摘 要 針對現(xiàn)有溫室大棚缺乏有效在線測控手段，以及布線困難等問題，設(shè)計開發(fā)了基于ZigBee的溫室無線測控網(wǎng)絡(luò)，將信息采集、無線傳輸、數(shù)據(jù)處理與遠(yuǎn)程控制集于一體，既可解決數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)問題，又避免安裝大量傳感器和終端設(shè)備的弊端，從而滿足溫室環(huán)境監(jiān)測過程中對多測點、多要素、移動性、便捷性等方面的要求。系統(tǒng)采用ZigBee星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，溫濕度傳感器采用DHT11，微處理器采用超低功耗片上系統(tǒng)CC2530，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點采集和無線傳輸。從硬件和軟件兩方面考慮了低功耗設(shè)計的要求，搭建了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計方案。最后實驗調(diào)試結(jié)果表明，搭建的網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)良好的自組網(wǎng)性和可擴(kuò)展性，工作性能穩(wěn)定，并且有效簡化了現(xiàn)場設(shè)備安裝與拆移等過程，使之更適合溫室大棚現(xiàn)場數(shù)據(jù)測控的需求。

關(guān)鍵詞 溫濕度傳感器；無線測控；ZigBee

中圖分類號：S625.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.11.055

作為種植果蔬的主要地點，溫室大棚在農(nóng)作物生產(chǎn)體系中占據(jù)越來越重要的地位[1]。溫室大棚中農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量的高低與溫室大棚中環(huán)境因素密切相關(guān)。其中，溫濕度更是直接影響溫室農(nóng)作物產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量[2]，故對溫室大棚溫濕度的監(jiān)控是必不可少的。傳統(tǒng)的溫濕度測量一般采用溫度計、濕度計或者分體溫濕度傳感器，易受到測量場所及環(huán)境的限制，長期使用會導(dǎo)致性能下降，需要定期檢查與更換，并且有線傳輸存在布線麻煩、設(shè)備移動性不強(qiáng)、抗干擾能力差、測量精度不高等缺點，同時給系統(tǒng)的更新與維護(hù)帶來諸多不便[3]。

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無線傳感技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集上起到了革命性的作用。本文主要針對溫室種植環(huán)境要求，以溫室大棚的溫濕度為控制對象，經(jīng)過溫濕度傳感器采集溫濕度，微處理器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲和預(yù)警，并將處理后的數(shù)據(jù)無線傳輸至終端設(shè)備，并控制繼電器對溫濕度進(jìn)行調(diào)控，用戶通過終端設(shè)備可實現(xiàn)溫濕度大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控[4]。采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，讀取各個溫室大棚的溫濕度數(shù)據(jù)，真正意義上實現(xiàn)無人值守，具有低功耗、低成本、通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性[5]，因而滿足溫室大棚對溫室測控網(wǎng)絡(luò)的實際需求。

1" 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本論文采用星狀結(jié)構(gòu)，包括1個協(xié)調(diào)器節(jié)點和3個終端節(jié)點，整體結(jié)構(gòu)簡單，能夠測量溫室大棚的溫濕度，成本低廉且易于移動維護(hù)，其中協(xié)調(diào)器為全功能設(shè)備（FFD），終端節(jié)點選用精簡功能設(shè)備（RFD）[6]。在星狀網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端節(jié)點只能與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，相互之間的通信是禁止的。

