大棚内空气温湿度的数据采集选用含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11。该传感器内部包含1个电阻式感湿元件和1个NTC温度感测元件，并与1个高性能的单片机相连，采集的各项数据参数会保存在OTP内，方便数据校准时随时调用查看。DHT11传感器接口电源电压在3.3~5.5V，为确保线路稳定、数据采集精确，可在电路中放置一个电容，对电路进行滤波处理[2]。该传感器性能卓越，从外部封装看，体积小且功耗低，非常适用于对温室大棚环境的监测。

光敏传感器。本系统选用GM5516光敏传感器对大棚内的光照强度进行测量。该传感器结构简单，对光照强度变化感应敏捷，而且价格低廉，适合在大棚内进行大范围布置，保证光照强度数据信息采集精确。光敏电阻阻值和光照强度成反比，电压和电阻成正比，当光照强度发生变化时，会引起端电压的变化，通过对端电压进行相应换算便可以得到光照强度值。

CO2浓度传感器。本系统选用微型低功耗的CCS811二氧化碳气体传感器对大棚内的CO2浓有智能互联功能，可以通过WI-FI路由器与服务器端通讯，而且具有自成体系的网络解决方案，内置32位CPU,GPIO、TCP/IP协议栈，UART、I2C、SPI等接口，方便灵活，不仅能独立作为主控芯片运行，也能作为通信模块搭载主控芯片，帮助主控芯片接入网络[4]。智能网关节点硬件结构如图4所示。

系统软件设计

ZigBee协调器软件设计

ZigBee协调器节点是ZigBee网络的启动或建立设备，本系统选用与CC2530芯片相配套的Zig-Bee2007/PRO协议栈和IAR集成的开发环境。协调的工作流程如图5所示。上电后，先进行CC2530和协议栈的初始化，然后由协调器节点进行组网，并指定该网络的ID号，等待终端采集节点加入网络。

度进行测量。该传感器基于CCS独有的微加热板技术，能够提供高度可靠的气体传感器解决方案和快速的测试周期，缩减系统成本[3]。此外，该传感器将金属氧化物气体传感器和微控制器子系统集成在一起，简化设计，延长电池续航时间，缩减系统成本。

土壤湿度传感器。本系统选用精讯畅通的JXBS-3001-TR型土壤水分湿度传感器，该传感器采用了FDR测量方式，利用频域反射电磁脉冲技术测量土壤湿度，测量精度高、稳定性强、响应快，而且测量精度不会随着时间增加而出现偏差，受土壤含盐量影响较小，使用寿命长。

3.3智能网关设计

智能网关负责监控中心和ZigBee节点间的信息传送，网关节点数据吞吐量大，为保证系统的稳定性，本系统选用基于ARM的STM32F103VET6为核心。该芯片具有512Kflash，64KSRAM和32位Cortex内核，7通道DMA控制器，9个通信接口，7个定时器，多达80个快速I/O口，芯片主频可达72MHz，处理速度快，指令等待周期为微秒级，供电电压为2.0~3.6V，一系列的省电模式能够保证系1个节点加入网络的方式有两种:Ⓒ使用MAC层关联进程加入网络;Ⓒ通过先前指定父节点连接加入网络。本系统的终端节点采取第一种方式加入网络。首先，终端节点通过原句NLME_NETWORK_FORMATION.request发起入网请求，网络层在接收到该请求后会进行信道扫描来寻找附近是否有协调器，如果有协调器，网络层管理实体会发送MLME_ASSOCIATE.request原语到MAC层，尝试加入该网络。协调器会通过MLME_ASSOCIATE.indication原句通知网络层管理实体有节点尝试加入网络，若协调器资源充足，就会同意节点加入网络的请求，并为其分配16位的短地址，至此终端节点就实现和协调器的连接，可以实现数据通信。

4.2终端节点软件设计

系统终端节点采取关联入网方式，初始化后，首先在其覆盖范围内查询协调器节点，并申请加入网络，经过协调器的判断后，合法的终端节点就会连接网络，然后开始控制传感器对周围环境信息如光照强度、温湿度、CO2浓度等数据进行监测采集，最后将采集的数据信息打包发送至协调器设备，流程如图6所示。

测试结果

可靠性测试

通过测量不同距离情况下数据传输时的丢包率，来测量设备在大棚环境中的通信能力。本次测试分别选用100m、150m、250m、400m、600m，每次发送不同的数据包(100~120个)，连续发30次，测试结果如表1所示。大棚与数据管理中心距离一般不超过600m，根据测试结果该系统能满足实际需求。

4.3上位机软件设计

本系统的上位机远程监控终端选用微软公司的软件集成开发工具VisualStudio(VS)，该软件功能强大，操作简单，可以实现Windows、Android等多系统跨平台开发操作。本文采用VisualC++语言程序对其进行开发。该上位机软件能够对光照强度、土壤湿度、空气温湿度等环境信息实现实时采集，并将采集的信息存储到MySQL数据库中，该数据库

5.2性能测试

本系统测试采用5个数据采集点对大棚内形成全方位的网络监测，验证环境参数采集的准确性。利用12时和18时为主要时间测试点，监测数据如表2所示。根据监测的数据可以看出，随着时间变化，大棚内的温湿度、土壤湿度和CO2浓度等环境参数都有改变，测试结果表明本系统能有效监测大棚内环境信息，数据准确、实时性高。

具有轻量、快速的特点，能够满足系统对环境数据信息的存储和管理。本系统中上位机采用定时器的方式读取串口数据，设定为每100ms调用一次定时器，通过定时器函数读取并处理串口数据的信息，使环境参数数据显示到想用的textbox空间当中[5]，用户使用界面如图7所示。

结束语

参考文献:

[1]姚杰鹏.基于农业物联网的温室小气候环境监测系统

本研究是基于ZigBee技术设计的温室大棚环境监测系统，能够充分利用ZigBee技术低功耗、低延时、低复杂度、高可靠性等优点，结合植物生长特征，成功实现对大棚内光照强度、土壤温湿度、CO2浓度等环境参数的控制。通过实验结果表明，该系统能够高效、准确地采集相关环境参数的信息，并将其传送到上位机，方便用户实时查看大棚内环境信息。根据采集的信息，CC2530芯片能够较好地控制灌溉系统和光照补偿系统，使植物能够处于合适的生长环境中。

的设计与节能研究[D].晋中:山西农业大学，2018:10-18.

[2]翁连娟.基于ZigBee技术的桑园环境监控系统[J].江苏农业科学，2019(3):198-202.

[3]张博航，崔巍.基于多数据融合的农业大棚环境监控研究[J].延安大学学报(自然科学版)，2020(3):37-40.

[4]张玮.现代智慧农业设施大棚环境监测系统设计[J].计算机测量与控制，2020(8):135-139.

[5]牛萍娟，程峥.基于多网融合和节点定位技术的无线温室智能监控系统的设计[J].江苏农业科学，2019(14):239-242.