余 歡，王運圣，徐識溥，劉 勇，黃攀攀

（1上海應用技術學院電氣學院，上海201418；2上海市農業(yè)科學院數字農業(yè)工程與技術研究中心，上海201403；3上海市農業(yè)科學院農業(yè)科技信息所，上海201403；4上海海洋大學，上海201313）

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基于ZigBee技術的葡萄溫室環(huán)境數據采集系統(tǒng)研究

余 歡1，2，王運圣2，3*，徐識溥2，3，劉 勇2，3，黃攀攀2，4

（1上海應用技術學院電氣學院，上海201418；2上海市農業(yè)科學院數字農業(yè)工程與技術研究中心，上海201403；3上海市農業(yè)科學院農業(yè)科技信息所，上海201403；4上海海洋大學，上海201313）

摘 要：為解決現有溫室有線監(jiān)控設施不便于現場布線和設備維護的問題，以上海市農業(yè)科學院莊行綜合試驗站的葡萄溫室為實驗基地，采用TI公司的CC2530芯片，開發(fā)了基于ZigBee技術的葡萄溫室環(huán)境數據采集系統(tǒng)，實現了對葡萄溫室光照強度、空氣溫濕度等環(huán)境信息的實時采集。試驗結果表明，系統(tǒng)具有易安裝、易拆卸、開發(fā)成本低、工作穩(wěn)定等特點，可廣泛應用于遠程環(huán)境監(jiān)測領域。

關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；溫室；數據采集；ZigBee；葡萄栽培

在現代農業(yè)中，溫室可以給作物提供一個全年都能正常生長的環(huán)境，避免作物受到惡劣氣候的影響，還能有效控制農藥和肥料的使用量，降低對環(huán)境的污染［1］；因此，如何監(jiān)測和控制溫室的空氣溫濕度、光照強度等各項環(huán)境參數，對于提升農業(yè)生產效率和維持低碳環(huán)保的生產方式具有非常重要意義。

目前，很多葡萄溫室全靠人工管理，這需要消耗大量的時間和勞動力。有一部分雖然采用了溫室監(jiān)控系統(tǒng)，但是，這些傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用有線的監(jiān)控設施，存在布線安裝和移動拆卸困難、維護成本高、功耗大等缺點［2］。

隨著無線通信，嵌入式技術和微電機技術的快速發(fā)展，以及農業(yè)設施化，精準化需求的增加，溫室監(jiān)控系統(tǒng)成為了當前研究的一個熱點。ZigBee技術是近幾年興起的一種無線通信技術，具有低功耗、低速率、高容量、安全、短延時等特點，因此廣泛應用于物聯(lián)網的各個產業(yè)中，例如：智能家居、數字醫(yī)療、智能電網等領域。利用ZigBee技術可以快速搭建低功耗、低成本的無線傳感器網絡，為溫室監(jiān)控提供了有力支持［3-7］。

在這一背景下，本研究設計了一種基于ZigBee技術的葡萄溫室環(huán)境數據采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了ZigBee的優(yōu)點，達到了現代溫室監(jiān)控低成本、低功耗、高精度的要求。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)由數據采集、數據傳輸和數據處理三個模塊組成。系統(tǒng)總體結構如圖1所示，數據采集模塊由傳感器、終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點四個部分組成。ZigBee終端節(jié)點上接有各種傳感器（空氣溫濕度傳感器、光照傳感器），用于采集葡萄溫室里的環(huán)境數據，終端節(jié)點采集到的這些數據將直接發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點或者通過路由器節(jié)點轉發(fā)給協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器將接收到的數據進行優(yōu)化融合后通過GPRS發(fā)送到PC端的監(jiān)控中心，用戶通過賬號和密碼登錄監(jiān)測系統(tǒng)就可以查看到溫室的環(huán)境信息。

圖1　系統(tǒng)總體架構Fig．1 Overall framework of system

2 系統(tǒng)硬件設計

2．1 主控芯片CC2530

CC2530是德州儀器（TI）公司推出的第二代用于ZigBee、IEEE 802" 15" 4和RF4CE的片上系統(tǒng)。CC2530集成了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器和增強型的8051CPU，具有5種不同的運行模式（Active、Idle、PM1、PM2、PM3），使其適應于低功耗要求的系統(tǒng)［8］。

2．2 傳感器選型

（1）空氣溫濕度傳感器。本系統(tǒng)溫濕度傳感器選用的是數字型插針式DHT11溫濕度傳感器。DHT11是一款具有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。具有體積小、響應快、抗干擾能力強、功耗低等優(yōu)點。DHT11［9］引腳接線圖如圖2所示，產品為四針單排引腳封裝，采用單線雙向制串行接口，用于與微處理器之間的通信和同步。DHT11引腳1接電源正極，供電電壓為3" 0—5" 5 V，引腳2是串行數據接口，引腳3懸空，引腳4接地。

