<p>劉忠超 ， 范偉強 ， 常有周 基于 ZigBee 的智能溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學 ， 2018， 46( 16) : 166 170doi: 1015889/j issn1002 1302201816042基于ZigBee的智能溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計劉忠超1， 2， 范偉強3， 常有周1( 1 南陽理工學院電子與電氣工程學院 ， 河南南陽 473004; 2 西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院 ， 陜西楊凌 712100;3 中國礦業(yè)大學 ( 北京 ) 機電與信息工程學院 ， 北京 100083)摘要 : 溫室環(huán)境中溫度 、濕度 、光照等環(huán)境因子是影響設(shè)施作物生產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵 。課題以 ZigBee 技術(shù)為核心 ， 選用 STM32F103 作為網(wǎng)關(guān)微控制器 ， 結(jié)合以太網(wǎng)通信技術(shù) ， 設(shè)計了一種智能溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng) 。系統(tǒng)中溫室傳感器采集的數(shù)據(jù)通過 ZigBee 組建的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)中 ， 并由網(wǎng)關(guān)控制液晶模塊就地顯示溫室狀態(tài) ， 同時利用 W5500 網(wǎng)絡(luò)模塊將溫室數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機 ， 并基于 PHP 開發(fā)了上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)了溫室的遠程監(jiān)控 。經(jīng)實際測試表明 ， 該系統(tǒng)布線簡單 、方便靈活 、實時性好 、能實現(xiàn)溫室環(huán)境的遠程無線監(jiān)控 。關(guān)鍵詞 : 智能溫室 ; ZigBee; 以太網(wǎng)通信 ; 上位機監(jiān)控 ; 監(jiān)控系統(tǒng) ; 系統(tǒng)測試中圖分類號 : S24; TP273 文獻標志碼 : A 文章編號 : 1002 1302( 2018) 16 0166 05收稿日期 : 2017 07 17基金項目 : 國家自然科學基金 ( 編號 : 61504072) 。作者簡介 : 劉忠超 ( 1979)， 男 ， 河南南陽人 ， 博士研究生 ， 副教授 ， 主要從事 農(nóng) 業(yè) 機 器 人 、智能化檢測與控制研究 。E mail:liuzhongchao2008 sina com。我國是人口大國 ， 人均耕地占有率排名較靠后 ， 占有世界近 22%人口的國家 ， 卻依靠著占世界近 7% 的耕地來生存著 1。此外 ， 我國耕地質(zhì)量呈下滑的趨勢 ， 這對糧食產(chǎn)量有著較大的影響 ， 提高單位面積糧食產(chǎn)量和擴大糧食種植面積是農(nóng)業(yè)發(fā)展迫在眉睫的要求 。溫室栽培改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式 。打破了植物生長的地域和時空界限 ， 推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會文明的發(fā)展 ?，F(xiàn)代溫室越來越廣泛地應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 ， 溫室生產(chǎn)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的標志 。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展 ， 特別是隨著農(nóng)業(yè)人口向城市轉(zhuǎn)移 ， 對農(nóng)業(yè)自動化的要求越來越高 ， 溫室技術(shù)也逐步向智能化方向發(fā)展 2。智能溫室能將溫度 、濕度 、光照度等環(huán)境量自動調(diào)節(jié)到農(nóng)作物生長所需要的范圍內(nèi) ， 從而可以不受自然環(huán)境的影響 ， 實現(xiàn)全年任何季節(jié)都能生產(chǎn)的需求 。傳統(tǒng)的溫室大多采用人工方式進行環(huán)境數(shù)據(jù)的測量 ， 費時費力 ， 在溫室面積較大時更是增加了勞動量 3。當采用有線的方式進行監(jiān)控時 ， 需要布設(shè)較多的線纜 ， 出現(xiàn)故障的可能性較大 ， 并且成本較高 ， 降低了溫室的效益 4。