朱濤

摘要：本文通過介紹ZigBee技術和軟件、硬件選擇原則，闡明了ZigBee程序運行過程中數據采集、時間同步、溫度自我調控和PC端顯示這四大部分的實施過程和技術關鍵點，為這一技術的發(fā)展和延伸提供理論依據和技術支持。

關鍵詞：農業(yè);ZigBee技術;溫度;監(jiān)測與調控

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0229-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Intelligent Agricultural Temperature Control System Based on ZigBee Technology

ZHU Tao

（Institute of Computer Science and Technology ，Anhui University of Technology，Huainan 232000， China）

Abstract： By introducing the technology of ZigBee and the principle of choosing software and hardware， this paper expounds the implementation process and key points of the four parts of ZigBee program： data acquisition， time synchronization， temperature self-regulation and PC terminal display. It provides theoretical basis and technical support for the development and extension of this technology.

Key words： Agricultural; ZigBee technology; temperature; monitoring and control

農作物的生長受著多重因素的影響，其中溫度對農作物的生長起著至關重要的作用，農作物只有在適宜的溫度環(huán)境下，才會有序地進行呼吸作用和光合作用，茁壯成長，傳統(tǒng)農業(yè)中，農民對于溫度的調控只能靠生產經驗，具有主觀性，達不到精準農業(yè)的要求標準。在農業(yè)不斷發(fā)展與提升的今天，農業(yè)環(huán)境的實時監(jiān)控和精準調節(jié)技術也不斷精進著。因此農業(yè)生產中，如何對溫度環(huán)境智能的監(jiān)控和調節(jié)逐漸成為研究熱點。ZigBee作為一種無線、節(jié)能、高效、簡便的新技術，因其價格低廉，使用方便，被農業(yè)產業(yè)廣泛使用[1]。

1 ZigBee技術概論

ZigBee這一名稱源于仿生學，蜜蜂在獲取花叢間食物信息時，會通過一種“zigzag”的舞蹈方式向同伴傳達信息，這種方法被人類應用于無線數據傳輸網絡當中，稱為ZigBee無線連接技術。ZigBee所含的數據模塊高達上萬個，模塊組中的每一個在網絡平臺范圍內可互相通訊，數據節(jié)點的距離也由標準的75 m擴展到更寬泛的距離。每個節(jié)點在實現自身監(jiān)控的基礎上，還可在其它通訊設備的信息間自由傳送，且在有限范圍內，還可與其他無網絡信息中轉責任的節(jié)點進行無縫對接[2]。

由節(jié)點構成的網絡需要協調器來監(jiān)控節(jié)點的組成，協調器起著給父節(jié)點發(fā)送信息和接收響應信息的作用。ZigBee技術較其他技術相比傳輸距離較近，可在3個頻段（2.4GHz、868MHz以及915 MHz）上達到最高工作速率（250kbit/s、20kbit/s以及40kbit/s），具有節(jié)能、高效、簡便、低廉、準確、安全的優(yōu)勢。ZigBee應用范圍覆蓋廣泛，主要包括農業(yè)、電網、家具、醫(yī)療等不同領域，其適應性主要依靠拓撲結構的選擇，因為不同領域適用不同的拓撲結構，常見的拓撲結構共3種，包括星形、網狀和樹形網絡拓撲結構。

2 ZigBee系統(tǒng)總體設計

2.1 ZigBee系統(tǒng)總體設計方案

圖1為ZigBee系統(tǒng)總體設計。本實驗意在解決傳統(tǒng)人工監(jiān)控的主觀性和成本高等問題，達到減少人工操作和自動依據現實環(huán)境需要進行實時有效調控溫度的目的·。低成本、高效率、操作簡單為本實驗設計原則[3]。采用DS18B20溫度采集模塊作為信息采集單元，進而向ZigBee發(fā)射模塊傳輸采取的全部信息，當信息傳輸至ZigBee接受模塊時，PC機同ZigBee的主節(jié)點相互通信，通訊信息反映至操作單元，操作單元會根提前設定好的溫感程序進行升溫或者降溫操作。當溫度調控操作單元發(fā)生異?，F象時，會進行報警處理，提示工作人員進行維護與維修處理工作。同時實現GPRS與PC機的交互作用，使得與主機聯網的其他計算機也能接受實時溫控信息，達到資源傳播與整合的作用，使得消息傳輸過程變得方便簡潔。

2.2系統(tǒng)硬件選擇

2.2.1 ZigBee網絡子節(jié)點模塊硬件組成

圖2為ZigBee網絡子節(jié)點模塊結構示意圖。其中供電系統(tǒng)包括電源設備、溫度控制系統(tǒng)包括升溫、降溫設備及報警設備。

2.2.2 主控制器選取部分

主控制器位于設計中最重要的地位，負責信息的集成和擴散，因此在控制器的選擇上，要秉承成本低、操作簡便，信息保存性完整等原則，并在此基礎上，此單片機在數據運算整合上可獨立操作，減少對外源電路的依賴，降低成本[4]。因此依據以上設計原則，本實驗在控制器的選擇上，以STC89C52單片機為第一選擇。STC89C52單片機結構如圖3所示：

