董香麗

摘 ?要：隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，溫室大棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，但是在自動(dòng)監(jiān)控方面仍存在著諸多問題，根據(jù)溫室大棚的類型和農(nóng)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)，提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室大棚中的應(yīng)用方案，利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及信息的無線收發(fā)。該文介紹了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，及在溫室大棚中的應(yīng)用技術(shù)，在物聯(lián)Zigbee技術(shù)的引領(lǐng)下，現(xiàn)代化的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)采用了先進(jìn)的溫室大棚種植技術(shù)?；赯igBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)增收，提高農(nóng)作物質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，且便于推廣。

關(guān)鍵詞：ZigBee ?無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ?溫室大棚

中圖分類號(hào)：TP212.9;TN92 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）07（a）-0034-02

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展是國(guó)家發(fā)展的重中之重，糧食歷來都是長(zhǎng)治久安百姓幸福生活的保障，也關(guān)系到人們“舌尖上的安全”。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)研究和應(yīng)用也越來越受到重視。溫室大棚信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的制高點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室大棚中的應(yīng)用不斷普及，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化產(chǎn)生重大的影響，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正以規(guī)?；?、智能化發(fā)展，已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分。溫室監(jiān)控區(qū)域較大，需要大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成大型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過各種傳感器采集諸如溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度等信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控。傳統(tǒng)溫室監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)多采用有線連接，布線復(fù)雜，往往造成溫室內(nèi)線纜縱橫交錯(cuò)、使用不便、安裝維護(hù)困難、可靠性差等問題。基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室大棚中的應(yīng)用，可以監(jiān)測(cè)控制一個(gè)大棚，也可以監(jiān)測(cè)控制多個(gè)大棚。溫室大棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)及其氣候監(jiān)測(cè)研究和自動(dòng)化控制已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)需要進(jìn)行實(shí)施智能決策，并自動(dòng)開啟或者關(guān)閉指定的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。20世紀(jì)90年代后，無線技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得它在許多國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究獲得迅速發(fā)展。將傳感器整合到無線傳送網(wǎng)絡(luò)中：通過在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)布置溫度、濕度、光照等傳感器，對(duì)棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)棚內(nèi)的溫濕度、光照等進(jìn)行自動(dòng)化控制。通過更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)監(jiān)控的方式，來對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行管理，更好地感知到農(nóng)作物的環(huán)境，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室大棚中的應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于北京博創(chuàng)UP-CUP IOT-IAS型智能農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。功能性能需要滿足節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器間無線網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定;數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)要穩(wěn)定、準(zhǔn)確。人機(jī)交互界面美觀友好、操作簡(jiǎn)單快捷。視頻監(jiān)控畫面清晰、流暢。采用節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、主控器三層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)人性化的人機(jī)交互界面及穩(wěn)定準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 硬件架構(gòu)

基于ZigBee2007/PRO協(xié)議棧，無線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝、架設(shè)過程中自動(dòng)完成。如圖1所示，工作流程是：當(dāng)上位機(jī)發(fā)送命令以后，網(wǎng)關(guān)接收命令，首先判斷是不是可用的命令，如果可用，根據(jù)命令判斷計(jì)算機(jī)需要哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，并向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令要求將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)傳回網(wǎng)關(guān)，然后再將接收到的指定節(jié)點(diǎn)的信息按既定格式發(fā)送給上位機(jī)。在ZigBee2007/PRO無線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器作用，負(fù)責(zé)對(duì)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的管理及維護(hù)。上位機(jī)與協(xié)調(diào)器之間用串口通信，協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)之間無線通信，節(jié)點(diǎn)與終端設(shè)備之間通過串口或其他IO口進(jìn)行通信。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

