基于ZigBee樹狀網的農作物大棚溫濕光強度監控系統設計

于耀淞程宇一

（海軍工程大學電子工程學院武漢430033）

基于ZigBee樹狀網的農作物大棚溫濕光強度監控系統設計

于耀淞程宇一

（海軍工程大學電子工程學院武漢430033）

自ZigBee技術提出以來，其構成的無線傳感網絡在智能家居、工業、醫療等領域應用得到了廣泛應用。論文設計了基于ZigBee樹狀網的農作物大棚溫濕光強度監控系統，提出了滿足大棚農作物環境監測的系統的架構，并對相關參數采集硬件電路和軟件流程進行設計。在IAR開發環境下，以CC2530芯片為核心構建了一個由若干終端節點、若干路由節點和一個協調節點組成的樹形溫濕光強度參數采集網絡。各終端器利用數字式溫濕度傳感器DHT11采集溫度、濕度數據和光強度傳感器TSL2561采集光強度數據，通過直接發送或路由器轉發形式將采集到的環境參數匯集到協調器。通過實驗驗證了設計的有效性和推廣應用價值。

ZigBee；CC2530；樹形；DHT11；TSL2561

Class NumberTP393

1 引言

隨著現代農業科技含量的不斷提高，大棚農作物生長環境可控可調，更利于實現智能化控制。但現有大棚的環境參數采集測量大多是通過有線方式傳輸到控制端或者人工實地記錄實現的。由于集中布線受地形和復雜環境因素的影響，難度大、不易維護、導致投入成本較高。同時人工實地記錄方式浪費更多的人力、物力，數據的實時性也不強。這就催生了探索新的科技成果應用于大棚農業生產，ZigBee無線通信技術具有的功耗低、成本低、時延短、網絡容量大、安全可靠等特點［1］使其越來越多地應用于大棚農業生產。通過控制芯片和各種測量環境參數傳感器的結合，可以解決傳統參數采集方式的弊端，正逐步實現廣泛應用。

本文設計的大棚農業環境監測系統，使用CC2530單片機［2］和溫濕度傳感器和光強傳感器組成參數采集節點，采用單片集成的ZigBee無線射頻技術進行傳感器采集參數的傳輸，上位機開發則采用Visual Basic.NET和Access數據庫系統，將各節點所采集到的環境參數信息實時顯示到系統界面，從而達到對作物生長環境有效監測的目的。

2 系統總體設計

大棚農作物生長環境測量系統由環境參數采集傳感器、ZigBee無線網絡和檢測控制中心組成，整個系統的框架結構［3］如圖1所示。

網絡每一個終端是結合溫濕度傳感器、光強傳感器和數據處理芯片組成的測量農作物環境參數的設備，具備網絡路由和協調器功能的設備與終端設備之間通過ZigBee無線網絡實現測量數據的傳輸，最后由協調器設備通過串口傳輸線將采集到的不同節點的數據傳輸到監控中心，數據統一保存在Access數據庫中，方便管理者實時查看大棚作物生長環境的變化情況，及時在環境狀況改變的情況下制定相應措施，利于農作物的生長。

3 系統硬件設計

無線通信網絡部分采用了TI公司的CC2530芯片，整合了業界領先的2.4GHz IEEE 802.15.4/ ZigBee RF收發機、增強型8051內核、系統可編程Flash存儲器和RAM等功能。設計的環境溫濕采集在室外無障礙最高傳輸距離可達300m左右。芯片外圍硬件電路如圖2所示。

本文測量溫濕度和光強的傳感器分別選擇了SHT11溫濕度傳感器［4］和光強度傳感器TSL2561［5］。SHT11是新型智能溫濕度傳感器，集成了濕溫度傳感器、信號放大調理電路、A/D轉換電路，通過II線串行接口與控制芯片進行數據傳輸與控制，融合了CMOS芯片技術與傳感器技術［6］。SHT11傳感器默認的測量溫度和相對濕度的分辨率一般分別為14位、12位，通過狀態寄存器可以調整分辨率。相關指標如表1所示。

表1 SHT11指標參數

TSL2561是一款高速、低功耗、量程寬，可編程靈活配置的光強數字芯片。其光強度測量范圍為1-70000Lx?？赏ㄟ^軟件設置相應光強度閾值，當實際光強度超出或低于設定的光強度值時，會給出相應中斷信號。

本樹狀網絡大棚環境溫濕度、光強度采集流程為：所有設備都上電，網絡協調器會選擇合適的信道、合適的網絡號，自主建立ZigBee無線網絡［7］；網絡路由器通過搜索網絡協調器建立的網絡。同時啟動路由功能并加入加入網絡，網絡終端節點申請加入網絡并將SHT11采集到的大棚環境溫濕參數和光強度參數直接或通過網絡路由器轉發給網絡協調器終端。最后由協調器設備通過串口傳輸線將采集到的不同節點的數據傳輸到監控中心，以便更容易地進行溫、濕和光強參數數據分析和數據存儲［8］。