本系統(tǒng)主要包括3個ZigBee終端節(jié)點和1個ZigBee協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點通過ZigBee協(xié)議與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息交互，終端節(jié)點將采集到的溫濕度信號進(jìn)行初步處理，并將初步處理后的溫濕度信號傳輸至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器對3個終端節(jié)點采集到的溫濕度進(jìn)一步處理，將處理后的溫濕度信號傳輸至LCD屏實時顯示，同時，無線傳輸至遠(yuǎn)程終端設(shè)備，用戶可通過遠(yuǎn)程終端設(shè)備對溫濕度進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。協(xié)調(diào)器外接LED預(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)不同季節(jié)和不同時期農(nóng)作物對生長環(huán)境的不同需求，用戶通過按鍵或遠(yuǎn)程終端APP設(shè)置大棚溫濕度的上下限參數(shù)，協(xié)調(diào)器通過控制繼電器開啟影響農(nóng)作物生長環(huán)境的執(zhí)行設(shè)備，如加熱器、加濕器、風(fēng)機(jī)、天窗/遮幕和卷被等來改變環(huán)境參數(shù)[7]，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2" 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器組成。協(xié)調(diào)器是傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，相當(dāng)于1個網(wǎng)絡(luò)管理控制器，負(fù)責(zé)傳感網(wǎng)絡(luò)的建立、連接、退出及網(wǎng)絡(luò)地址的分配。路由節(jié)點具有網(wǎng)絡(luò)接力、擴(kuò)大信號傳輸范圍的作用，一般情況下處于活動狀態(tài)，根據(jù)傳輸距離選擇是否使用路由節(jié)點。終端節(jié)點作為傳感器部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，采集區(qū)域內(nèi)濕溫度信息，采集的信息經(jīng)路由節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)器[3]，終端設(shè)備的工作原理是定時發(fā)送采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，若發(fā)送成功，收到協(xié)調(diào)器回復(fù)后進(jìn)入休眠，保證低功耗的需求。

2.1" ZigBee終端節(jié)點

ZigBee終端節(jié)點由傳感器模塊、CC2530模塊和電源模塊組成。傳感器模塊包括3個溫濕度傳感器DHT11。CC2530模塊包括微控制器和ZigBee無線收發(fā)器，溫濕度傳感器DHT11負(fù)責(zé)采集溫室的溫濕度。微控制器將接收到的溫濕度信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。ZigBee無線收發(fā)器負(fù)責(zé)與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。電源模塊為傳感器模塊和CC2530模塊提供電源[2]。圖2為ZigBee終端節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，帶有數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性，溫度測量范圍為-20至60 ℃，測溫分辨率可達(dá)到±2 ℃，濕度測量范圍為5%～95%RH，測量分辨率可達(dá)到±5%RH。DHT11具有超小的體積和超低的功耗，傳輸距離可達(dá)20 m以上，單線制串行接口系統(tǒng)集成簡易快捷，因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點，已經(jīng)成為各類應(yīng)用場合的最佳選項，DHT11是四線制封裝，采集的溫濕度信號經(jīng)DATA數(shù)據(jù)線上傳到CC2530的P1_1口。

CC2530是一款兼容IEEE 802.15.4的片上系統(tǒng)，集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核，結(jié)合TI Z-STACK協(xié)議?？煞奖愕亟M建自己的無線通信網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部配置包括：具有代碼預(yù)取功能的增強(qiáng)型8051CPU、可編程256 kB閃存、8 kB RAM、1個16位定時器、1個8位定時器、IEEE 802.5.4 MAC定時器、看門狗定時器、AES安全協(xié)處理器、5通道DMA、2個支持多種串行通信協(xié)議的USART，具有穩(wěn)定性離、功耗低、外圍器件少等優(yōu)點。此外，CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進(jìn)一步確保了超低能耗[8]，圖3為CC2530的外圍電路圖。

由于溫室大棚一般無人值守，而且環(huán)境多變，盡量選擇對供電電壓要求較低的數(shù)字型傳感器，同時，無線傳感節(jié)點具有移動性，因此選擇容量大、使用壽命長且免維護(hù)的高性能電池。ZigBee無線通訊過程通過控制數(shù)據(jù)采樣間隔和采取休眠等低功耗措施，2節(jié)5號電池就可以滿足所有模塊的供電需求[9]，大大降低了能量消耗，降低了農(nóng)民的生產(chǎn)成本。

2.2" ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器包括CC2530模塊、LCD顯示模塊、繼電器模塊、報警模塊和電源模塊。LCD顯示模塊實時顯示終端節(jié)點上傳的溫濕度信號，將溫室大棚傳感器實測溫濕度作為反饋值，用戶給定溫濕度作為輸入值，溫濕度差值作為控制偏差，對控制對象溫濕度進(jìn)行PID控制，具體包括：將控制偏差輸入微處理器，微處理器經(jīng)過處理后觸發(fā)相應(yīng)的繼電器，在繼電器后加上執(zhí)行設(shè)備來有效的調(diào)控溫室的溫濕度[10]。

