基于ZigBee 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

【文章摘要】

智能溫室技術(shù)在推動農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展進程中起到了重要的作用，豐富著人們的日常生活。本文實現(xiàn)了基于ZigBee 技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STC 單片機作為主控芯片，下位機傳感器采集溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)， 通過無線傳輸ZigBee 模塊傳送到由LabVIEW 平臺設(shè)計的上位機，通過GSM 模塊進行遠程報警，調(diào)節(jié)模式分為手動和自動模式，使環(huán)境適合作物生長。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場測試，運行穩(wěn)定，具有一定的推廣性。

【關(guān)鍵詞】

LabVIEW ；ZigBee ；GSM ；監(jiān)控系統(tǒng)

科技的發(fā)展日新月異，帶給人們更多的生活體驗，逐漸豐富人們的生活，智能溫室的迅速發(fā)展帶給人們豐富多樣的食物， 打破了時間和空間的限制。智能生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境溫濕度參數(shù)對農(nóng)作物的生長起著至關(guān)重要的作用。對于現(xiàn)有的大多數(shù)智能溫室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，人工實地記錄方式難以保證數(shù)據(jù)的實時性和有效性；采用有線數(shù)據(jù)遠距離檢測方式容易受地理位置、物理線路和復雜環(huán)境因素的影響，系統(tǒng)可靠性降低，安裝維護難度大，具有明顯的局限性這兩種方法，不僅耗費大量的人力物力，效率低，而且容易產(chǎn)生較大誤差，準確性低，本系統(tǒng)設(shè)計正是基于這個原因，進行實現(xiàn)智能溫室環(huán)境系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，從智能控制方面實現(xiàn)溫室的高效率作業(yè)， 采用ZigBee 技術(shù)實現(xiàn)本次設(shè)計的下位機和上位機無線通信，有效減少了地理位置、物理線路和復雜環(huán)境因素的影響，提高了傳輸效率。采用LabVIEW 軟件設(shè)計人機交互界面，便于管理、運行穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

農(nóng)作物在成長過程中需要的環(huán)境因子很多，適宜的溫度、濕度、光照強度以及二氧化碳濃度是作物實現(xiàn)健康生長的關(guān)鍵。因此，結(jié)合農(nóng)作物的生長規(guī)律，對溫室的環(huán)境進行監(jiān)測和控制，實現(xiàn)檢測與調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。

本設(shè)計主要分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、上位機界面控制三大部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的采集處理、顯示和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。數(shù)據(jù)采集包括空氣和土壤的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給傳輸系統(tǒng)的ZigBee 終端節(jié)點。ZigBee 終端節(jié)點將收到的數(shù)據(jù)傳輸給ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳至PC 機，PC 上位機將采集的數(shù)值實時顯示，并和設(shè)定閾值進行比較，當超過設(shè)定上下限值時，在上位機上會有紅色指示燈直接顯示出來，上位機操作界面調(diào)節(jié)機構(gòu)包含自動調(diào)節(jié)和手動調(diào)節(jié)，自動模式下可以完成短信報警，并傳遞相應(yīng)改善溫室環(huán)境的措施指令至下位機進行調(diào)節(jié)，同時下位機蜂鳴器響起，表示調(diào)節(jié)機構(gòu)正在進行，管理員在電腦前工作時，可以設(shè)定為手動調(diào)節(jié)方式，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，點擊相應(yīng)調(diào)節(jié)措施按鈕，執(zhí)行相應(yīng)調(diào)節(jié)機構(gòu)。當管理員遠離電腦時，開啟自動調(diào)節(jié)模式，上位機自動向指定管理人員發(fā)送報警短信，并執(zhí)行相應(yīng)調(diào)節(jié)機構(gòu)。管理人員可以連接網(wǎng)絡(luò)，登錄到管理界面進行實時監(jiān)控，修改上下限值，調(diào)解處理等操作。總體設(shè)計框圖包含三個場景，分別是現(xiàn)場、機房、移動終端，現(xiàn)場與機房之間通過ZigBee 無線傳輸，機房和移動終端通過GSM 網(wǎng)絡(luò)進行通信。本設(shè)計總體框圖如下圖1 所示：

本文從硬件設(shè)計和上位機軟件控制兩個方面介紹系統(tǒng)的組成。用戶通過該系統(tǒng)較便捷地監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù)。

2 下位機設(shè)計

本系統(tǒng)下位機使用STC 單片機作為控制芯片，下位機主程序包括溫濕度采集模塊、光照強度采集模塊、二氧化碳采集模塊、LCD 顯示模塊、復位電路、蜂鳴器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將各模塊聯(lián)系起來， 共同完成數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和調(diào)節(jié)的功能。主流程圖如圖2 所示：

圖2 下位機主流程圖

STC 單片機P2 口包含P2.0 至P2.7， 引腳21 至28，外接LCD 顯示，其中引腳24、25、26 分別控制顯示器的數(shù)據(jù)命令控制、讀寫、使能功能。P3 口P3.0 至P3.7，外接串口、蜂鳴器、溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度等電路，是實現(xiàn)功能最多的部分。P0 口P0.0 至P0.7，連接排阻，外接LCD 顯示，控制顯示器顯示內(nèi)容部分。P1 口P1.0 至P1.7，引腳2 到8 外接七個LED 燈，分別代表不同的調(diào)節(jié)機制，引腳2 控制風機、引腳3 控制加熱、引腳4 控制加濕、引腳5 控制灌溉、引腳6 控制頂窗、引腳7 控制遮光、引腳8 控制補光的繼電器開關(guān)。系統(tǒng)選用DHT11 作為空氣中溫濕度數(shù)采集模塊，輸出端與單片機P3.5 引腳相連，土壤環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)通過DHT11 的數(shù)據(jù)口與單片機P3.7 引腳相連接，將數(shù)字信號送入單片機進行處理。

3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)組建與串口控制

ZigBee 是IEEE 802.15.4 協(xié)議的代名詞。ZigBee 協(xié)議棧是指網(wǎng)絡(luò)中各層協(xié)議的總和，其形象的反映了一個網(wǎng)絡(luò)中文件傳輸?shù)倪^程：由上層協(xié)議到底層協(xié)議，再由底層協(xié)議到上層協(xié)議。本設(shè)計采用的CC2530 是CC2530F256，具有256KB 的閃存。CC2530F256 結(jié)合了ZigBee 協(xié)議棧， 提供了一個很好的ZigBee 開發(fā)平臺。本系統(tǒng)設(shè)計使用ZigBee 技術(shù)作為無線傳輸部分，用兩個CC2530 模塊實現(xiàn)點對點通信，一個為協(xié)調(diào)器，與上位機相連，另外一個為終端設(shè)備，與下位機相連。ZigBee 協(xié)調(diào)器是啟動和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，在使用過程中，先打開協(xié)調(diào)器，再打開終端設(shè)備。