第34卷 第6期 Vol 34 No 6 重慶理工大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué) JournalofChongqingUniversityofTechnology NaturalScience 2020年6月 Jun 2020 收稿日期 2019 03 15 基金項目 重慶市科委基礎(chǔ)與前沿研究一般項目 cstc2016jcyjA0497 重慶市雛鷹計劃項目 CY180904 重慶理工大 學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目 2018076 作者簡介 張?zhí)旌?男 工程師 主要從事智能儀器設(shè)計及精密測量技術(shù)研究 E mail zth doi 10 3969 j issn 1674 8425 z 2020 06 029 本文引用格式 張?zhí)旌?劉小楓 瞿寶華 等 基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 J 重慶理工大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué) 2020 34 6 200 204 Citationformat ZHANGTianheng LIUXiaofeng QUBaohua etal DesignonRemoteMonitoringandControlSystemforGreenhousebasedon ZigBee J JournalofChongqingUniversityofTechnology NaturalScience 2020 34 6 200 204 基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 張?zhí)旌?1 劉小楓 2 瞿寶華 1 賈彥平 3 1 重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 重慶 400054 2 重慶市清華中學(xué)信息中心 重慶 400054 3 蘭州財經(jīng)大學(xué)信息中心 蘭州 730020 摘 要 針對溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)多維信息的特點 采用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技 術(shù) 介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和軟硬件設(shè)計 闡述了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和多維信息傳輸過程 通 過ZigBee協(xié)調(diào)器 無線移動網(wǎng)絡(luò)WIFI和互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接 實現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程 實時交互和監(jiān)控 經(jīng)過實驗測試 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室大棚環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)控 為溫室大棚 環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了一種解決方案 關(guān) 鍵 詞 遠(yuǎn)程監(jiān)控 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò) 多維信息 數(shù)據(jù)獲取與分析 溫室環(huán)境 中圖分類號 TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674 8425 2020 06 0200 05 DesignonRemoteMonitoringandControlSystem forGreenhousebasedonZigBee ZHANGTianheng 1 LIUXiaofeng 2 QUBaohua 1 JIAYanping 3 1 EngineeringResearchCenterofMechanicalTestingTechnologyandEquipment MinistryofEducation ChongqingUniversityofTechnology Chongqing400054 China 2 ChongqingQinghuaHighSchool Chongqing400054 China 3 InformationCenterofLanzhouUniversityofFinanceandEconomics Lanzhou730020 China Abstract According to the characteristics of the greenhouse environment multidimensional information The wireless sensor network technology based on ZigBee were adopted The overall structure hardwareandsoftwaredesignofthe systemwere introduced The constructionofZigBee networkand the processofmultidimensionalinformationtransmissionwere described Through the seamlessconnectionoftheZigBeecoordinator thewirelessmobilenetworkWIFIandtheInternet theremotereal timeinteractionandmonitoringofthegreenhousesenvironmentaldataisrealized The experimental results show that the system can monitor the change of greenhouse environment parametersinrealtime whichprovidesaneffectivesolutionforremotemonitoringofthegreenhouse environmentinformation Keywords remotemonitoring ZigBeewirelesssensornetworks multidimensionalinformation data acquisitionandanalysis greenhouseenvironment 農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ) 隨著城鎮(zhèn)化的加快 實施 目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)面臨著勞動力老齡化 土地資 源約束 農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境壓力加劇等突出問題 1 傳統(tǒng)的溫室大棚依靠種植人員的經(jīng)驗進(jìn)行粗放式 管理方式 