報警模塊采用單片機(jī)驅(qū)動四個LED燈L1、L2、L3、L4，當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)閾值時點亮L1；當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)閾值時點亮L2；當(dāng)濕度高于預(yù)設(shè)閾值時點亮L3；當(dāng)濕度低于預(yù)設(shè)閾值時點亮L4[7]，報警模塊同時向遠(yuǎn)程終端設(shè)備發(fā)送報警信號，用戶通過手機(jī)、計算機(jī)、平板電腦等終端均可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3" 軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行在OSAL操作系統(tǒng)上，該操作系統(tǒng)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，通過對任務(wù)的事件觸發(fā)來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度[2]。ZigBee的核心是CC2530芯片，對CC2530芯片編程是在IAR Embedded workbench 環(huán)境下實現(xiàn)的，IAR Embedded Workbench是瑞典IAR Systems 公司為微處理器開發(fā)的一個集成開發(fā)環(huán)境（簡稱IAR EW），支持ARM，AVR，MSP430等芯片內(nèi)核平臺，IAR EW的C交叉編譯器是一款完整、穩(wěn)定且容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)軟件，對不同的微處理器提供統(tǒng)一的用戶界面，目前可以支持至少35種的8位、16位、32位的ARM微處理器結(jié)構(gòu)[11]。

終端節(jié)點的傳感器模塊采集溫濕度信號，通過ZigBee無線收發(fā)器將讀取的溫濕度信號傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線收發(fā)器接收溫濕度信號，微處理器對溫濕度信號進(jìn)行處理，并將處理后的溫濕度信號發(fā)送至LCD屏顯示，判斷溫濕度是否超過預(yù)設(shè)閾值，若超過，則觸發(fā)報警和對應(yīng)的繼電器，若不超過，則繼續(xù)接收并處理終端節(jié)點發(fā)送的溫濕度信號（見圖4）。

3.1" ZigBee終端節(jié)點

ZigBee終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)溫濕度的采集、發(fā)送及控制指令的接收執(zhí)行。終端節(jié)點開啟初始化后進(jìn)行系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)配置初始化，主動掃描有效網(wǎng)絡(luò)信道，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求，尋找合適的父節(jié)點，通過關(guān)聯(lián)過程加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)。在沒有數(shù)據(jù)請求的時候，終端節(jié)點處于睡眠狀態(tài)；而一旦有了數(shù)據(jù)請求，終端節(jié)點馬上進(jìn)入工作狀態(tài)，對數(shù)據(jù)請求命令解析并回應(yīng)；然后再進(jìn)行傳感器的啟動、數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的發(fā)送等；發(fā)送完畢終端節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)[2，12]。終端節(jié)點在休眠期間，如果有外部中斷或定時器中斷，節(jié)點會恢復(fù)到工作狀態(tài)，開始執(zhí)行任務(wù)。

3.2" ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器主要是建立和管理1個無線網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器掃描信道，接收新的節(jié)點加入，給新加入的節(jié)點分配1個特定的網(wǎng)絡(luò)地址；接收并處理終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD顯示屏；判斷加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)是否低于采集節(jié)點數(shù)。若低于，還有采集節(jié)點未加入網(wǎng)絡(luò)，則繼續(xù)等待節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)；若不低于，所有的采集節(jié)點均已加入網(wǎng)絡(luò)，則執(zhí)行溫濕度控制程序判斷是否達(dá)到環(huán)境參數(shù)的閾值。如果達(dá)到，則對溫濕度進(jìn)行PID控制，通過控制偏差觸發(fā)相應(yīng)的繼電器啟動執(zhí)行設(shè)備，具體包括：1）當(dāng)溫度過高時，打開卷被等設(shè)備進(jìn)行降溫處理；2）當(dāng)溫度過低時，打開加熱器等升溫設(shè)備；3）當(dāng)濕度過高時，打開風(fēng)機(jī)、天窗、遮幕等設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)降濕處理；4）當(dāng)濕度過低時，打開加濕器等加濕設(shè)備[13]。

