基于Zigbee的智能大棚控制系統的研究

楊穎紅,汪力純,毛增闖

（1、南京工程學院自動化學院；2、南京工程學院通信工程學院，南京，211167）

基于Zigbee的智能大棚控制系統的研究

楊穎紅1,汪力純2,毛增闖1

（1、南京工程學院自動化學院；2、南京工程學院通信工程學院，南京，211167）

本文設計了一種農業大棚智能控制系統，通過分布于大棚內部的各個傳感器節點采集大棚內的各項環境數據。采集到的數據可以通過液晶觸摸屏實時顯示，也可以利用Zigbee和GPRS無線通信技術，將采集到的數據發送給遠程客戶端。遠程客戶端在分析數據以后，給節點發送控制指令，驅動各動力設備，從而調節大棚內的環境因素，以實現大棚的自動化控制。

智能大棚；Zigbee；GPRS

0 引言

我國是一個農業大國，隨著科技的發展，將傳統農業和電子技術結合，就逐步形成基于物聯網的現代農業。農業智能大棚控制系統是一種高效的農業生產技術，它將數字傳感器技術、無線通信技術、計算機技術與農業技術結合起來，實現對溫室大棚的智能控制，為農作物的生長提供合適的溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環境氣候條件，使農作物可以擺脫自然氣候條件的限制，實現農作物的高效、反季節產出。

本文設計了一種基于Zigbee無線網絡的農業智能大棚控制系統。通過安裝在大棚內的各個傳感器節點，本系統能夠實時采集大棚內的溫度、濕度、CO2濃度、光照強度、土壤濕度等環境數據信息。通過Zigbee無線網絡實現本地各個模塊之間的通信，通過GPRS無線網絡實現系統的遠程通信，將采集到的數據發送到遠程客戶端和服務器，并接收來自于服務器的控制指令，實現對本地動力驅動設備的控制，從而可以調節大棚內的環境，使其更適應于農作物的生長。

1 系統總體設計

本文中設計的智能大棚控制系統的總體框架由信息感知層、網絡傳輸層、智能處理層3層構成，圖1是系統的總體設計框圖。

圖1 系統總體設計框圖

信息感知層分布于大棚內部，是物聯網的皮膚和五官，用于識別物體以及采集信息。信息感知層由一系列傳感器組成，包括有空氣溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2濃度傳感器以及多功能無線數據檢測儀等。利用這些傳感器完成數據的采集，然后把采集到的數據用Zigbee無線傳輸網絡發送到網絡傳輸層進行匯集。

在網絡通信層，把各個傳感器采集的數據通過內置的GPRS模塊發送到Internet上，以便實時監測，另外還可以通過應用層的控制數據流再次返回控制相關設備的運轉，從而達到相互制約和協調。

在智能處理層，可以通過智能手機實現大棚內數據檢測、自動控制等；同時也可以通過電腦和終端一體機連接到互聯網，實現數據共享；我們的目標就是不局限于在某一臺或某一個地方才能實現對大棚進行數據監測與控制，而是隨時隨地，手機客戶端就能滿足這個要求。

2 硬件設計

從控制的方式上來看,系統分為人機界本地控制和遠程控制。本地控制通過接入觸摸屏,由觸摸屏上的人機交互界面實現，本地各個模塊之間的通信選擇比較成熟的物聯網技術即ZigBee實現。遠程控制可以通過架設服務器,遠程網絡登錄網頁,來控制系統接入的外設,也可以通過GPRS模塊,由移動終端通過網絡客戶端的方式來控制。

2.1 信息感知層設計

在整個控制系統中，處于最底層的就是信息感知層，其主要功能是采用布置在大棚內的眾多傳感器節點所組建的Zigbee無線傳感器網絡來完成對大棚內部環境信息的采集和監測，同時還要將數據進行存儲和分析，并完成與無線通信模塊之間接口的對接，能夠根據通信模塊發送過來的查詢指令返回正確的數據信息。此外，通過分析無線通信模塊發送過來的控制指令，信息感知層還要完成對所采集的環境因素進行調節的功能，主要是對一些動力驅動設備，包括通風扇、燈光、加濕器、灌溉設施、遮陽裝置等的控制。

