劉豐年

(三門峽職業(yè)技術學院 信息工程傳媒學院，河南 三門峽 472000)

基于ARM9和Zigbee的溫室大棚遠程智能監(jiān)測預警系統(tǒng)

劉豐年

(三門峽職業(yè)技術學院 信息工程傳媒學院，河南 三門峽 472000)

在智慧農業(yè)的背景下，為實現(xiàn)溫室大棚的遠程化、智能化與信息化管理，設計了一種以ARM9和Zigbee技術為核心的溫室大棚遠程智能監(jiān)控預警系統(tǒng).該系統(tǒng)用傳感器采集溫室大棚環(huán)境的溫濕度和二氧化碳參數(shù)，通過Zigbee網關上傳至手機客戶端，手機客戶端根據預設值進行報警提示，使用戶能夠實時準確地掌握溫室大棚的環(huán)境狀況.測試實驗證明，該系統(tǒng)具有能耗低、性價比高、擴展性強的優(yōu)點，具有較高的應用價值.

溫室大棚；ARM9；Zigbee；傳感器；智能監(jiān)測系統(tǒng)

隨著我國社會和科技的進步，智慧農業(yè)迅速崛起，溫室大棚技術作為農業(yè)設施的一種常見形式被廣泛應用，為農作物營造了良好的生長環(huán)境，大大提高了農作物的產量，有力推動了集約型農業(yè)的轉型發(fā)展[1].然而，現(xiàn)有的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測手段落后，信息化和智能化管理水平較低，嚴重影響了溫室大棚的產量和經濟效益，阻礙了溫室大棚的發(fā)展.因此，溫室大棚的遠程智能監(jiān)測受到了越來越多的關注[2-3].與此同時，隨著傳感器技術和無線通信技術的迅速發(fā)展，ARM9系列處理器的高性能與Zigbee的低功耗、自組網、容量大等優(yōu)點逐漸被人們所認可，已被廣泛應用于物聯(lián)網和智能家居領域且取得了較好的效果.

本研究針對溫室大棚環(huán)境遠程智能實時監(jiān)測的需求，結合先進的傳感器和無線傳輸技術，設計了一種以S3C2410和Zigbee網關為核心的溫室大棚遠程智能監(jiān)測預警系統(tǒng).該系統(tǒng)采用HTU21D溫濕度傳感器和T6615二氧化碳傳感器實時采集溫室大棚的溫濕度和二氧化碳參數(shù)，通過Zigbee網關上傳至手機客戶端，手機客戶端根據預設值進行報警提示，達到了監(jiān)測溫室大棚環(huán)境的目的，節(jié)省了人力資源，提高了溫室大棚的信息化與智能化程度，具有較強的擴展性和應用價值.

1 系統(tǒng)總體設計

根據溫室大棚中影響農作物生長的主要環(huán)境因素和遠程智能實時監(jiān)測預警的需求，系統(tǒng)采用獨立模塊原則，按照低功耗、微型化、可擴展、穩(wěn)定可靠、協(xié)議統(tǒng)一的標準進行了設計，主要包括溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和Zigbee網關3個部分，具體結構如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 The structural diagram of system

(1)Zigbee網關是整個溫室大棚遠程智能監(jiān)控預警系統(tǒng)的核心，具體負責溫室大棚內Zigbee網絡的建立，管理整個網絡中所有的Zigbee終端，向各個傳感器發(fā)送數(shù)據采集指令，收集采集到的數(shù)據，將Zigbee信息轉換為符合TCP/IP協(xié)議的信息，最終將轉換后的信息通過網絡上傳至終端設備.

(2)HTU21D溫濕度傳感器具體負責采集溫室大棚環(huán)境的溫度和濕度，將采集到的信息通過Zigbee網絡傳送給Zigbee網關.該傳感器可以設置閾值并具有超閾值報警功能，還可以調整數(shù)據采集周期和接收Zigbee網關下達的數(shù)據采集指令.

(3)T6615二氧化碳傳感器具體負責采集溫室大棚里的二氧化碳濃度，將采集到的數(shù)據通過Zigbee網絡傳送給Zigbee網關.

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件是整個系統(tǒng)的基礎，主要包括Zigbee網關、HTU21D溫濕度傳感器和T6615二氧化碳傳感器.

2.1 Zigbee網關

Zigbee網關是整個系統(tǒng)的核心，主要包含核心處理器、Zigbee協(xié)調器、3G接口電路、RS232/485接口電路、USB接口電路、以太網卡和備用電池電路等[4].

本系統(tǒng)選擇了三星公司的ARM9系列的S3C2410作為Zigbee網關的微處理器，通過以太網或3G/4G網上傳信息，外部供電采用15 V電源適配器將220 V電源轉化為15 V的直流電，電流為1 A，內部供電采用MP2482將電壓轉化為5 V或3.3 V.Zigbee網關的整體框架如圖2所示.