針對傳統(tǒng)溫室存在的問題 ， 課題借助 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)通信技術(shù)的優(yōu)勢 ， 設(shè)計了一種智能溫室無線監(jiān)控系統(tǒng) ， 利用傳感器自動采集溫室環(huán)境參數(shù) ， 實現(xiàn)對溫室環(huán)境的智能化監(jiān)控 。1 系統(tǒng)總體設(shè)計為了實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的遠程自動監(jiān)控 ， 系統(tǒng)主要由溫室終端環(huán)境因子采集系統(tǒng)和遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)組成 。終端通過溫濕度傳感器 、光照度傳感器采集環(huán)境因子 ， 并通過 ZigBee組建的網(wǎng)絡(luò)將溫室環(huán)境量上傳至協(xié)調(diào)器 ， 協(xié)調(diào)器和 STM32 控制器之間采用串口直連的方式進行數(shù)據(jù)間的雙向傳遞 ， 單片機在收到數(shù)據(jù)后會在液晶屏上進行環(huán)境數(shù)據(jù)的就地顯示及動態(tài)曲線的繪制 ， 同時通過網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)上傳到基于 WEB的上位機上 ， 上位機會對溫室內(nèi)的環(huán)境量進行實時顯示 。同時上位機開啟自動控制功能 ， 如果溫室內(nèi)溫濕度 、光照度高于或低于設(shè)定值 ， 則會自動發(fā)送相應(yīng)的命令給下位機 ， 終端會對收到的命令進行解析 ， 控制風扇 、加熱器 、除濕器 、風機的開和關(guān) ， 以此來實現(xiàn)溫室的智能調(diào)節(jié) 。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 1 所示 。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計21 微控制器選擇STM32 系列單片機是意法半導體公司推出的高性能 、低成本 、低功耗的嵌入式微處理器 ， 該芯片的配置非常強大 ， 片上資源 十 分 豐 富 。結(jié)合系統(tǒng)的功能需求 ， 系 統(tǒng) 選 用STM32F103ZET6 作為 ZigBee 網(wǎng)關(guān)的微控制器 ， 通過 2 路串口與協(xié)調(diào)器和電腦進行數(shù)據(jù)傳輸 ， 并借助 1 路 SPI 接口和網(wǎng)絡(luò)模塊相連 ， 實現(xiàn)與上位機之間的以太網(wǎng)通信 5。22 溫濕度傳感器電路設(shè)計系統(tǒng)選用 DHT11 傳感器來測量溫濕度 ， 該傳感器已經(jīng)對661 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2018 年第 46 卷第 16 期輸出的數(shù)字信號進行了校準 ， 可靠性與穩(wěn)定性極高 。傳感器采用單總線的串行通信方式 ， 使硬件連線變得簡單 ， 使用起來較為方便 6。DHT11 傳感器電路如圖 2 所示 。23 光照度傳感器電路設(shè)計光照度的測量通常簡便的方法是采用光敏電阻 。它是一種光照度與其阻值成反比的元器件 ， 在強光條件下 ， 光敏電阻的阻值僅有數(shù)百歐姆 ， 在暗光條件下 ， 它的阻值最大可達10 M。BH1750FVI 是一種采用 I2C 總線來進行通信的數(shù)字式光照度傳感器 ， 這種傳感器具有很高的分辨率 ， 能夠檢測的光照度變化范圍較大 ， 并且受紅外線 、溫度的影響很小 7。光照度檢測電路如圖 3 所示 。24 液晶顯示電路設(shè)計為了在現(xiàn)場實時監(jiān)控溫室里的溫濕度 、光照度等環(huán)境量 ，顯示界面必不可少 。常用的顯示方式有數(shù)碼管 、液晶屏和點陣等 。本系統(tǒng)要顯示的數(shù)據(jù)比較多 ， 數(shù)碼管只能顯示單一數(shù)字 ， 不能顯示出數(shù)據(jù)的變化趨勢 ， 而 TFT LCD 液晶屏不僅能顯示不同顏色的漢字和數(shù)字 ， 而且還能繪制出溫濕度 、光照度的變化曲線 ， 作為溫室監(jiān)控的顯示界面較為合適 8。系統(tǒng)采用尺寸為 32 英寸 、分辨率為 240 ×320 像素的液晶屏 ， 液晶顯示電路如圖 4 所示 。25 繼電器輸出電路設(shè)計智能溫室不僅需要實時監(jiān)視溫濕度 、光照度等環(huán)境量 ， 而且還需要對風扇 、加熱器 、除濕器 、風機等進行控制 。終端節(jié)點帶負載能力有限 ， 輸出信號不足以驅(qū)動這些大功率器件 ， 因此采用繼電器的方式來控制 9。選用松樂直流 5 V 繼電器 ，最大承受 10 A/30 V 的直流電 ， 能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求 。考慮到風機等大功率器件啟動時電流的影響 ， 加入光耦來對信號進行隔離 。繼電器輸出電路如圖 5 所示 。26 ZigBee 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計ZigBee 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵木褪蔷W(wǎng)絡(luò)模塊 。