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【摘要】设计了一个基于Zigbee协议的温室远程监控系统，利用物联网及分布式传感器网络将温室内的环境参数进行采集、存储、处理、传输和输出，根据数据显示远程控制温室环境。本系统实现无人值守，具有低成本、实时和便捷性的特点。
【关键词】传感器；ZigBee；远程监控
1.引言
农业是国家的经济命脉，原始的劳动生产手段、落后的劳动生产力及低下的劳动生产率已不能满足当今社会的需求，提高农业劳动生产率的重要方法之一就是实现农业生产的智能化和信息化。农产品及各种水产养殖品的成活质量与它们赖以生存的环境之间有着密切的关系。而温室的主要作用就是能够在一年四季都提供给作物以他们所必需的生长环境，温室控制的首要任务是采集作物生长环境的参数，国内目前绝大多数采用的是人工实地测试，一天多次或者几天一次的读取温室里的测量仪，这样不仅耗费不必要的人力物力损耗，还不能实时的监测温室内变化，更不能智能化的自动打开相应设备来调控参数，无法进一步实现温室作物的质量和产量的提高。无线传感器网络在农业生产中的应用将这一难题变为可能，它可以有效的监测温室内各个角度的参数，并且将数据实时反馈给数据中心，数据中心根据已经定义好的规则库，按作物的不同生长阶段由专家系统识别判断参数的合法性，从而向控制节点发送指令，控制各个调控设备协同工作。最大程度上的在第一时间保护农作物不被环境所影响，从而提高作物产量。
2.系统分析
2.1 系统的基本功能
该系统研究一种基于Zigbee技术的温室远程监控系统，在温室远程监控系统的设计中，采用Zigbee模块与传感器模块组成无线传感器节点，对所覆盖环境中的温度、湿度等参数进行实时采集并传至终端节点Zigbee，通过无线传输给中心节点Zigbee，然后数据就可以在设计好的上位机上显示大棚里的环境参数，由监控中心对温室环境进行评估与分析，并根据检测到的温室环境发出提示信息，发出命令，实现控制。同时信息还会同步到手机客户端，实时实地，方便查询温室作物生长情况，并发出命令。
2.2 基本组成
该系统由监测系统和控制系统组成。其中，监测系统由Zigbee通信子网和远程监测终端构成。控制系统由控制单元和Zigbee通讯模块构成。如图1所示：
2.3 基本框架
该系统的具体构成及各部分模块的框图如图2所示。
3.系统实现
3.1 硬件实现
3.1.1 电源模块
由于此系统包含多个模块，而每个模块需要不同电压值的电源供电，且为了提高系统的实用性及达到长期供电的目的，电源模块是必不可少的。在这个模块里，通过变压器，将220v电压转成9v交流电压，然后经过整流，稳压，就可以得到直流6v电压，再用二极管降压就可以得到系统需要的各种电压。系统电源模块原理如图3所示。
3.1.2 单片机模块
单片机系统核心采用STC12C5A60S2单片机，该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。片上集成1280字节RAM，在系统可编程，无需专用编程器。
3.1.3 传感器模块
1）温湿度传感器采用DHT11，DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，无需A/D准换，可直接连接单片机I/O口。采用单总线数据格式，一次传送40位数据，高位先出。
数据格式：
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验位。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
2）光照传感器采用GY-30模块，其内部传感器模块为BH1750FVI，数字输出，无需A/D转换，并且带有工业标准的IIC总线数字输出接口，无需任何外部器件，对红外线的影响很小。
3）二氧化碳传感器采用MG811，该传感器具有以下特点：对二氧化碳有很高的灵敏度和良好的选择性；具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；快速的响应恢复特性；自带温度补偿输出；输出模拟信号。
4）土壤湿度传感器模块主要芯片为运放、湿度感应探头，具有信号输出指示灯，低电平有效输出指示灯亮；带TTL高/低电平信号和模拟信号输出；湿度感应灵敏度可通过电位器调节；输出模拟信号。