（2）光照度傳感器。本系統(tǒng)選用BH1750FVI數字光照度傳感器，BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路；內部組件包括接近人眼反應的光敏二極管（PD）、集成運算放大器（AMP）、模數轉換裝置（ADC）、內部振蕩器以及光照度計算和I2C總線接口；外部無需添加其他部件，光源依賴性弱，可以探測較大范圍的光強度變化（1—65 535 lx），受紅外線影響很小。

圖2　DHT11接線圖Fig．2 Wiring diagram of DHT11

2．3 終端節(jié)點

終端節(jié)點由四個模塊組成：傳感器模塊，處理器模塊，無線通信模塊，能量供應模塊。終端節(jié)點的結構如圖3所示，傳感器模塊通過各種傳感器采集溫室監(jiān)測和控制所需的各種參數信息，處理器模塊負責數據的存儲，能量和任務的管理。無線通信模塊用于和其他節(jié)點進行無線通信。能量供應模塊用于給整個節(jié)點供電。

圖3　終端節(jié)點組成結構Fig．3 Structure of terminal node

2．4 協(xié)調器節(jié)點

協(xié)調器節(jié)點是整個ZigBee網絡的核心，它主要由CC2530芯片、GPRS模塊、射頻天線、晶振、擴展接口、電源模塊幾個部分組成。負責整個網絡的建立、啟動及維護。其硬件組成如圖4所示。

圖4　協(xié)調器節(jié)點組成結構Fig．4 Structure of coordinator node

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)以IAR作為ZigBee協(xié)議的開發(fā)環(huán)境，IAR Embedded Workbench是一款用于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境，支持眾多的微處理，可以嵌入多種開發(fā)工具，使用IAR的編譯器可以生成最優(yōu)化、最緊湊的代碼，從而節(jié)省硬件資源，降低產品成本。本系統(tǒng)以C語言作為編程語言來實現無線傳感器網絡的建立，數據的采集和傳輸。終端節(jié)點的程序流程如圖5所示，協(xié)調器節(jié)點的程序流程如圖6所示。終端節(jié)點主要用來采集和發(fā)送傳感器采集到的數據，終端節(jié)點上電后首先進行初始化工作，然后向協(xié)調器發(fā)送入網請求，如果入網成功，那么終端節(jié)點會按照數據采集周期進行定時，進入睡眠模式，定時時間到就會被喚醒，終端節(jié)點被喚醒后，自動采集和發(fā)送傳感器采集到的數據給協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器主要負責網絡的建立、維護以及控制終端節(jié)點的加入。網絡建立好后，協(xié)調器處于接收消息的狀態(tài)，收到消息后，根據消息的類型，進行相應的處理：使子節(jié)點加入網絡或者接收子節(jié)點傳來的數據，協(xié)調器將接收到的數據進行處理后，通過GPRS發(fā)送到用戶服務器。

圖5　終端節(jié)點程序流程Fig．5 Program flow of terminal node

圖6　協(xié)調器節(jié)點程序流程Fig．6 Program flow of coordinator node

4 系統(tǒng)的實現

4．1 系統(tǒng)設計模式

本系統(tǒng)采用“B/S”結構，即“瀏覽器/服務器”模式，這種模式的特點是統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實現的核心集中到服務器上，方便了系統(tǒng)的開發(fā)、維護及使用。瀏覽器通過Web Server同數據庫進行數據交互。

在具體開發(fā)上，系統(tǒng)使用模型視圖控制器（Model View Controller，MVC）設計模式。模型視圖控制器框架如圖7所示，M是Model的簡寫，即業(yè)務模型，負責應用程序數據庫中的數據邏輯和數據存取。V是View的縮寫，表示用戶界面，負責數據的顯示方式，C是Controller的縮寫，即控制器，主要處理用戶與數據之間的交互。模型視圖控制器設計模式［10］實現了視圖層和業(yè)務層的分離，具有耦合性低，重用性高等特點，可以提高系統(tǒng)的擴展性和可維護性。

圖7　MVC框架Fig．7 MVC framework

4．2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

4" 2" 1 系統(tǒng)前端開發(fā)

系統(tǒng)前端，即瀏覽器端，采用Adobe Brackets進行開發(fā)，Brackets是Adobe公司開發(fā)的一款免費的開源文本編輯器，是一個跨平臺的HTML、CSS和JavaScript前端Web集成開發(fā)環(huán)境。前端CSS代碼的編寫采用Sass預處理器，簡化了CSS工作流。

4" 2" 2 系統(tǒng)后端開發(fā)

系統(tǒng)后端，即服務器端，采用Zend Studio進行開發(fā)，Zend Studio是Zend Technologies公司開發(fā)的PHP語言集成開發(fā)環(huán)境（IDE），具備功能強大的專業(yè)編輯工具和調試工具，可以在Linux、Windows、Mac OS X上運行。數據庫使用的是免費開源的MySQL關系型數據庫管理系統(tǒng)。