STM32 單片機一般有 2 種方式接入以太網(wǎng) : 即軟件 TCP/IP 協(xié)議棧和硬件 TCP/IP 協(xié)議棧的方式 。系統(tǒng)采用 W5500 以太網(wǎng)芯片來實現(xiàn)硬件協(xié)議棧方案 ， 采用硬件協(xié)議棧能減輕單片機處理的數(shù)761江蘇農(nóng)業(yè)科學 2018 年第 46 卷第 16 期據(jù)量 。W5500 是 Wiznet 公司設(shè)計的全硬件協(xié)議棧芯片 ， 具有超高的性價比 。在使用過程中 ， 不需要再植入軟件協(xié)議棧 ， 大大降低了代碼量 ， 同時具有較高的安全性 10。用 STM32 控制 W5500網(wǎng)絡(luò)模塊 ， 用 TCPClient的方式來接入互聯(lián)網(wǎng) 。W5500 硬件電路如圖 6 所示 。27 直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計系統(tǒng)中 ZigBee 芯片 、傳感器 、STM32 單片機工作電壓均為 33 V， 而單片機對電壓要求較高 ， 因此單獨采用穩(wěn)壓芯片為其供電 。選擇 2 節(jié)鋰電池串聯(lián)來為系統(tǒng)提供電能 ， 由于系統(tǒng)正常工作的電流不是太大 ， 選擇常用的 AMS1117 3 3 V線性穩(wěn)壓芯片來轉(zhuǎn)換成需要的電壓 11。AMS1117 3 3 V 電源電路如圖 7 所示 。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件系統(tǒng)包括兩大部分 : 第一部分是由 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的溫室數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng) ， 第二部分是以 ZigBee 網(wǎng)關(guān)為核心的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件系統(tǒng) 。數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)主要有ZigBee 組網(wǎng) 、無線通信 、傳感器采集 、I/O 輸出控制 4 個模塊組成 。數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件系統(tǒng)主要有 MCU、以太網(wǎng)通信 、LCD 顯示 、上位機監(jiān)控 4 個模塊組成 12。軟件系統(tǒng)總體框架如圖 8所示 。31 溫濕度程序設(shè)計終端節(jié)點上的 DHT11 溫濕度傳感器與 ZigBee 進行通信的方式為串行單總線 ， 通信 1 次的時間需要約 4 ms， 開始時主機發(fā)送 1 個下降沿啟動信號 ， 傳感器響應(yīng)該信號并從低功耗模式 變?yōu)楦咚倌Ｊ?。DHT11將在啟動信號結(jié)束后輸出一個861 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2018 年第 46 卷第 16 期響應(yīng)脈沖信號同時發(fā)送包含需要的 5 個字節(jié)的溫濕度數(shù)據(jù) ，完成一次信號采樣過程 13。讀出完整的一幀數(shù)據(jù)格式為 1個字節(jié)的濕度整數(shù) ， 1 個字節(jié)的濕度小數(shù) ， 1 個字節(jié)的溫度整數(shù) ， 1 個字節(jié)的溫度小數(shù) ， 最后 1 個字節(jié)是校驗和 。溫濕度程序流程如圖 9 所示 。32 光照度程序設(shè)計光照度程序流程如圖 10 所示 。33 網(wǎng)關(guān)主程序設(shè)計網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器之間以串行方式進行數(shù)據(jù)傳輸 ， 單片機每收到 1 字節(jié)的數(shù)據(jù)都會進入中斷進行判斷 、讀取 ， 直至完成 1幀數(shù)據(jù)的接收并將其放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 。單片機通過 W5500模塊將收到的 1 幀完整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)格式并發(fā)送到 WEB 上 ， 并在 LCD 上實時顯示數(shù)據(jù)及曲線 ， 實現(xiàn)了本地和遠程可以同時監(jiān)控溫室環(huán)境因子的功能 。網(wǎng)關(guān)主程序流程如圖 11 所示 。34 上位機監(jiān)控設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)需求 ， 溫室環(huán)境因子在上位機上以 WEB 的形式實時顯示數(shù)據(jù)和曲線 。