传感器模块的关键技术：在这个部分的设计上，体现出传感器数据采集的通用性，在一片单片机芯片上，充分利用它的I/O口，作为传感器的数据输入，可同时采集多块传感器的数据，而这些传感器可以是同一种，也可以是不同种类，只需在程序里稍作修改，在具体实际应用中，可以即插即用，实现了本系统的通用性。
单片机数据采集的通用性结构如图4所示。
3.1.4 485通讯协议模块
针对目前温室面积增大，需要挂接的传感器种类和数量不断增多。温室内监控装置布线困难，以及由此引起的传输线过长、信号在传输过程中衰减严重的情况。系统采用RS-485总线多级分布式结构，只需要一个Zigbee作为终端，每个温室区域都有各自的ID地址，这样在PC机上我们就可以清楚地看到不同温室的环境参数情况。因此，避免了信号因长距离传输引起的损耗，简化系统布线同时便于系统扩展，框架图如图5所示：
3.1.5 Zigbee无线组网传输模块 Zigbee技术是一种新型的具有统一技术指标的应用于短距离范围内、低速率传输的无线通信技术，其具有功耗低、成本低、数据传输可靠、网络容量大等特点。Zigbee的基础是IEEE802.15.4技术标准，通过这个标准协议，众多传感器之间可以进行协调通信，同时这些传感器的功耗很低，各个传感器间进行可以以接力的方式传输数据。由于ZigBee应用的低带宽要求，ZigBee节点可以在大部分时间内睡眠以节省电池能量，唤醒后可以在15ms内由睡眠模式进入活动模式，迅速发送数据，发完数据后再进入睡眠模式，从而达到在低功耗下的高性能。
本文中无线传感器网络采用星型拓扑结构，以Zigbee作为路由节点，对经过MCU处理的数据进行简单、有效融合，然后转发数据。充分利用Zigbee无线数据接收技术，简单，高效。
3.1.6 反控制模块
反馈控制模块控制着内遮阳膜，外遮阳棚、加热暖风机、风扇、补光灯、降温湿帘等设备。它们通过接收到的命令执行相应操作。正常工作时，PC机接收到传感器发送的数据，并将其与标定值比较，实现反馈控制。当超过设定的范围时，外遮阳棚、加热暖风机、风扇、补光灯等相应设备的电源自动接通或断开。从而实现温室内环境的稳定，使温室的环境参数始终保持在适合花卉生长的最佳状态，因此能提高花卉的质量和经济效益。反控制模块组成如图6所示。
3.2 软件实现
3.2.1 环境监测模块软件设计
环境监测模块软件流程的主要内容包括上电初始化、搜寻加入网络、数据采集等。初始化程序主要是对CC2430、UART串口、协议栈、LCD等进行初始化，发送程序将所采集的数据通过CC2430调制并通过DMA直接送至射频输出，接收程序完成数据的接收、显示，并返回相关处理。信息运行步骤为：首先上电初始化，然后搜索网络，网关识别传感器的ID后允许其加入网络，并对其传送的数据进行接收，具体流程图如图7所示：
3.2.2 反馈控制模块软件设计
反馈控制模块软件主要实现对降温、遮光等调控设备的控制，具有按指令控制设备的功能，也可以人工独立控制。在软件设计上，在没有收到网关发送的调控指令时，按照既定的程序执行，当收到控制指令则转入调控服务程序。
4.系统测试
4.1 数据采集及计算机控制
经过详细检测，模拟温室里各参数的数据能准确传输并显示到PC机上，能很清楚的看出温湿度，光照强度，土壤湿度，二氧化碳等环境参数的变化曲线，且通过网络，能够正确发送到手机上，方便实时查询。
4.2 反馈控制情况
当环境参数高于设定范围时，单片机能自动带动风扇，帘幕，加热器等控制模块的运行，让温室环境参数保持在标准范围之内，同时电脑上也会发出警告，当我们需要认为对温室进行控制时，我们也可以通过电脑或手机发出指令，通过无线传给单片机，实行实时控制。
5.结束语
在我国的农业生长技术中，大部分是人工检测与控制，无论在效率，还是在精度方面，都不能达到很好的效果。本文提出的基于Zigbee的智能大棚远程监控系统可以智能检测温室大棚里的环境参数，并按区内要素的空间变量数据精确设定最佳施肥、灌溉、光照控制、加湿等多种农事操作，使传统的粗放生产变为精细农作，从而可以显著提高水、肥等的利用效率。与传统的温室相比，智慧大棚，除了能够保证棚内花卉的高质量外，还能够对温室环境的控制来调整高档花卉的长势，使得这些花卉能够提前或者滞后进入花期，从而使得花卉提前上市，并延长上市的时间从而获得更高的经济效益。利用无线传感器网络的分布式特点，大幅度提高了系统在移动性、便捷性、组网灵活性等方面的综合功能，在农业领域的应用会有很好的发展前景。
参考文献
[1]李立扬，王华斌，白凤山.基于Zigbee和GPRS网络的温室大棚无线监测系统设计[J].计算机测量与控制，2012，20（12）：3148.