2.2 HTU21D溫濕度傳感器

HTU21D溫濕度傳感器主要包括STM32F103R8T6處理器、HT7333和HTU21D，如圖3所示.

圖2 Zigbee網關框架Fig.2 The frame diagram of Zigbee gateway

圖3 HTU21D溫濕度傳感器Fig.3 HTU21D temperature humidity sensors

(1)STM32F103R8T6處理器電路

該處理器具有ARM CortexTM-M3內核，處理速度快、抗干擾能力強、功耗低、性價比高、穩(wěn)定可靠.STM32F103R8T6處理器電路如圖4所示.

圖4 STM32F103R8T6處理器電路Fig.4 The circuit design of STM32F103R8T6 processor

(2)報送電路

在Zigbee模塊中使用的Zigbee芯片型號為ZS05-L-PRO，該芯片是基于MC1322X開發(fā)的，與IEEE802.15.4兼容，具有方便組網、通信距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點，傳輸距離可以達到800 m，有16個信道，65 535個ID，發(fā)射功率和接收功率分別為18 dBm和-92 dBm，可實現(xiàn)設備間的透明傳輸.由于處理器I/O口和ZigbeeI/O口的電壓不匹配，所以需要在二者之間增加一個100 Ω的電阻.報送電路如圖5所示.

(3)HTU21D溫濕度傳感器電路

HTU21D溫濕度傳感器采用DFN封裝，支持數(shù)字顯示，擁有標準的12C接口，具有功耗低、體積小等優(yōu)點，測溫為-40～125 ℃，濕度為0%～100% RH，處理器使用的是STM32F103R8T6.考慮到傳感器位置可能需要經常調換，再加上所用的都是低功耗元件，所以HTU21D溫濕度傳感器供電采用的是3節(jié)5 V電池，通過HT7333穩(wěn)壓芯片把15 V電壓轉化為3.3 V.測試發(fā)現(xiàn)，3節(jié)5 V電池可以持續(xù)為傳感器供電6～10個月，能滿足實際需求.HTU21D溫濕度傳感器電路如圖6所示.

圖5 報送電路Fig.5 The circuit of submission

圖6 HTU21D溫濕度傳感器電路Fig.6 The circuit of HTU21D temperature humidity sensors

2.3 T6615二氧化碳傳感器

二氧化碳傳感器主要包括PIC16F690處理器、T6615傳感器和HT7650.供電采用6 V的電壓適配器將220 V電壓變換為6 V，LDO需要的5 V電壓通過HT7650轉換，處理器與傳感器之間通過IIC通訊，處理器與Zigbee芯片間通過TTL通訊.

圖7 PIC16F690處理器電路Fig.7 The circuit of PIC16F690 processor

(1)PIC16F690處理器電路

該處理器具有8位CMOS閃存，20個引腳，一個串口，可以直接驅動LED，性能高，功耗工作電流為11 μA.PIC16F690處理器電路如圖7所示.

(2)T6615二氧化碳傳感器電路

T6615二氧化碳傳感器的精確度為75×10-6，測量范圍為0～2 000×10-6，單次采集信息的時間為4 s，具有功耗低、結構緊湊、性價比高等優(yōu)點，供電電壓為5 V.T6615二氧化碳傳感器部分電路如圖8所示.

圖8 T6615二氧化碳傳感器部分電路Fig.8 Some parts of the circuit of T6615 carbon dioxide sensors

3 系統(tǒng)軟件設計與測試

系統(tǒng)軟件設計主要包括Zigbee網關和各傳感器的軟件設計.

3.1 Zigbee網關

先將Zigbee模塊連接到電腦，完成基本配置，確保組網成功.Zigbee模塊負責網關與終端之間的數(shù)據通信，對串口發(fā)來的指令，處理后就發(fā)送給終端設備，對終端設備發(fā)來的指令，處理完后發(fā)送給處理器.Zigbee模塊的工作流程如圖9所示.

3.2 傳感器軟件

HTU21D溫濕度傳感器和T6615二氧化碳傳感器采集溫室大棚的環(huán)境信息，通過Zigbee報送給網關，用戶可以在客戶端查詢相關信息.由于傳感器的工作原理相似，所以僅以HTU21D溫濕度傳感器為例，介紹傳感器軟件.

HTU21D溫濕度傳感器每隔1 h采集一次信息并報送給Zigbee網關，當監(jiān)測數(shù)據高于閾值時，就會發(fā)送報警信息給Zigbee網關.經測試，濕度閾值設定為40%～60%，溫度閾值設定為15～25 ℃較為合理.HTU21D溫濕度傳感器的程序如圖10所示.