PHP 是一種適合 WEB 開發(fā)的開源腳本語言 ， 因此采用 PHP 作為上位機的編程語言 。ZigBee 網(wǎng)關(guān)與上位機之間使用 TCP 協(xié)議進行通信 ， 網(wǎng)關(guān) TCP 通信用 C語言進行編程 ， 上位機 TCP 通信用 PHP 語言進行編程 ， 兩者編程語言不同 ， 網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為 TCP Client， 調(diào)用 Connect 函數(shù)接口 ， 上位機作為 TCP Server， 調(diào)用 Listen 函數(shù)接口 ， 通過調(diào)用Socket 提供的函數(shù)接口來實現(xiàn)兩者間的通信 。上位機登錄界面如圖 12 所示 。4 系統(tǒng)功能測試系統(tǒng)軟硬件測試完成后在南陽某溫室大棚放置 2 個終端節(jié)點對系統(tǒng)整體功能進行測試 。終端液晶屏就地顯示結(jié)果如圖 13 所示 ， 紅線代表溫度 ， 綠線代表濕度 ， 藍線代表光照度 ，在液晶屏上實時顯示了終端采集節(jié)點 1、2 的溫濕度和光照度 ， 并且改變溫濕度和光照度時曲線有相應(yīng)的變化 ， 能反映出961江蘇農(nóng)業(yè)科學 2018 年第 46 卷第 16 期變化的趨勢 。從系統(tǒng)整體測試結(jié)果來看 ， 液晶屏能準確反映出溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化趨勢 。通過遠端 WEB 頁面登錄上位機成功后可以查看不同時間的溫度 、濕度和光照度的變化趨勢 ， 溫度 、濕度曲線 、光照度曲線分別如圖 14 至圖 16 所示 。5 結(jié)論借助于 ZigBee 技術(shù) ， 網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心 ， 把溫室內(nèi)的環(huán)境因子無線發(fā)送到上位機 ， 實現(xiàn)了溫室的智能遠程監(jiān)控功能 ， 系統(tǒng)具有布線簡單 、結(jié)構(gòu)合理 、使用方便的特點 。利用 DHT11 溫濕度傳感器和 BH1750FVI 光照傳感器采集終端所在溫室的環(huán)境因子 ， 并實現(xiàn)了溫室環(huán)境因子的無線遠距離傳送 ?；?PHP 和以太網(wǎng)開發(fā)了溫室環(huán)境人機交互界面 ， 實現(xiàn)了能通過 Web 遠程監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù) 。參考文獻 : 1 孫婷婷 探討北方玉米機收農(nóng)機化技術(shù)的新亮點 J 農(nóng)民致富之友 ， 2016( 11): 212 2 劉永華 基于 PLC 與 WinCC 組態(tài)軟件的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計 J 農(nóng)業(yè)科技與裝備 ， 2014( 10): 20 22 3 彭改麗 物聯(lián)網(wǎng)在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究 D 鄭州 : 鄭州大學 ， 2012 4 周素茵 ， 章 云 ， 曾 斌 無線通信技術(shù)在我國現(xiàn)代溫室中的應(yīng)用綜述 J 傳感器與微系統(tǒng) ， 2012， 30( 12): 14 17 5 李俊斌 ， 胡永忠 基于 CC2530 的 ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計 J 電子設(shè)計工程 ， 2011( 16): 108 111 6 孟立凡 ， 藍金輝 傳感器原理與應(yīng)用 M 北京 : 電子工業(yè)出版社 ， 201112: 57 62 7 王 媛 基于 ZigBee 的雞舍光照監(jiān)測系統(tǒng)的研究 D 保定 : 河北農(nóng)業(yè)大學 ， 2013 8 楊 萍 ， 劉忠超 AV 單片機與 VAM 型彩色液晶模塊接口電路及驅(qū)動程序設(shè)計 J 化工自動化及儀表 ， 2010， 37( 9): 86 87 9 吳水平 溫室自動噴灌控制系統(tǒng)設(shè)計與研究 D 長沙 : 湖南農(nóng)業(yè)大學 ， 2008 10 王 琪 ， 王冬捷 基于 TCP/IP 協(xié)議棧的串口 網(wǎng)口轉(zhuǎn)換器設(shè)計 J 工業(yè)控制計算機 ， 2015( 11): 8 9 11 徐 艷 ， 邢麗坤 ， 牛秀玲 ， 等 一種基于 STM32 單片機的圖像信息采集系統(tǒng) : CN 206077602 U P 2017 12 黃偉鋒 ， 李加念 基于以太網(wǎng)的糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 J 農(nóng)機化研究 ， 2010( 9): 114 117 13 尹飛凰 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