[2]赵新宇，胡建成，杨九如.实用稳压电源电路设计[J].自动化技术与应用，2011，30（2）：108-109.
[3]梁春英，孙裔鑫，王熙.基于RS-485总线的分布式温室环境温湿度监测系统设计[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2010：238.
[4]孙巍，陈桂芬.基于ZigBee的无线土壤温、湿度监测系统的设计与实现[J].农业网络信息，2012（4）：9-10.
[5]李理，刘柯歧.基于Zigbee的粮仓分布式传感器网络[J].网络与信息技术，2008，27（9）：63.
[6]RAJEEV S，ANANDA.Mobile，Wireless and Sensor Networks[M].John Wiley&Sons.lnc，USA，2006.
[7]余华芳，吴志东，林智涛.蔬菜温室大棚温湿度控制系统[J].安徽农业科学，2011，39（28）：17601.
[8]王戈，张效义.可用于环境监测的无线传感器网络节点的设计[J].传感器与微系统，2007，26（10）：117-120.
[9]刘子京，裴文江.基于ZigBee协议的无线传感器网络研究[J].计算机技术与发展，2009，19（5）：192-194.
作者简介：张正华，扬州大学信息工程学院副教授，硕士生导师，研究方向：实时信号处理。
【关键词】传感器；ZigBee；远程监控
1.引言
农业是国家的经济命脉，原始的劳动生产手段、落后的劳动生产力及低下的劳动生产率已不能满足当今社会的需求，提高农业劳动生产率的重要方法之一就是实现农业生产的智能化和信息化。农产品及各种水产养殖品的成活质量与它们赖以生存的环境之间有着密切的关系。而温室的主要作用就是能够在一年四季都提供给作物以他们所必需的生长环境，温室控制的首要任务是采集作物生长环境的参数，国内目前绝大多数采用的是人工实地测试，一天多次或者几天一次的读取温室里的测量仪，这样不仅耗费不必要的人力物力损耗，还不能实时的监测温室内变化，更不能智能化的自动打开相应设备来调控参数，无法进一步实现温室作物的质量和产量的提高。无线传感器网络在农业生产中的应用将这一难题变为可能，它可以有效的监测温室内各个角度的参数，并且将数据实时反馈给数据中心，数据中心根据已经定义好的规则库，按作物的不同生长阶段由专家系统识别判断参数的合法性，从而向控制节点发送指令，控制各个调控设备协同工作。最大程度上的在第一时间保护农作物不被环境所影响，从而提高作物产量。
2.系统分析
2.1 系统的基本功能
该系统研究一种基于Zigbee技术的温室远程监控系统，在温室远程监控系统的设计中，采用Zigbee模块与传感器模块组成无线传感器节点，对所覆盖环境中的温度、湿度等参数进行实时采集并传至终端节点Zigbee，通过无线传输给中心节点Zigbee，然后数据就可以在设计好的上位机上显示大棚里的环境参数，由监控中心对温室环境进行评估与分析，并根据检测到的温室环境发出提示信息，发出命令，实现控制。同时信息还会同步到手机客户端，实时实地，方便查询温室作物生长情况，并发出命令。
2.2 基本组成
该系统由监测系统和控制系统组成。其中，监测系统由Zigbee通信子网和远程监测终端构成。控制系统由控制单元和Zigbee通讯模块构成。如图1所示：
2.3 基本框架
该系统的具体构成及各部分模块的框图如图2所示。
3.系统实现
3.1 硬件实现
3.1.1 电源模块
由于此系统包含多个模块，而每个模块需要不同电压值的电源供电，且为了提高系统的实用性及达到长期供电的目的，电源模块是必不可少的。在这个模块里，通过变压器，将220v电压转成9v交流电压，然后经过整流，稳压，就可以得到直流6v电压，再用二极管降压就可以得到系统需要的各种电压。系统电源模块原理如图3所示。
