呂文艷，李金瑩，楊宏業(yè)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

基于ZigBee的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

呂文艷，李金瑩，楊宏業(yè)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

通過分析集約化農(nóng)業(yè)大棚的需求，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出一種基于ZigBee技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，整體設(shè)計(jì)以STC89C54單片機(jī)為核心，利用SHT11數(shù)字溫濕度傳感器、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、CC2430射頻芯片及LCD1602液晶屏，對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)溫濕度進(jìn)行采集、顯示及傳輸。通過實(shí)驗(yàn)證明，該無線化的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，具有一定實(shí)用價(jià)值。

集約化；設(shè)施農(nóng)業(yè)；ZigBee；溫濕度；實(shí)用性

內(nèi)蒙古自治區(qū)地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水量較少，以小麥，馬鈴薯，莜麥等溫帶植物為主要農(nóng)作物?；谧灾螀^(qū)的氣候特點(diǎn)，蔬菜的種植和成熟只能實(shí)現(xiàn)一年一收，難以滿足市場的需求，只能靠從省外購置，從而蔬菜的成本大大提高。

實(shí)現(xiàn)蔬菜種植的大棚化是解決問題的主要方法，然而由于大棚種植對局部環(huán)境的溫度、濕度等要素的控制至關(guān)重要，目前的管理方式消耗了大量的人力且管理成本高、種植面積小，無法成片大規(guī)模生產(chǎn)是制約生產(chǎn)集約化的主要因素。因而實(shí)現(xiàn)大棚種植的智能化是解決此問題的重要手段。

該系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況利用ZigBee組網(wǎng)簡單、功耗小、傳輸成本低等特點(diǎn)設(shè)計(jì)了設(shè)施農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。希望此系統(tǒng)能夠切實(shí)可行地解決目前蔬菜大棚種植的瓶頸問題。

1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。ZigBee含有3種類型節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。終端設(shè)備與監(jiān)控對象相連，實(shí)現(xiàn)具體功能。路由器實(shí)現(xiàn)路由、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)等[3]。

ZigBee技術(shù)具有自組織網(wǎng)功能，在彼此網(wǎng)絡(luò)模塊通信范圍內(nèi)，通過自動尋找能夠很快形成一個互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端物理位置發(fā)生變動，彼此間的聯(lián)絡(luò)會發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)模塊會在通信范圍內(nèi)重新尋找通信對象，確定一個新的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)終端由數(shù)字溫濕度采集器SHT11、數(shù)字溫度采集器DS18B20檢測得到大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。通過ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心顯示、存儲每個時(shí)刻點(diǎn)對應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)，并繪制直觀的時(shí)間-溫濕度曲線圖。大棚戶可使用手機(jī)或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)獲取大棚溫濕度數(shù)據(jù)。如果大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)超出設(shè)定的閾值，監(jiān)控中心通過GSM網(wǎng)絡(luò)向戶主手機(jī)發(fā)送警報(bào)，并且通過ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)向?qū)?yīng)大棚內(nèi)的終端傳輸指令，終端單片機(jī)執(zhí)行該指令所對應(yīng)的程序來啟動繼電器，以此調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫濕度。監(jiān)控中心還可通過GSM網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)向大棚戶主發(fā)送關(guān)于農(nóng)業(yè)大棚養(yǎng)殖管理、病蟲害預(yù)防、天氣預(yù)報(bào)以及市場行情等信息，為戶主提供人性化便捷服務(wù)。

傳統(tǒng)大棚溫濕度數(shù)據(jù)采集方案中，每個大棚終端須內(nèi)置SIM卡，終端每次向監(jiān)控中心上傳溫濕度數(shù)據(jù)都需要通過GSM網(wǎng)絡(luò)。由于上傳次數(shù)繁多，導(dǎo)致大棚戶主需要承擔(dān)高額的通信費(fèi)用。該系統(tǒng)中大棚各個節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)與監(jiān)控中心采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信，無需任何通信運(yùn)行費(fèi)用，成本低，致使該系統(tǒng)更適合集約化管理，能夠提高成片農(nóng)業(yè)大棚種植的生產(chǎn)效率。

圖1 系統(tǒng)功能示意圖Fig. 1 Diagram of system function

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度采集終端

本系統(tǒng)的溫濕度采集終端主要組成是：單片機(jī)、ZigBee無線傳輸模塊、溫濕度傳感器模塊、顯示模塊、繼電器控制模塊、電源模塊六個部分，各模塊關(guān)系如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端硬件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure diagram of data collection terminal hardware

1)單片機(jī)：其I/O口對農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳送到ZigBee無線傳輸模塊；接受監(jiān)控中心的控制命令對卷簾控制模塊、排風(fēng)扇控制模塊進(jìn)行控制。

2)ZigBee無線傳輸模塊：單片機(jī)通過串口將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳送給ZigBee無線傳輸模塊，ZigBee無線傳輸模塊通過無線傳輸功能將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心。

3)溫濕度傳感器：本系統(tǒng)中采用SHT11數(shù)字溫濕度傳感器以及DS18B20數(shù)字溫度傳感器完成溫室大棚的溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集。

4)顯示模塊：實(shí)時(shí)顯示已采集到的農(nóng)業(yè)大棚文書度數(shù)據(jù)，并在LCD屏上顯示，方便大棚管理人員讀取溫濕度數(shù)據(jù)。