沒法達(dá)到溫室大棚的精準(zhǔn)管理 隨著 國家 互聯(lián)網(wǎng) 農(nóng)業(yè) 戰(zhàn)略的實施 積極推進(jìn)中國 農(nóng)業(yè)向智能時代邁進(jìn) 2 3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信 技術(shù)的發(fā)展 為智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了機(jī)遇 而農(nóng) 業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)通信技術(shù)成為智能農(nóng)業(yè)研究的重 點 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要包括GPRS WIFI 網(wǎng)絡(luò) 藍(lán)牙技術(shù) ZigBee 技術(shù)等傳輸方式 4 6 Antonio等通過GPRS通信模塊和傳感器實現(xiàn)農(nóng)田 信息的數(shù)據(jù)采集和傳輸 7 雖然GPRS傳輸距離 遠(yuǎn) 但需要通信費(fèi)用 Wi Fi通訊速率高 但功耗 高 適合易部署 固定點位的傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng) 藍(lán) 牙安全性高 不易受外界干擾 但功耗高 通訊距 離過短 所以適合短時近距離組網(wǎng) ZigBee由于功 耗 成本低 數(shù)據(jù)傳輸可靠 同時具有多跳 自組織 的特點 每個節(jié)點均可作為相鄰節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的 中轉(zhuǎn)站 因為ZigBee底層采用了直擴(kuò)技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)的 覆蓋范圍可以擴(kuò)展的很大 是理想的長距離 大范 圍傳感器組網(wǎng)方式 8 本設(shè)計采用ZigBee無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 構(gòu)建ZigBee的感知節(jié)點和執(zhí)行節(jié) 點 通過智能網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與手機(jī)和云端服務(wù)器的無 線通信與信息交換 實現(xiàn)對溫室大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控 1 系統(tǒng)總體設(shè)計 總體方案如圖1所示 應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)和云端服 務(wù)器技術(shù)實時收集和控制溫室大棚的環(huán)境信息 采用 ZigBee 無線傳輸技術(shù)構(gòu)建無線傳感網(wǎng) 絡(luò) 9 11 無線傳感網(wǎng)絡(luò)由4部分構(gòu)成 1 由2類傳感器構(gòu)成ZigBee節(jié)點 一是感知 層數(shù)據(jù)采集 實現(xiàn)溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的采集 如空 氣溫濕度 土壤的PH值 光照度傳感器等 二是執(zhí) 行類傳感器 如換氣扇傳感器 水泵傳感器 光源 傳感器等 2 ZigBee協(xié)調(diào)器 實現(xiàn)溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù) 的收發(fā) ZigBee傳感器節(jié)點獲取傳感器的環(huán)境數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理 通過ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送到智能網(wǎng)關(guān) 3 智能網(wǎng)關(guān) 使用STM32F107和CC2530F256 處理器作為智能網(wǎng)關(guān) 實現(xiàn)所有傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù) 采集 將多維信息傳送到云端服務(wù)器 監(jiān)控中心和 智能終端 4 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控 通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心或移 動終端實時監(jiān)控傳感器采集的數(shù)據(jù)信息 實現(xiàn)對 溫室大棚環(huán)境信息的實時監(jiān)控 ZigBee協(xié)調(diào)器接 收到智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制指令 然后發(fā)送給相應(yīng)的 ZigBee執(zhí)行器節(jié)點 從而控制執(zhí)行器節(jié)點上所接 開關(guān)的通斷 實現(xiàn)水泵 換氣扇 LED光源等設(shè)備 的開關(guān) 圖1 系統(tǒng)總體方案圖 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 2 1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計 傳感器節(jié)點由低功耗的無線微控制器 CC2530F256 電源模塊 信息采集模塊等部分組成 系統(tǒng)節(jié)點都采用模塊設(shè)計 體積小 功耗低 抗干擾 能力強(qiáng) 能夠建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和完整的ZigBee 解決方案 傳感器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示 1 0 2 張?zhí)旌?等 基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 圖2 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu) 為了方便優(yōu)化系統(tǒng) 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計 減 少外圍器件 同時滿足多傳感器節(jié)點硬件接口要 求 本系統(tǒng)采用TI公司片上系統(tǒng)CC2530F256 它 是一種低成本 低功耗的無線微控制器 具有256 kB的Flash閃存 內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU 是用 于2 4GHzIEEE802 15 4協(xié)議的RF射頻收發(fā)器 CC2530F256結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單 元ZigBee協(xié)議棧 Z Stack TM 最大可編程輸出功率 為4 5dBm 12 電源模塊包括 5V的電池組 5V 轉(zhuǎn)3 3V的電源轉(zhuǎn)換模塊MC33269T 3 3 為無線控 制器模塊以及信息采集模塊提供3 3V電壓 