4 系統軟件設計

軟件設計主要分為網絡終端設備軟件設計、網絡路由軟件設計和網絡協調器軟件設計三部分組成［9］。網絡終端設備主要負責大棚溫、濕和光照參數的采集和無線發送，網絡路由器扮演路由轉發功能，主要將測得的三個參數轉發給網絡協調器。而網絡協調器則負責大棚環境參數匯集傳輸到PC機上。從而進行實驗所測三個參數的分析與評估。網絡協調器、網絡路由器和網絡終端對應的軟件流程圖分別如圖3～圖5所示。

5 實驗及數據分析

搭建好硬件平臺后，需要對本系統進行相關性能測試。如不同通信距離下數據接收能力即丟包率測試。在滿足系統要求情況下應用于實際大棚環境試驗。單個大棚溫、濕和光參數采集節點通信穩定性測試數據如表2所示。

表2 通信穩定性測試數據

通過以上通信穩定測試數據可以得出，隨著通信距離增加，系統丟包率逐漸增大，但在200m范圍內，其丟包率都滿足系統要求。因此，可以將本系統投入到大棚作物生產環境監控中。在這之前還需要進行大棚環境模擬測試，確定終端參數采集設備對采集到的溫度、濕度和光強度參數精確度。確保環境測量設備的準確度。

設置網絡終端每隔30s采集一次環境溫、濕和光強度數據并通過網絡路由器轉發給網絡協調器，網絡協調器再通過串口總線將數據傳送到PC機上。在實驗過程中記錄了40組數據。溫度、濕度和光強數據曲線分別如圖6所示。通過數據曲線可以看出，參數采集設備的穩定性較好，溫度波動范圍僅0.3℃內，濕度波動范圍在在0.2%RH內，光強度波動范圍在15Lx內，整體誤差較小。

6 結語

本文主要設計并制作了大棚農業環境監測系統，給出了系統的總體設計架構，分析說明了溫濕傳感器、光強度傳感器和ZigBee無線網絡技術相關參數及優缺點，并在此基礎上設計了測量大棚內溫度、濕度和光強度系統的硬件結構和網絡參數采集終端軟件、路由器軟件和協調器軟件的流程。并進行相關實驗對系統的穩定性做了相關測試，結果表明本系統設計穩定性高，溫濕度和光強度采集精度高，并且整個系統功耗也比較低。滿足在大棚蔬菜環境監測網等環境中應用，從而實現環境溫濕度智能化監控。

［1］史德林.基于ZigBee的溫室大棚自動控制系統設計［J］.學術探討，2014，20（7）：225.

［2］章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點［J］.計算機系統應用，2011，20（7）：184-187.

［3］余貴水，趙奎，朱倪瑤，左雷.基于Zigbee技術的大氣溫濕數據采集系統設計與實現［J］.艦船電子工程，2015，35（5）：89-93.

［4］張富春，邵婷婷，楊延寧.一種基于DHT11的家用自動澆花電路的設計［J］.電子測試，2014，16：34-36.

［5］楊明慧，楊鵬，史旺旺.基于TSL2561的無線光強傳感器節點設計［J］.單片機于嵌入式系統應用，2010，6：38-40.

［6］徐振福.ZigBee技術在智能家居系統中的應用研究［D］.北京：中國科學院大學，2014.

［7］史德林.基于ZigBee的溫室大棚自動控制系統設計［J］.學術探討，2014，20（7）：220.

［8］夏飛.基于Z-Stack協議的無線傳感器網絡節點研究［J］.電子元器件應用，2009，11（12）：74-76.

［9］余貴水，趙奎，朱倪瑤，左雷.基于Zigbee技術的大氣溫濕數據采集系統設計與實現［J］.艦船電子工程，2015，35（5）：85-91.

［10］Yan Dongmei，Dan Zhiguang.ZigBee-based Smart Home system design［J］.IEEE Computer Society，2010（8）：39-44.

［11］EdCallawayLowPowerConsuptionFeaturesof IEEE802.15.4/ZigBee LR-WPAN Standard presented in SenSy［J］.www.ZigBee.org.2010（8）：66-74.

［12］Yan Dongmei，Dan Zhiguang.ZigBee-based Smart Home system design［J］.IEEE Computer Society，2010（8）：40-44.

Design of Crop Canopy Temperature，Humidity and Light Intensity Data Monitoring System Based on ZigBee Tree Network

YU YaosongCHENG Yuyi
（School of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan430033）

Since the ZigBee technology is proposed.The application of ZigBee wireless sensor network is widely used in the fields of intelligent home，industry，medical health and others implies.This paper designs the crop canopy temperature，humidity and light intensity data monitoring system based on ZigBee tree network，and proposes the system architecture which can monitor the crop canopy environment，and designs the related parameters acquisition hardware circuit and software process.A kind of a tree wireless network includes several end nodes，router nodes and a coordinator node is built using the SOC chip CC2530.Each terminal can acquisite temperature，humidity and light intensity data by using digital DHT11 sensor and TSL2561，then converge the data directly or transmit the data indirectly through router nodes to the coordinator through network.At last the effectiveness of the design and application value is tested through the experiment.

ZigBee，CC2530，tree form，DHT11，TSL2561

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.032

2017年1月5日，

2017年2月26日

于耀淞，男，碩士研究生，研究方向：信號與信息處理。程宇一，男，碩士研究生，研究方向：信號與信息處理。