5)繼電器控制模塊：當(dāng)農(nóng)業(yè)大棚溫濕度超過閾值時(shí)，單片機(jī)通過指令啟動電機(jī)，如打開排風(fēng)扇通風(fēng)降溫、打開水閥放水澆灌農(nóng)作物等動作，對溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

6)電源模塊：分為兩種：5 V和3.3 V。3.3 V電壓是專為ZigBee無線傳輸模塊通信供電，5 V電壓為其他器件供電。

3.2 溫濕度傳感器的選擇

該系統(tǒng)中選擇SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器與DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。由于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大棚面積較為廣大，大棚中各點(diǎn)溫度相差比較大，而濕度變化不明顯。因此該系統(tǒng)中采用一點(diǎn)測濕度，多點(diǎn)測溫度的方式，也即采用SHT11置中，DS18B20串行分散的方式來采集溫濕度數(shù)據(jù)。

圖3 大棚溫濕度數(shù)據(jù)采集方位圖Fig. 3 Diagram of location about temperature and humidity data in greenhouse

SHT11是一款基于CMOSENSTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮其強(qiáng)大的優(yōu)勢互補(bǔ)作用。SHT11溫濕度檢測運(yùn)用電容式結(jié)構(gòu)，采用具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容溫濕敏器件的緣由特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成一個單一的個體，因而測量精度較高而且具有精確的出露點(diǎn)，同時(shí)不會產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變的引起的誤差。

DS18B20數(shù)字式溫度傳感器接線方便，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。采用DS18B20可以用于測試農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)多點(diǎn)溫度。傳統(tǒng)大棚溫度數(shù)據(jù)采集方案采用并行方式，如N個溫度采集器需要與N個I/O口連接，導(dǎo)致布線復(fù)雜，I/O口浪費(fèi)。而本系統(tǒng)中DS18B20利用單總線串行方式，即每個DS18B20含一個獨(dú)特序列號，多個DS18B20可以同時(shí)存在于一條總線上，只需與單片機(jī)一個I/O口連接，便可循環(huán)上傳DS18B20的序列號和對應(yīng)的溫度值。極大程度降低了布線復(fù)雜度以及提高了I/O口利用率。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)框架

軟件部分的程序分4個部分。第一部分：數(shù)據(jù)采集子程序；第二部分：顯示已采集的溫濕度數(shù)據(jù)；第三部分：使用ZigBee無線傳輸模塊向監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)；第四部分：單片機(jī)通過ZigBee無線傳輸模塊接收監(jiān)控中心指令并執(zhí)行。

程序采用中斷方式，主程序不斷的執(zhí)行采集數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)語句。由于大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的連續(xù)性和慣性較大，無需時(shí)刻上傳，可根據(jù)每個農(nóng)業(yè)大棚實(shí)際情況設(shè)置固定間隔上傳溫濕度數(shù)據(jù)，如3 min或5 min等。所以采用定時(shí)器中斷的方式來對數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。對于數(shù)據(jù)的接收采用串口中斷的方式進(jìn)行接收。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖Fig. 4 Flow chart the software

圖5 主程序框圖Fig. 5 Main block diagram

4.2 終端軟件部分

主程序主要完成傳感器、顯示器、端口設(shè)置等初始化，中斷設(shè)置、定時(shí)器設(shè)置。在循環(huán)中不斷完成采集數(shù)據(jù)子程序、顯示子程序，在沒有中斷進(jìn)入時(shí)，一直執(zhí)行采集、顯示程序。

圖6 發(fā)送數(shù)據(jù)中斷子程序Fig. 6 Transmitting data interrupt subroutine

5 結(jié)束語

文中基于ZigBee[7]無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器片及DS18B20數(shù)字式溫度傳感器來設(shè)計(jì)該設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。以溫濕度數(shù)據(jù)采集終端具有低成本、低功耗為目標(biāo)。對比傳統(tǒng)大棚溫濕度采集方案，該系統(tǒng)具有采集終端組網(wǎng)快、組網(wǎng)簡單、布線簡潔、費(fèi)用低、網(wǎng)絡(luò)易擴(kuò)張等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定連續(xù)工作，非常適用于現(xiàn)在化設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)的監(jiān)控，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定價(jià)值。

圖7 接收控制中斷子程序Fig. 7 Receiving control interrupt subroutine

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ZigBee-based monitoring system of agricultural facilities

LV Wen-yan, LI Jin-ying, YANG Hong-ye
（Inner Mongolia University of Technology,Hohhot010000,China）

By analyzing the needs of intensive agriculture greenhouses, combined with wireless sensor network technology, it is proposed based on ZigBee technology in agricultural facility monitoring system. The design uses a wireless standard developed based on the IEEE802.15.4 ZigBee wireless network, the overall design as STC89C54 microcontroller as the core, and SHT11 digital temperature and humidity sensor, DS18B20 digital temperature sensor, CC2430 RF chip and LCD1602 , temperature and humidity in the greenhouse agriculture for the collection,transmission and display. The experimental results show that the wireless monitoring system of agricultural facilities,stable operation, has a certain practical value.

intensification; agricultural facilities; ZigBee; temperature and humidity; practicality

TN92

A

1674-6236(2014)07-0019-03

2013-06-28稿件編號201306202

呂文艷(1990—)，女，內(nèi)蒙古二連浩特人，碩士研究生。研究方向：智能控制，智能交通，電子技術(shù)。