信息 采集與執(zhí)行模塊中 為了滿足多維信息的采集 系 統(tǒng)集成微型化 溫室大棚的溫濕度采集采用 DHT11傳感器 DHT11采用專用的溫濕度傳感技術(shù) 和數(shù)字模塊采集技術(shù) 13 15 溫度量程0 50 濕 度量程為19 89 它與CC2530F256通過單總線 串行通信 由5個字節(jié)組成數(shù)據(jù)格式 CO 2 傳感器模 塊 采用GMP343二氧化碳變送器 此模塊采用新型 紅外檢定技術(shù)進(jìn)行CO 2 濃度測量 反應(yīng)迅速靈敏 采用RS485通信 外殼防護(hù)等級高 能適應(yīng)現(xiàn)場各 種惡劣條件 光照度傳感器模塊 采用B LUX V30B 光照傳感器 體積小 安裝方便 線性度好 傳輸距 離長 抗干擾能力強(qiáng) 輸出信號為數(shù)字信號 量程為 0 20klx 精度為 2 當(dāng)光照傳感器B LUX V30B可以記錄環(huán)境光照度的數(shù)據(jù)并傳送給 CC2530F256 當(dāng)用戶選擇感光控制模式時 CC2530F256對所讀取的環(huán)境光照數(shù)值進(jìn)行判別 并 由此來決定所需開啟或光閉LED光源 2 2 智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件設(shè)計 本系統(tǒng)中智能網(wǎng)關(guān)承擔(dān)著遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和 ZigBee節(jié)點區(qū)域的信息交換任務(wù) 數(shù)據(jù)的處理 匯 聚和遠(yuǎn)程傳輸由智能網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)監(jiān)控 智能網(wǎng)關(guān)節(jié) 點硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示 網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)吞吐量 大 為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行 所以網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用 ST公司的32位處理器STM32F107無線網(wǎng)關(guān)核心 STM32F107處理器擁有128k字節(jié)的FLASH程序 存儲器和20kB的SRAM 7通道DMA控制器 3個 USART接口 2個I 2 C接口 2個12位A D轉(zhuǎn)換器 7個16位的Timer 以及CAN接口 16 由于在網(wǎng) 關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)量大 所以采用高集成度WIFI芯片 ESP8266 cloud2 該模塊是一款智能互聯(lián)模塊 通 過WIFI路由器與服務(wù)器端通訊 擁有高性能無線 SOC 具有一個完整且自成體系的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決 方案 性價比高 內(nèi)置資源豐富 內(nèi)置低功率32位 CPU GPIO TCP IP協(xié)議棧 UART I 2 C SPI等接 口 使用方便靈活 不僅能夠作為主控芯片獨立運(yùn) 行 也可以作為通信模塊搭載于主控芯片 從而幫 助主控芯片接入互聯(lián)網(wǎng) 17 圖3 智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu) 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3 1 節(jié)點控制軟件設(shè)計 多維信息傳輸?shù)某绦蛄鞒倘鐖D4所示 在完 成網(wǎng)絡(luò)連接并加入管理之后 協(xié)調(diào)器接收到終端 節(jié)點的多維信息 將這些多維數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送 智能網(wǎng)關(guān) 數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過WIFI發(fā)送到遠(yuǎn)程 監(jiān)控中心 程序流程圖如圖4所示 3 2 智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計 協(xié)調(diào)器控制程序流程如圖5所示 協(xié)調(diào)器主 要負(fù)責(zé)從WIFI模塊和RS485串口接收遠(yuǎn)程控制中 心命令 并將命令傳送到傳感器節(jié)點 初始化Zig Bee協(xié)調(diào)器和智能網(wǎng)關(guān) 傳感器節(jié)點首先會主動掃 描查找周圍網(wǎng)絡(luò)的信道 掃描到信道后 節(jié)點向協(xié) 2 0 2 重慶理工大學(xué)學(xué)報 調(diào)器提出連接請求 協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點的連接請求 后 根據(jù)具體情況決定是否允許其連接 然后對請 求連接的節(jié)點做出響應(yīng) 節(jié)點與協(xié)調(diào)器連接好以 后 才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送 18 20 協(xié)調(diào)器將 接收到的數(shù)據(jù)信息分析整理后 通過智能網(wǎng)關(guān)傳回 遠(yuǎn)程控制中心 從而控制ZigBee執(zhí)行器節(jié)點 圖4 節(jié)點控制程序流程 圖5 協(xié)調(diào)器控制程序流程圖 3 3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)最終要傳輸?shù)?遠(yuǎn)程監(jiān)控中心 采用WIFI技術(shù)來滿足遠(yuǎn)程傳輸?shù)?要求 在實際應(yīng)用中 WIFI模塊和無線傳感網(wǎng)絡(luò) 的協(xié)調(diào)器通過串口連接 WIFI起到了橋梁的作 用 協(xié)調(diào)器從傳感器節(jié)點接收到的采集數(shù)據(jù)通過 WIFI模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心 同時監(jiān)控中心的 命令也通過WIFI模塊傳給無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào) 器 完成協(xié)調(diào)器與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間的信息交互 監(jiān)控中心一方面是對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān) 測 另一方面對系統(tǒng)異常進(jìn)行報警與控制 主要 由傳感器節(jié)點的參數(shù)設(shè)置 多維數(shù)據(jù)顯示 實時曲 線的顯示 遠(yuǎn)程實時監(jiān)控設(shè)置 云端數(shù)據(jù)庫 歷史 數(shù)據(jù) 