4．3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)前端界面如圖8所示，圖中顯示的是葡萄溫室的實時數據，目前主要采集了光照強度、空氣溫濕度、土壤溫濕度這5項環(huán)境參數，通過該監(jiān)測系統(tǒng)可以查看溫室環(huán)境歷史數據和曲線分析圖。測試結果表明：該系統(tǒng)可以遠程實時地采集溫室環(huán)境數據，并通過瀏覽器展示給用戶，數據傳輸穩(wěn)定。

圖8　系統(tǒng)界面Fig．8 System interface

5 結論與展望

本研究項目針對目前溫室栽培的特點，設計了一套基于ZigBee技術的葡萄溫室環(huán)境數據采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、維護方便、低功耗等特點，用戶通過手機瀏覽器也可以查看到實時數據，有效解決了傳統(tǒng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)布線困難、造價和維護成本高、可擴展性差等問題。本系統(tǒng)可以往以下幾個方面作進一步擴展：（1）系統(tǒng)前端界面可以設計成響應式的布局，這樣在不開發(fā)Android、iOS應用程序的情況下，在手機、筆記本或者平板電腦等設備上，也可以有較好的監(jiān)控和顯示效果。（2）集成專家系統(tǒng)，增加智能控制模塊，根據溫室中植物的生長特點，提供最佳的溫室環(huán)境，提升農作物的產量和質量。

參 考 文 獻

［1］Chen Y" Design of Greenhouse Monitoring System Based on ZigBee Technology［C］//James J P" Proceedings of the International Conference on Human-centric Computing 2011 and Embedded and Multimedia Computing 2011" Berlin：Springer Netherlands，2011：611-615"

［2］龔文超，吳猛猛，劉雙雙"基于CC2530的無線監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現［J］"電子測量技術，2012，35（6）：33-36"

［3］張猛，房俊龍，韓雨"基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］"農業(yè)工程學報，2013，29（25）：171-176"

［4］楊瑋，呂科，張棟，等"基于ZigBee技術的溫室無線智能控制終端開發(fā)［J］"農業(yè)工程學報，2010，26（3）：198-202"

［5］龐娜，程德福"基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］"吉林大學學報：信息科學版，2010，28（1）：55-60"

［6］Song J" Greenhouse monitoring and control system based onZigBee wireless senor network［C］//IEEE" Electrical and Control Engineering （ICECE），2010 International Conference on" Yichang：IEEE，2010：2785-2788"

［7］He G，Wang X，Sun G" Design of a greenhouse humiture monitoring system based on zigbee wireless sensor networks［C］//IEEE" Frontier of Computer Science and Technology（FCST），2010 Fifth International Conference on" Changchun：IEEE，2010：361-365"

［8］李正民，張興偉，柳宏川"基于CC2530的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現［J］"測控技術，2013，32（5）：25-28"

［9］周建民，尹洪妍，徐冬冬"基于ZigBee技術的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)［J］"儀表技術與傳感器，2011（9）：50-52"

［10］徐識溥，張杰，袁濤，等" MVC模式在上海市農業(yè)科學院莊行綜合試驗站信息管理平臺的應用［J］"中國農學通報，2012，28（6）：283-287"

（責任編輯：程智強）

Research on ZigBee-based data acquisition system of grape greenhouse

YU Huan1，2，WANG Yun-sheng2，3*，XU Shi-pu2，3，LIU Yong2，3，HUANG Pan-pan2，4
（1Electrical Faculty，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201408，China；2Engineering and Technological Research Center for Digital Agriculture，3Agricultural Information Institute of Science and Technology，Shanghai Academy of Agricultural Sciences，Shanghai 201403，China；4Shanghai Ocean University，Shanghai 201313，China）

Abstract：In order to overcome the inconvenient field wiring and maintenance of wired monitoring equipment in existing greenhouses，an environmental data acquisition system of grape greenhouse was developed by adopting the CC2530 chip made by the TI company and the ZigBee wireless communication technology at the Zhuanghang Integrated Experiment Station，Shanghai Academy of Agricultural Sciences，implementing the real-time acquisition of grape greenhouse’s environmental data such as light intensity，air temperature and humidity" The experimental results showed that this system had such advantages as simple installation，simple disassembly，low development cost and stable working performance，and could be widely used for remote environmental monitoring"

Key words：Environmental monitoring；Greenhouse；Data acquisition；ZigBee；Grape culture

*通信作者，E-mail：wys188＠163" com

作者簡介：余歡（1989—），男，在讀碩士，研究方向：農業(yè)物聯(lián)網及農業(yè)信息化。E-mail：yuhuan169＠163" com

基金項目：上海市農委攻關項目［滬農科攻字（2015）第6-4-1號］；上海市科委“星火計劃”項目（14391918102）；農業(yè)科技成果轉化項目（2013C0010001）

收稿日期：2015-08-24

文章編號：1000-3924（2016）01-072-04

中圖分類號：S625" 3

文獻標識碼：A