信息感知層是由單片機核心板加上各種外設模塊組成。單片機作為核心的處理芯片,通過其內部的豐富的GPIO口,連接外圍設備外圍器件通過輸入信號或輸出信號與實際的控制物品相連。本設計選擇的單片機芯片要滿足以下幾點：足夠大小的Flash和RAM、方便接入觸摸屏、方便擴展網絡功能、豐富的外設接口、性價比高，節約成本。所以綜上所述，本設計采用STM32F103ZET6型號的單片機作為系統的核心處理芯片是最適合不過的了。

對于傳感器部分，本設計需要有溫度傳感器，濕度傳感器，光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2濃度傳感器等傳感器模塊。在選擇時選擇實用，且性價比較高的模塊。

對于溫度傳感器，室溫的檢測我們選用DS18B20，可測溫度為-40℃到120℃。滿足日常生活測溫需要，且該溫度傳感器為數字式單總線傳輸方式，占用核心控制芯片一個IO口，節省核心控制芯片的接口。DS18B20的單總線上拉4.7K電阻，電源與地之間加104電容去噪穩壓。

濕度傳感器，采用應用比較廣泛的HS1101濕度傳感器，基于555穩態電路的硬件設計下可以輸出相應頻率的波形，方便程序對濕度數據的提煉。對于硬件也方便設計者進行硬件上的檢測。

圖2 信息感知層硬件框圖

土壤濕度傳感器采用YL-69,這是一個簡易的水分傳感器可用于檢測土壤的水分，表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應面積，可以提高導電性能，防止接觸土壤容易生銹的問題，延長使用壽命。采用三線制，接線簡單，只要把VCC接電源，GND接地，D0接到單片機即可?？梢酝ㄟ^電位器調節控制相應閾值，濕度低于設定值時，D0輸出高電平；高于設定值時，D0輸出低電平。當土壤缺水時，傳感器輸出的模擬值將減小，反之將增大。傳感器表面做了金屬化處理，可以延長它的使用壽命。將它插入土壤，然后使用AD轉換器讀取其采集的數據。

光照強度傳感器采用數字光強度檢測模塊GY-30，GY-30采用ROHM原裝BH1750FVI芯片供電電源3-5v光照度范圍：0-65535 lx傳感器內置16bitAD轉換器直接數字輸出

CO2濃度傳感器采用MG811型CO2氣體傳感器，它對CO2有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響較小，良好的穩定性和再現性。經常用于空氣質量控制系統、發酵過程控制、 溫室CO2濃度檢測等應用場合。

信息感知層模塊還需要完成對動力驅動設備的控制，主要包括通風扇、燈光、加濕器、灌溉設施、遮陽裝置等的控制。通過解析客戶端發送過來的控制命令，完成對各個動力驅動模塊的控制。

2.2 網絡通信層設計

除了通過各個傳感器來檢測信號以外，還需要為各個節點設計合適的通信方式。本地通信可以實現各個節點與核心控制模塊的信息的交流以及控制，采用Zigbee無線通信的方式來實現。要求低功耗，高穩定性的無線數據傳輸特點，所以本設計選著使用CC1101芯片作為本地通信的核心芯片。CC1100 是一種低成本真正單片的UHF 收發器，為低功耗無線應用而設計。電路主要設定為在315、433、868 和915MHz 的ISM（工業，科學和醫學）和SRD（短距離設備）頻率波段，也可以容易地設置為 300-348 MHz、400-464 MHz 和800-928 MHz 的其他頻率。

遠程通信部分可以采用基于GPRS的無線遠程數據收發以及控制。然而國內GPRS模塊做的比較出色，且有較多應用經驗的也就只有華為公司的GPRS模塊性價比相對較高。所以在進行一定的比對后我們在GTM900和EM310二選一。在性能上EM310作為GTM900的升級版相對較好，所以我們采用了EM310作為本設計的遠程通信的硬件設計基礎。

