基于ZigBee技术的温室环境监控系统相关研究

毛弋

摘 要：要保证农作物在温室里健康的生长就必须将影响它们生长的环境因素给排除，温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等因素影响着农作物的生长。本文通过对比国内外温室环境监控系统，着重研究利用ZigBee技术实现对温室环境信息实时监控的系统，系统以传感器节点、通信软件和监控系统软件实现系统的数据采集、数据传输层、数据处理层和信息发布。

关键词：ZigBee；环境因素；传感器

1 国内外现状分析

在农作物生长过程中，空气中的温度、湿度、光照强弱及环境温度和湿度、二氧化碳浓度等环境因素影响着农作物的生长和生产量，因此控制这些因素需要提取空气和环境中含有这些因素的数值，才能精确的和有效的控制空气和环境中这些环境因素，从而保证农作物在正常的环境下生长及提高农作物的产量。在旧的农业生长过程中，这些因素主要靠目测和经验等这些手段来检验，缺少正真的数据，这些因素大大限制了农业的发展，还影响农作物的生长质量，使我国的农业生产长期处于低水平层次。

1.1 国内现状

目前温室环境控制系统主要针对温度和湿度控制进行研究：有采用模糊控制方法，通过建立模糊控制系统模型和对模糊控制器的设计，引入解藕参数，实现系统的温湿度解耦控制，提高了温湿度控制的精度；有针对温室气候控制方法中温湿度之间的耦合作用，提出以温度控制为主、湿度控制为辅的控制策略，并建立两变量输入、三变量输出的控制主回路和补偿回路模糊控制系统，从而为温湿度控制提供了一种行之有效的方法；有采用逆系统方法对温室环境非线性系统进行了解耦和线性化，同时对随机的扰动进行补偿，采用PDF控制算法和Smith预估补偿对线性化后的系统进行了综合校正，在选择校正后闭环系统的参数时考虑了非线性系统解耦的要求；有通过对历史温室环境数据的合理分析，将温室的温度控制模型近似为一阶惯性加时滞环节；有基于该温度近似模型，采用时间为权误差积分指标最优的参数，自整定公式来整定PID控制器参数，将整定后的PID控制器应用于温室控制；有通过数据挖掘，利用采集的温室内、外温度及室内湿度数据对温室状态进行分类，提出一种基于各类别中的温室温、湿度变化率相关性进行模糊解耦控制；有考虑开关设备组合作用下温室测控系统的非线性动态特性，提出结构简单、不需复杂数值计算的离散预测模型，对设备组合进行滚动优化预测控制，大大简化温室测控系统预测控制算法的复杂性，缓解了测控系统分布大时滞问题。

1.2 国外现状

国外的温室环境起步较早，温室环境控制经过多年的发展，控制性，提出结构简单、不需复杂数值计算的离散预测模型，对设备组合进行滚动优化预测控制，大大简化温室测控系统预测控制算法的复杂性，缓解了测控系统分布大时滞问题。随着用于温室环境控制的作物模型的研究，研究人员将温室物理模型和作物模型结合起来，以实现温室的高效生产：有进行模拟研究确定温室二氧化碳施肥的优化措施，其方法是在建立一系列函数（作物生长函数、温室函数、设备函数及成本函数）之后，进行数值寻优得到不同温光水平下最优的二氧化碳施肥量，并给出一系列图表用于指导实际二氧化碳施肥操作管理；有利用作物的光合作用和蒸腾作用进行温室内短期的优化与控制，利用有效积温的原理进行温室的长期的优化与控制，将短期优化和长期优化相结合，实现了以经济最优为目标的温室环境控制；有利用作物的光辐射吸收、叶片的光合作用和呼吸作用预测模型建立了温室环境控制系统，根据自然光照来控制温室内的温度，系统在节省能源和由于光照减弱而导致的作物产量降低之间取得了很好的平衡。国外进行温室环境监控时，已经考虑到农作物与环境的相互作用机制，同时考虑到作物动态响应与环境动态响应的时间尺度不一致。

2 ZigBee协议简介

2.1 技术说明

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一個无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

2.2 技术特点

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有低功耗、成本低、时延短、网络容量大、可靠性高、安全性强等特点。

3 基于ZigBee的温室环境监控系统研究

3.1 研究概述

本文利用ZigBee技术，研究设计温室环境监控系统。本设计包含传感器采集节点，继电器节点和协调器节点。采集节点能够实时精确采集农作物生长环境中的空气温度、空气湿度、光照强度、环境温度、环境湿度、环境中的二氧化碳浓度等环境要素，通过无线网络将数据发送至服务器存储、分析。通过无线通信模块完成网络的加入及退出、传感器数值的上传及各种命令的接收等工作；通过数据采集模块完成各种传感器数据的采集及数据的封包等工作；通过人机交互模块完成用户操作的输入及系统各种信息的输出等工作；通过电源监控及控制模块，实现系统供电电源电量的监控及传感器电源的控制；通过系统配置模块，实现用户远程对本节点某些参数的配置功能。协调器节点，可上行发送所控制设备的运行状态信息给数据汇集节点，也可接收协调器节点下行发来的控制命令开启或关闭相应设备。

3.2 设计思路

无线传感器网络终端节点主要由传感器模块、继电器模块、协调器模块和电源管理模块组成，传感器模块负责通过各种类型的传感器采集物理信息；继电器模块负责协调器发送来的命令来控制设备；协调器模块负责与其他节点进行无线通信，它通過ZigBee无线组网功能将数据传送到路由节点或主协调器节点，路由节点再将数据转送到主协调器节点或经过上级路由节点转给主协调器节点，主协调器节点通过RS232串口将所有信息汇集传至PC机或服务器。本系统的模型主要分为四块：温湿度的数据采集节点、负责从节点接收数据并向主机发送数据的系统节点、主机（服务器）以及控制设备的节点。该系统的总体架构图如图1-1所示：

该系统由上位机（PC）监控端和下位机ZigBee网络两部分组成。下位机ZigBee网络系统负责采集温室温室内的温湿度数据，上位机负责显示温湿度数据并进行实时监控。下位机ZigBee网络系统由温湿度传感器模块、路由器模块和协调器模块组成。温湿度传感器模块主要负责采集、存储和上传温湿度信息。路由器模块主要负责转发温湿度信息。协调器模块主要完成温湿度数据的汇聚。下位机ZigBee网络系统和上位机之间通过RS-232串口进行通信。当监控温室温湿度信息时，首先通过上位机端监控软件，设置好波特率和串口号等参数，然后协调器开始组建ZigBee网络，此时路由器节点和温湿度传感器节点开始加入ZigBee网络。分布在各个温室内的温湿度传感模块开始采集温湿度信息，并存储在Flash中，通过单跳或者多跳的方式发送到上位机，上位机监控端接收到温湿度信息后，把各个温室内的温湿度信息显示出来。当温湿度信息异常时，在监控端会有异常提示，以便及时处理。各个传感器节点每隔一定的时间采集一次它周围的温湿度，并将温湿度数据通过临近节点或直接传给基站核心板上；基站核心板负责收集从各个几点上传来的数据，并通过串口转传到服务器端上；远程主机将建立数据库来存储这些数据，为用户提供查询操作，主机也可以实现报警等功能。

4 结语

综上所述，基于ZigBee技术的温室环境监控系统研究，将为环境监控的发展提供新的手段和工具。环境监控的发展是一种目的，而ZigBee技术正是促进发展目的的更好实现。新时期，我们要加强对ZigBee技术和温室环境监控系统的研究，利用稳定可靠的技术实现方式，把ZigBee技术推广应用到温室环境监控系统中来。

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