STC89C52單片機功能簡介：

（1）支持51、AVR/ARM等多種開發(fā)平臺

（2）模塊采取獨立分區(qū)方式，并配置不同顯示屏與其一一對應。模塊分區(qū)設置主要包括：液晶LCD1602、16位LED燈、8*8點陣、8位數管碼、4*4矩陣按鍵。

（3）其智能溫控系統(tǒng)包括溫度檢測、警報器、獨立按鍵、LED、數管碼顯示、步進電機，可實現對溫度的實時監(jiān)測與調控。

2.2.3 溫度傳感器選取部分

溫度傳感器負責導入溫度信號，不同被測對象對應著不同的溫度傳感器設計單元，所以選擇恰當的傳感器，才能使得溫度監(jiān)控工作正常運行。傳感器選擇本著能耗低、傳輸效率高，無須中途轉輸、小體積的原則。傳感器可依據用途、原理、信息來源、構成等原則劃分為不同的類型。其中信息來源包括模擬信息和數字信息，模擬信息需經轉輸處理才可變?yōu)閿底中畔ⅲ龃罅藬祿幚砉ぷ髁?，降低了傳感器工作效率。所以在傳感器的選擇上，本實驗為數字傳感器。

2.3系統(tǒng)軟件選擇

2.3.1數據接收軟件流程設計

數據接收部分的工作是將所有傳感器采集匯聚整理至數據整合節(jié)點，整合節(jié)點的數據再傳輸至相應的pc機以及其他設備[3]。整體數據采集與傳輸軟件流程設計如圖4所示。

2.3.2時間統(tǒng)一的算法

當每一個節(jié)點在采集信息和匯聚節(jié)點在整合信息的同時，都需要同一個ZigBee處理時間，也就是所有節(jié)點的數據處理都需要一個統(tǒng)一的標準化時間，而對于網絡統(tǒng)一時間的算法目前有很多種，包括統(tǒng)一傳送報文來標注時間的FTSP算法，不攜帶時間標注，靠廣播指示來協調時間的RBS算法，和選取節(jié)點代表來規(guī)范時間的DMTS算法。本實驗選取時間算法的原則是節(jié)省時間，數據處理量小，算法簡便。由于后兩種算法都需要計算時間相對差，并做相應協調處理，這一過程處理相對復雜，耗時較長，因此選擇第一種算法作為時間同步處理算法。

2.3.3 PC端軟件開發(fā)與設計

PC端與信息采集與接收端相輔相成，缺一不可。PC端可通過圖形或文字的方式使用戶直觀感受溫度調控實時情況[5]。PC端必備的幾大功能如下：

屏幕顯示功能：顯示不同傳感器的溫度狀況，并以圖片或表格的形式傳達。

自我設置功能：用戶可根據實際農作物溫度所需情況，設置相應的報警參數和標準溫度參數，以方便執(zhí)行單元中的溫度調控部分。

自我健康監(jiān)測功能：當用戶點擊自我監(jiān)測按鈕時，一條空的數據會經完整的信息傳輸過程，包括采集，整合，接受，處理這四大部分，若每一部分都能正常健康地運行，系統(tǒng)會彈出一切正常的對話框，可進行下一步的溫度監(jiān)控操作。

系統(tǒng)詳情說明：提供系統(tǒng)詳情說明書，詳細介紹各個模塊和不同按鍵的功能特性。

3結論和展望

本實驗以ZigBee作為一種技術支持，來達到對農業(yè)大棚環(huán)境中溫度的實時監(jiān)控與調節(jié)目的。本文主要介紹和設計四大運行部分，即數據采集部分，數據傳輸與時間同步部分，溫度自我調節(jié)部分，PC端顯示與傳送信息部分。也就是將信息以數字化形式傳輸整合，再以圖片或表格形式，直觀的呈現給用戶，用戶下達指令及運行標準后，此技術可實現自動調節(jié)溫度至理想狀態(tài)的目的。這一技術目前還在試運行階段，還存在一些問題需解決與提升。在能耗方面，雖然已盡可能選取能耗低的設備，但是還是會有使用壽命的限制，一旦某一設備無法正常運行，則重組和維修是一大難題，也許未來還會有新能源的出現解決這一問題;在數據采集上，設備只是簡單采集所有信息，未對所采取信息做選擇性處理，即無法避免干擾信息的存在，未來可能在這一方面會有更智能的采集系統(tǒng)出現，攻克信息干擾這一難題?？偟膩碚f，ZigBee這一簡便、低廉的技術，在未來會被更好地利用起來，為人類創(chuàng)造更多的價值。

參考文獻：

[1] 王淼. 基于ZigBee的智能農業(yè)物聯網系統(tǒng)[J]. 農業(yè)工程， 2018， 8（11）： 34-36.

[2] 崔艷茹. 基于ZigBee技術的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計研究[J]. 通訊世界， 2018（10）： 268-269.

[3] 張習博. 基于ZigBee路由算法的研究及其在數據采集系統(tǒng)中的研究[J]. 自動化與儀器儀表， 2018（11）： 7-10.

[4] 孔陽，楊帥，劉海. 基于ZigBee技術智能檢測設備的設計與實現[J].航空精密制造技術， 2018， 54（06）：? 52-54.

[5] 田學軍，何江蕓. 一種基于ZigBee的智慧農業(yè)無線網絡監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 機床與液壓， 2018， 46（22）： 112-115.

【通聯編輯：唐一東】