圖3 軟件流程圖

2.3 智能處理層設計

本系統可采用手機、PC 機等終端作為主要客戶端，主要通過 web 訪問的方式來完成對系統中的數據訪問及獲取。當用戶首次訪問系統時，首先需要注冊用戶，用戶可以通過手機或者電腦的客戶端發起注冊請求，當服務器收到注冊請求之后，會對其用戶名、密碼等基本信息進行處理，并且返回注冊的結果；若該用戶注冊成功，則系統中的服務器會為用戶生成唯一的 Id，并將該用戶的相關信息登記到該服務器的數據庫中，若不成功返回用戶注冊失敗信息。當用戶注冊成功之后，即可使用該用戶名和密碼來訪問系統。在系統中，用戶可以對大棚內的各個環境數據進行訪問和查詢。

3 系統軟件設計

軟件的設計思路是先由主控制臺即上位機發出信號給核心芯片，核心板通過AT指令來解析這段程序，然后將解析完的指令發給各個節點模塊，可能是光照強度模塊，也可能是濕度傳感器模塊，接著各個模塊返回指令給核心板，核心板再次解析數據，最后發給上位機。軟件流程圖如下圖3所示。

4 結論

本文所設計的基于Zigbee無線網絡的農業智能大棚控制系統可以實現對溫度、濕度、CO2濃度、光照強度、土壤濕度等信息的檢測與控制，該系統具有數據傳輸可靠性高，通過Zigbee組網方式簡單靈活等特點。

本系統能夠實時采集大棚內的各項環境數據，并將數據信息通過無線通信的方式及時傳輸給用戶，用戶通過手機或者PC機的客戶端可以及時了解大棚內的環境情況，并根據需要加以控制，從而避免了人為的一些疏忽所造成的損失。該系統不追求復雜的功能和絢麗的外觀,主要著眼于簡單實用、使用方便、價格低廉等特性，具有一定的實際應用價值。

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楊穎紅：女，1978年2月出生，講師，碩士，主要研究方向：嵌入式系統及應用，電話：13512546487

汪力純：男，1975年11月出生，講師，碩士，主要研究方向：嵌入式系統及應用，電話：13372021002

毛增闖：男，1989年12月出生，本科，主要研究方向：嵌入式系統及應用

走到我們的中間來，為我們吃上這香甜的小灶，為我們青年教師的人生和今后副教授職稱的評審打下了堅實的基礎，為我們樹立的光輝偉大的科研榜樣，榜樣的力量是無窮的，科研的理想也是會慢慢實現的，經過一代又一代炎黃子孫的奮進，我們的夢想一定能夠實現，科技強國，知識經濟的時代已經到來了，我們的人體通過透明體子的虛擬學研究，會對更多的疾病帶來福音，會給我們的人類健康史一份滿意的答卷。會上我們是幸福和諧的一家人，會議技術我們會更加融合在導師的左右，做我們傾盡所能研究這些項目的子項目。

作者簡介

聶丹（1980-）女，工程碩士，研究方向：虛擬技術、計算機技術、透明體高分子、教育社會學

劉波（1979-）男，工程碩士，研究方向：高校德育教育、虛擬技術、計算機技術、透明體高分子、教育社會學、

Research on the control system of intelligent greenhouse based on Zigbee

Yang Yinghong1,Wang Lichun2,Mao Zengchuang1
(School of automation, Nanjing Institute of Technology1,nanjing,211167)

In this paper,we design a kind of control system of agricultural greenhouse intelligent.In this system,we can collect the environmental data by various sensors distributed in the greenhouse.The collected data can be real time displayed in touch screen and also be sent to the remote client by Zigbee and GPRS wireless communication technology.After analyzing data,the remote client can send control commands to nodes and then drive power equipment.After that,we can regulate the environmental factors in the greenhouse, and then we can realize automatic control of greenhouse.

Intelligent Greenhouse;Zigbee;GPRS

項目來源：江蘇省大學生科技創新項目，項目號：201311276020z