該軟件分為3層架構(gòu)，從下到上依次是ZigBee節(jié)點(diǎn)層、ZigBee協(xié)調(diào)器層、用戶界面層。ZigBee節(jié)點(diǎn)層：該層主要負(fù)責(zé)設(shè)備的操作，如傳感器數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制等，根據(jù)接收到的上層發(fā)送的指令響應(yīng)不同的動(dòng)作。ZigBee協(xié)調(diào)器層：該層負(fù)責(zé)接收下層數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送給上層用戶界面，上層用戶界面發(fā)送的指令傳送給下層節(jié)點(diǎn)。用戶界面層：該層負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器對(duì)協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和下層設(shè)備控制指令的發(fā)送。提供給用戶一個(gè)可視化圖形界面，方便操作。

1.3 主要模塊設(shè)計(jì)

ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)，使用USB仿真器連接PC機(jī)和ZigBee（CC2530）模塊，將ZigBee調(diào)試板電源撥到3.3V段，打開ZigBee模塊開關(guān)供電。分別下載協(xié)調(diào)器程序、節(jié)點(diǎn)程序。啟動(dòng)設(shè)備測(cè)試，首先啟動(dòng)協(xié)調(diào)器模塊，建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)LED1閃爍，成功后LED1點(diǎn)亮停止閃爍，再啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)端ZIGBEE模塊，入網(wǎng)成功后LED1點(diǎn)亮停止閃爍，網(wǎng)絡(luò)組建成功。基礎(chǔ)控制型設(shè)備控制程序，基礎(chǔ)控制型設(shè)備有4個(gè)，分別是電燈、風(fēng)扇、水泵、加熱器，它們的原理相同，此處以電燈控制為例，控制型設(shè)備連接CC2530的相關(guān)引腳，通過對(duì)引腳的高低電平設(shè)置來控制電燈的開關(guān)。設(shè)備控制程序通過串口給協(xié)調(diào)器發(fā)指令，再由協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)給節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)解析相應(yīng)指令來控制電燈的開關(guān)。步進(jìn)電機(jī)控制程序（電動(dòng)窗），步進(jìn)電機(jī)連接CC2530的相關(guān)引腳，通過相應(yīng)引腳的設(shè)置來控制步進(jìn)電機(jī)的正傳反轉(zhuǎn)及停止。傳感器數(shù)據(jù)采集程序，項(xiàng)目中用到的串口型傳感器有光照傳感器、風(fēng)速傳感器、CO2濃度傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器和雨雪傳感器。傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)周期循環(huán)上報(bào)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)并寫入串口上。

2 ?主要功能

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室大棚中的應(yīng)用研究采用時(shí)下熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、ZigBee技術(shù)、嵌入式技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的方法，精心挑選各種傳感器，高精度測(cè)量溫室大棚生產(chǎn)過程中的參數(shù)、智能控制溫室內(nèi)溫濕度及通風(fēng)狀況等。通過控制器程序的燒寫、制作SD卡啟動(dòng)卡、USB驅(qū)動(dòng)的安裝、系統(tǒng)的燒寫、ZigBee模塊的燒寫及硬件連接后系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能。

（1）室內(nèi)外環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能：各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)并上報(bào)處理器進(jìn)行顯示并處理。

（2）環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)功能：該功能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無人值守化的功能，結(jié)合農(nóng)作物的最佳生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并啟動(dòng)自動(dòng)控制功能，通過水泵、換氣扇、植物生長(zhǎng)燈等控制設(shè)備進(jìn)行不斷的環(huán)境調(diào)節(jié)。

（3）視頻監(jiān)控功能：大棚內(nèi)裝有高清監(jiān)控?cái)z像頭，可以在室外清晰地觀察到溫室大棚內(nèi)的植物生長(zhǎng)和環(huán)境變化情況。

3 ?結(jié)語(yǔ)

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室大棚中的應(yīng)用研究，基于北京博創(chuàng)科技UP-IAIMS智能農(nóng)業(yè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研究了ZigBee技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的理論知識(shí)在溫室大棚中的具體應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室大棚中的一舉一動(dòng)不間斷遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)情況，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)可視化、精準(zhǔn)化和信息化。

參考文獻(xiàn)

[1] 駱秀斌.智能溫室大棚系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].安徽理工大學(xué)，2017.

[2] 李雪，文燕，鄒承俊，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2019，46（1）：106-107，110.