3.1.2 单片机模块
单片机系统核心采用STC12C5A60S2单片机，该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。片上集成1280字节RAM，在系统可编程，无需专用编程器。
3.1.3 传感器模块
1）温湿度传感器采用DHT11，DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，无需A/D准换，可直接连接单片机I/O口。采用单总线数据格式，一次传送40位数据，高位先出。
数据格式：
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验位。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
2）光照传感器采用GY-30模块，其内部传感器模块为BH1750FVI，数字输出，无需A/D转换，并且带有工业标准的IIC总线数字输出接口，无需任何外部器件，对红外线的影响很小。
3）二氧化碳传感器采用MG811，该传感器具有以下特点：对二氧化碳有很高的灵敏度和良好的选择性；具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；快速的响应恢复特性；自带温度补偿输出；输出模拟信号。
4）土壤湿度传感器模块主要芯片为运放、湿度感应探头，具有信号输出指示灯，低电平有效输出指示灯亮；带TTL高/低电平信号和模拟信号输出；湿度感应灵敏度可通过电位器调节；输出模拟信号。
传感器模块的关键技术：在这个部分的设计上，体现出传感器数据采集的通用性，在一片单片机芯片上，充分利用它的I/O口，作为传感器的数据输入，可同时采集多块传感器的数据，而这些传感器可以是同一种，也可以是不同种类，只需在程序里稍作修改，在具体实际应用中，可以即插即用，实现了本系统的通用性。
单片机数据采集的通用性结构如图4所示。
3.1.4 485通讯协议模块
针对目前温室面积增大，需要挂接的传感器种类和数量不断增多。温室内监控装置布线困难，以及由此引起的传输线过长、信号在传输过程中衰减严重的情况。系统采用RS-485总线多级分布式结构，只需要一个Zigbee作为终端，每个温室区域都有各自的ID地址，这样在PC机上我们就可以清楚地看到不同温室的环境参数情况。因此，避免了信号因长距离传输引起的损耗，简化系统布线同时便于系统扩展，框架图如图5所示：
3.1.5 Zigbee无线组网传输模块 Zigbee技术是一种新型的具有统一技术指标的应用于短距离范围内、低速率传输的无线通信技术，其具有功耗低、成本低、数据传输可靠、网络容量大等特点。Zigbee的基础是IEEE802.15.4技术标准，通过这个标准协议，众多传感器之间可以进行协调通信，同时这些传感器的功耗很低，各个传感器间进行可以以接力的方式传输数据。由于ZigBee应用的低带宽要求，ZigBee节点可以在大部分时间内睡眠以节省电池能量，唤醒后可以在15ms内由睡眠模式进入活动模式，迅速发送数据，发完数据后再进入睡眠模式，从而达到在低功耗下的高性能。
本文中无线传感器网络采用星型拓扑结构，以Zigbee作为路由节点，对经过MCU处理的数据进行简单、有效融合，然后转发数据。充分利用Zigbee无线数据接收技术，简单，高效。
3.1.6 反控制模块
反馈控制模块控制着内遮阳膜，外遮阳棚、加热暖风机、风扇、补光灯、降温湿帘等设备。它们通过接收到的命令执行相应操作。正常工作时，PC机接收到传感器发送的数据，并将其与标定值比较，实现反馈控制。当超过设定的范围时，外遮阳棚、加热暖风机、风扇、补光灯等相应设备的电源自动接通或断开。从而实现温室内环境的稳定，使温室的环境参数始终保持在适合花卉生长的最佳状态，因此能提高花卉的质量和经济效益。反控制模块组成如图6所示。