圖9 Zigbee模塊的工作流程Fig.9 The workflow of Zigbee modules

圖10 HTU21D溫濕度傳感器的程序流程Fig.10 The program flow chart of HTU21D temperature humidity sensors

HTU21D溫濕度傳感器主要包括入網、閾值設置、讀環(huán)境信息、超閾值報警和定時報送，各子程序如下：

(1)入網.用戶通過按HTU21D溫濕度傳感器上的按鍵報送設備類型，Zigbee網關接收到Zigbee識別信息后將其加入網絡，Zigbee網關向HTU21D溫濕度傳感器返回指令，HTU21D溫濕度傳感器接收到指令后指示燈閃爍表明收到回復.

(2)閾值設置.用戶通過客戶端設置HTU21D溫濕度傳感器上的報警閾值，報警閾值經Zigbee網關轉換為HTU21D溫濕度傳感器能夠識別的指令信息，存儲到傳感器中.

(3)讀環(huán)境信息.用戶通過客戶端向HTU21D溫濕度傳感器發(fā)送讀環(huán)境信息指令，HTU21D溫濕度傳感器得到指令后讀取環(huán)境信息并上傳至網關，得到網關的回復指令后程序結束.如果沒有得到回復指令，則繼續(xù)發(fā)送，直到收到回復為止.

(4)超閾值報警.閾值設置后處理器開始啟動計時器，每秒讀值一次，然后將該值與閾值比較，如果超過即報送網關，接到網關回復之后程序結束.

(5)定時報送.HTU21D溫濕度傳感器的定時器每隔1 h采集一次數(shù)據并報送網關.

3.3 系統(tǒng)測試

圖11 數(shù)據傳輸時間和距離的關系Fig.11 The diagram of data transmission time and range

借用紫光物聯(lián)平臺的客戶端，對溫室大棚遠程智能監(jiān)測預警系統(tǒng)進行了整體測試.所有設備聯(lián)網正常，覆蓋面積可以達到300 m2，設備經網關到客戶端的傳輸時間基本上在1.5 s左右，主機和終端設備功能均符合實際需求，每隔1 h報送一次溫濕度和二氧化碳濃度，閾值設置有效且反應靈敏.數(shù)據傳輸時間和距離的關系如圖11所示.

4 結語

本研究根據溫室大棚遠程智能監(jiān)測的需求，采用先進的傳感器技術和無線傳輸技術，設計了一種以S3C2410處理器和Zigbee網關為核心的溫室大棚遠程智能監(jiān)測預警系統(tǒng).該系統(tǒng)采用HTU21D溫濕度傳感器和T6615二氧化碳傳感器實時采集溫室大棚的溫濕度信息和二氧化碳參數(shù)，通過Zigbee網關上傳至手機客戶端，用戶可以通過手機客戶端查看溫室大棚的環(huán)境信息，手機客戶端也會根據預設值進行報警提示，以達到溫室大棚環(huán)境遠程監(jiān)測的目的.該系統(tǒng)提高了無人值守情況下溫室大棚信息化與智能化的程度，具有較強的擴展性和應用價值.

[1] 韓劍，莫德清．基于Android與GSM的溫室大棚遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J]．江蘇農業(yè)科學，2015，43(4)：397-399．

[2] 徐暉．基于PLC的智能溫室大棚系統(tǒng)設計[J]．蘭州文理學院學報(自然科學版)，2015，29(4)：41-45．

[3] 邵春聲，張兵．基于PROTEUS的溫室大棚溫度控制系統(tǒng)的設計與仿真[J]．中國農機化學報，2015，36(6)：92-95．

[4] 王憲磊．基于Zigbee的智能溫室大棚環(huán)境自動化監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]．農業(yè)科技與裝備，2016，16(7)：27-29,33．

[5] 陳會蓮，谷明月,鄭艷博,等．基于PLC的溫濕度自動控制系統(tǒng)的設計[J]．中國農機化學報，2015，36(2)：246-248．

On the online intelligent monitoring prewarning system of the greenhouse based on the ARM9 and Zigbee

LIU Fengnian

(DepartmentofInformationEngineeringandMedia,SanmenxiaPolytechnicCollege,Sanmenxia472000,China)

In order to implement the online, intelligent and informative management of the greenhouse in the background of the intelligent agriculture, an online intelligent monitoring prewarning system of the greenhouse is designed based on the ARM9 and Zigbee. In the system the temperature and the humidity of the greenhouse as well as the parameter of CO2are collected by the use of the sensor, and the parameter are to be uploaded to the clients of the mobile phone, and then the mobile phone will warn to reminder according to the figure set in advance, so the client can know correctly the environmental condition of the greenhouse on time. Having been tested by the experiment, the system costs fewer energy and gets higher performance price ratio and the stronger expandability, and it is applicable in practice.

greenhouse; ARM9; Zigbee; sensor; intelligent monitoring system

2017-01-07

河南省教育廳科學技術研究重點項目(15B520026)

劉豐年(1982-)，男，河南三門峽人，講師，研究方向為模式識別與智能系統(tǒng).

TP277

A

1674-330X(2017)02-0067-05