報警設(shè)置與管理這幾個部分構(gòu)成 遠(yuǎn)程監(jiān) 控中心軟件功能框圖如圖6所示 圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件功能 4 系統(tǒng)測試與分析 整個系統(tǒng)選擇在永川郊區(qū)的園藝花卉大棚測 試 選擇塑料大棚40m 20m 溫室內(nèi)種植觀賞性 郁金香 通過在大棚中放置傳感器節(jié)點 協(xié)調(diào)器 無線網(wǎng)關(guān)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò) 實時采集多維環(huán)境 信息 并發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心存儲 決策與顯示 其中 安放傳感器節(jié)點40個 協(xié)調(diào)器節(jié)點1個 郁金香最佳生長溫度為15 18 生根5 花 芽分化17 23 為了檢驗測試性能 在試驗中 人為的對傳感器進(jìn)行加熱 當(dāng)檢測結(jié)果超過設(shè)定 溫度閥值時 則紅色顯示參數(shù)以及節(jié)點號 ZigBee 溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如圖7所示 測試結(jié)果表 明 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室大棚的溫濕度 光照強(qiáng)度 等的實時監(jiān)測 系統(tǒng)性能滿足溫室大棚多維信息 的實時監(jiān)測要求 系統(tǒng)測試界面如圖7所示 圖7 ZigBee溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)測試 3 0 2 張?zhí)旌?等 基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 5 結(jié)束語 本文設(shè)計的基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程 監(jiān)控系統(tǒng) 通過感知節(jié)點采集溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù) 的多維信息 在云端數(shù)據(jù)庫可以保存多維信息 并 實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享 在遠(yuǎn)程客戶端 通過手機(jī)或者 監(jiān)控中心設(shè)置控制執(zhí)行器節(jié)點 系統(tǒng)按照模塊化 設(shè)計感知層節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點 便于系統(tǒng)的擴(kuò)展 對智能農(nóng)業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義 參考文獻(xiàn) 1 何華斌 福建農(nóng)業(yè)大棚的低成本棚聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方案 J 閩江學(xué)院學(xué)報 2014 5 81 87 2 劉培學(xué) 陳玉杰 姜寶華 等 基于ZigBee技術(shù)的可組 網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 J 現(xiàn)代電子技術(shù) 2017 40 21 19 21 3 任堂正 楊俊杰 樓志斌 等 基于ZigBee的覆冰區(qū)桿 塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 J 電測與儀表 2016 53 23 122 128 4 李瑋瑤 王建璽 王巍 基于ZigBee的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān) 控系統(tǒng)設(shè)計 J 現(xiàn)代電子技術(shù) 2015 38 12 51 54 5 王飛 程建平 瞿少成 基于ZigBee路由算法的智能小 區(qū)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) J 電子測量技術(shù) 2017 40 1 6 12 6 秦懷斌 李道亮 郭理 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù) 應(yīng)用進(jìn)展 J 農(nóng)機(jī)化研究 2014 4 246 248 7 ANTONIOJ GARCIAS FELIPEGS etal Wireless sensornetworkdeploymentforintegratingvideo surveil lanceand data monitoring in precision agriculture over distributedcrops J ComputersandElectronicsinAgri culture 2011 75 2 288 303 8 楊信廷 吳滔 孫傳恒 等 基于WMSN的作物環(huán)境與 長勢遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 2013 44 1 167 173 9 張鵬 張櫻凡 倪俊超 等 基于LPC1768的智能澆花 機(jī)器人設(shè)計 J 自動化與儀器儀表 2015 3 1 86 90 10 廖建尚 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方 法 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2016 32 11 233 243 11 張新 陳蘭生 趙俊 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)大棚 設(shè)計與應(yīng)用 J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 2015 36 5 90 95 12 XUZY LOUBD SHAOGC Anintelligentirrigation systemforgreenhousejonquilbasedonZigBeewireless sensornetworks J Internet ofThings 2012 312 200 207 13 LIN Q JIAN Z XU M et al Developing WSN based traceability system for recirculation aquaculture J Mathematicaland Computer Modelling 2011 53 11 2162 2172 14 周新淳 張瞳 呂宏強(qiáng) 基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)化智慧農(nóng)業(yè) 大棚系統(tǒng)設(shè)計 J 國外電子測量技術(shù) 2016 35 12 44 187 15 SONGGL WANGMH YINGX etal Theapplication 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