3.2 软件实现
3.2.1 环境监测模块软件设计
环境监测模块软件流程的主要内容包括上电初始化、搜寻加入网络、数据采集等。初始化程序主要是对CC2430、UART串口、协议栈、LCD等进行初始化，发送程序将所采集的数据通过CC2430调制并通过DMA直接送至射频输出，接收程序完成数据的接收、显示，并返回相关处理。信息运行步骤为：首先上电初始化，然后搜索网络，网关识别传感器的ID后允许其加入网络，并对其传送的数据进行接收，具体流程图如图7所示：
3.2.2 反馈控制模块软件设计
反馈控制模块软件主要实现对降温、遮光等调控设备的控制，具有按指令控制设备的功能，也可以人工独立控制。在软件设计上，在没有收到网关发送的调控指令时，按照既定的程序执行，当收到控制指令则转入调控服务程序。
4.系统测试
4.1 数据采集及计算机控制
经过详细检测，模拟温室里各参数的数据能准确传输并显示到PC机上，能很清楚的看出温湿度，光照强度，土壤湿度，二氧化碳等环境参数的变化曲线，且通过网络，能够正确发送到手机上，方便实时查询。
4.2 反馈控制情况
当环境参数高于设定范围时，单片机能自动带动风扇，帘幕，加热器等控制模块的运行，让温室环境参数保持在标准范围之内，同时电脑上也会发出警告，当我们需要认为对温室进行控制时，我们也可以通过电脑或手机发出指令，通过无线传给单片机，实行实时控制。
5.结束语
在我国的农业生长技术中，大部分是人工检测与控制，无论在效率，还是在精度方面，都不能达到很好的效果。本文提出的基于Zigbee的智能大棚远程监控系统可以智能检测温室大棚里的环境参数，并按区内要素的空间变量数据精确设定最佳施肥、灌溉、光照控制、加湿等多种农事操作，使传统的粗放生产变为精细农作，从而可以显著提高水、肥等的利用效率。与传统的温室相比，智慧大棚，除了能够保证棚内花卉的高质量外，还能够对温室环境的控制来调整高档花卉的长势，使得这些花卉能够提前或者滞后进入花期，从而使得花卉提前上市，并延长上市的时间从而获得更高的经济效益。利用无线传感器网络的分布式特点，大幅度提高了系统在移动性、便捷性、组网灵活性等方面的综合功能，在农业领域的应用会有很好的发展前景。
参考文献
[1]李立扬，王华斌，白凤山.基于Zigbee和GPRS网络的温室大棚无线监测系统设计[J].计算机测量与控制，2012，20（12）：3148.
[2]赵新宇，胡建成，杨九如.实用稳压电源电路设计[J].自动化技术与应用，2011，30（2）：108-109.
[3]梁春英，孙裔鑫，王熙.基于RS-485总线的分布式温室环境温湿度监测系统设计[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2010：238.
[4]孙巍，陈桂芬.基于ZigBee的无线土壤温、湿度监测系统的设计与实现[J].农业网络信息，2012（4）：9-10.
[5]李理，刘柯歧.基于Zigbee的粮仓分布式传感器网络[J].网络与信息技术，2008，27（9）：63.
[6]RAJEEV S，ANANDA.Mobile，Wireless and Sensor Networks[M].John Wiley&Sons.lnc，USA，2006.
[7]余华芳，吴志东，林智涛.蔬菜温室大棚温湿度控制系统[J].安徽农业科学，2011，39（28）：17601.
[8]王戈，张效义.可用于环境监测的无线传感器网络节点的设计[J].传感器与微系统，2007，26（10）：117-120.
[9]刘子京，裴文江.基于ZigBee协议的无线传感器网络研究[J].计算机技术与发展，2009，19（5）：192-194.
作者简介：张正华，扬州大学信息工程学院副教授，硕士生导师，研究方向：实时信号处理。