由于溫室大棚的封閉性、空間大及無人值守，溫室大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)會有差異性，ZigBee終端節(jié)點采集環(huán)境參數(shù)時選用多個傳感器，分散在溫室大棚的各個角落或者重點區(qū)域位置，終端節(jié)點申請加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)后，多個傳感器將采集到的溫濕度發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器處理數(shù)據(jù)后每隔3s輪流顯示在LCD顯示屏并同時發(fā)送至遠(yuǎn)程終端，通過多個終端節(jié)點對溫室溫濕度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

本系統(tǒng)在溫室大棚東北角、西南角及中心區(qū)域共設(shè)置3個溫濕度傳感器，協(xié)調(diào)器接收到3個溫濕度值后，判斷3個溫濕度值是否超出溫濕度閾值，若超出，則點亮對應(yīng)的LED報警，并將報警信號傳輸至遠(yuǎn)程終端，同時獲取該終端節(jié)點位置，控制該位置的執(zhí)行設(shè)備對溫室大棚的溫濕度進(jìn)行調(diào)控。若東北角的1號溫濕度傳感器上傳的溫度低于閾值，協(xié)調(diào)器獲取該溫濕度傳感器的位置，打開該位置的加熱器進(jìn)行升溫處理，同時用戶可通過遠(yuǎn)程終端控制該位置的執(zhí)行設(shè)備來調(diào)控溫室環(huán)境（見圖5）。

4" 系統(tǒng)測試

本文以辣椒溫室大棚作為實驗對象，在溫室大棚中東北角、西南角和中心區(qū)域分別設(shè)置溫濕度傳感器，協(xié)調(diào)器和LCD顯示屏設(shè)置在溫室中心區(qū)域，搭建的網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)良好的自組網(wǎng)性，連續(xù)24 h整點時刻采集中心區(qū)域溫濕度傳感器所測的溫濕度數(shù)據(jù)（見圖6）。其中，溫室辣椒最佳生長溫度為20～30 ℃，最佳生長濕度為60%～70%。

溫室無線測控網(wǎng)絡(luò)可將溫室大棚的溫濕度控制在辣椒最佳生長環(huán)境下，在允許的誤差范圍內(nèi)，工作狀態(tài)良好，測試結(jié)果穩(wěn)定。用戶可在遠(yuǎn)程終端更改溫濕度的上下限，根據(jù)不同農(nóng)作物不同時期的生長需求更改溫濕度的上下限，及時監(jiān)控溫室大棚內(nèi)的溫濕度，并且還可查看大棚溫濕度歷史數(shù)據(jù)，以便對農(nóng)作物的生長條件進(jìn)行分析。

5" 結(jié)論

本文通過硬件電路設(shè)計及軟件編程，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室大棚溫濕度的實時監(jiān)控及預(yù)警。針對當(dāng)前溫室大棚數(shù)據(jù)傳輸基本上是一對一的在線監(jiān)測，本系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一對多在線監(jiān)控，采集溫室多點溫濕度信號，并且在LCD顯示屏上輪流顯示。能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度預(yù)警，當(dāng)采集的溫濕度超過預(yù)設(shè)值則點亮報警燈并觸發(fā)相應(yīng)的繼電器，控制加熱器、加濕器、風(fēng)機(jī)、天窗/遮幕、卷被等執(zhí)行設(shè)備，從而實現(xiàn)溫室大棚溫濕度調(diào)控。系統(tǒng)采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，測量精度較高、穩(wěn)定性好，單片機(jī)采用CC2530，片內(nèi)集成微處理機(jī)和射頻單元，具有不同的運(yùn)行模式且轉(zhuǎn)換時間短，進(jìn)一步確保了低能耗。基于ZigBee構(gòu)建的溫室無線測控網(wǎng)絡(luò)，減少了布線帶來的各種問題，具有結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，易移植且測量精度高、穩(wěn)定性好，能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化管理需求。

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（責(zé)任編輯：敬廷桃）