基于ZigBee的大棚环境调节系统

梅亚军，颜 川，张志飞，王佳俊，吴正阳

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 苏州215500）

基于ZigBee的大棚环境调节系统

梅亚军，颜 川，张志飞，王佳俊，吴正阳

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 苏州215500）

为了使大棚农业生产中的工作人员不用亲自去现场就可以获取植物生长环境实时信息并自动调节大棚环境，同时结合ZigBee技术适用于数据采集系统的特点，设计了该大棚环境调节系统。系统采用具有8051内核的CC2530芯片采集大棚环境信息，将信息通过ZigBee网络传输到协调器，最终通过串口传输到计算机上位机或通过WIFI传输到手机APP端；系统一旦检测到环境异常，开启自动调节模式改善大棚环境。实验结果表明这种设计方案不仅能够有效地采集各项参数，而且能够自动调节环境。

ZigBee；CC2530；信息采集；环境调节

目前大棚植物生长的管理主要依靠人力，自动化控制在大棚中的应用处于推广的阶段，且自动化控制仅局限于功能单一的生产活动，如定时喷洒水、定时遮阳。用户如果不能将多种自动化设备统一管理，就不能发挥设备的最大效能，推广应用的价值不高，抑制农业生产者投入自动化生产的热情[1]。本系统通过多种环境检测传感器采集大棚环境信息、环境自动调节系统和ZigBee无线通信技术，可以有效地解决人力管理存在的不足，实现真正意义上的大棚管理全自动化。

1 ZigBee技术概述

传统的数据采集系统需要事先布线构成有线数据传输网络，而对于大面积农业化生产，这无疑会消耗大量的人力成本和财力资源。对于ZigBee网络技术而言，它采用无线传输的方式传输数据，能够较好的解决传统数据采集系统的缺陷[2]。与其它无线传输技术相比，ZigBee技术具有低功耗、低成本、可靠性强和网络容量大等优点，是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的通信技术[3]。ZigBee节点在工作的情况下，每次以比较低的速率传输小量的数据，信号在收发的过程中间隔时间也短；而ZigBee节点在不工作的状态下，它就处于休眠状态，这样就能节省电量，使得电池的寿命可达6～24个月，甚至更长时间，这有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低[4]。

2 系统总体结构设计

大棚植物生长环境因素主要有空气温湿度、土壤湿度和光照强度等，通过对应的传感器采集得到准确的数据。TI公司的CC2530是集ZigBee技术和增强型8051内核为一体的芯片，因此使用传感器采集数据的方法与传统8051单片机类似，使用难度大大降低[5]。

通过多节点终端设备可以采集得到多组环境数据，利用ZigBee无线传输技术，可以将终端设备的数据通过对应路由器节点传输到协调器。再通过USB串口通信，将数据传输到计算机上位机[6]；此外，也可以将协调器获得的数据通过WIFI传输到手机APP端，方便人机交流。

为了增加系统的自动化控制水平，通过计算机上位机或手机APP设定适合植物生长的环境阈值。利用ZigBee无线传输技术，将阈值传递到终端上。终端将采集得到的实时数据与阈值进行比较，一旦出现异常，开启与之对应的自动控制系统，直至恢复正常，关闭该自动控制系统[7]。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

3 系统硬件设计

3.1 CC2530资源分配

本系统中ZigBee网络由协调器、路由器和终端3部分组成，它们都是由CC2530为核心搭建而成。协调器主要功能是ZigBee网络的启动和配置、充当人机交互平台数据和命令的中转站；路由器主要功能是允许相应的终端设备加入网络、充当ZigBee网络数据和命令的中转站；终端主要功能是采集和发送传感器数据、执行环境调节系统命令[8]。

3.2 传感器选择与使用

空气温湿度采集使用的传感器是Sensirion公司生产的湿敏电容型SHT10[9]，相比于传统的湿敏电阻型DHT11，它在稳定性、精度、测量范围方面都表现得更好。SHT10包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接，可以通过时钟线和数据线来读取温湿度的数值。土壤湿度检测选择的是常见的土壤水分传感器YL-69[10]，它由不锈钢探针和防水探头构成，可长期埋设于土壤内使用，构造一个简单的分压电路，结合CC2530自带的ADC模块，即可得到土壤相对湿度。光照强度检测使用光敏电阻[11]，它是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，同样构造分压电路可得到光照相对强度，传感器工作原理图如图2所示。

图2 传感器工作原理图

3.3 自动调节系统设计

自动调节系统由抽水泵、排风扇、加湿器和遮阳布组成，基本工作原理都是驱动电机工作，通过三极管驱动电路和继电器可以程控电机工作与否，程控驱动电路如图3所示。程控信号是环境检测系统得到的实际数据与设定的阈值相比较区分的：当实际数据异常，程控信号输出高电平，NPN三极管导通，继电器吸合，电机开始工作，自动调节对应环境；当参数恢复正常，程控信号输出低电平，NPN三极管截止，继电器弹开，电机停止工作。

图3 程控驱动原理图

3.4 人机交互平台

该系统主要包含两条人机交互路径：ZigBee协调器和计算机上位机利用CH340芯片组成的USB转串口通信路径；ZigBee协调器通过 SPI协议与WIFI硬件开发平台RT5350信息交互，再和手机APP组成的WIFI通信路径。

CH340是一种USB总线的转接芯片，可实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口。在串口方式下，提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线[12]。

ZigBee设备与手机无法直接进行通信，需要借助于支持WIFI的硬件平台RT5350与手机进行通信。Ralink RT5350是一款高质量、小尺寸以及低成本的可编程系统芯片,在一个单芯片上几乎囊括各种AP Router所需元件,提供了优越的无线基地路由器解决方案，支持WiFi和蓝牙Combo设计，具有GPIO、SPI、I2C、I2S、PCM、UART及JTAG接口，因此可以用作ZigBee与手机WIFI通信中转站[13]。CH340和RT5350电路原理图如图4所示。

图4 CH340和RT5350电路原理图

4 系统软件设计

本系统使用IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 Evaluation设计开发环境，在ZStack-CC2530-2.3.1-1.4.0协议栈基础上编写了应用层程序[14]。它采用树状网络拓扑结构[15]，网络中最多可以设置4个路由器节点以及每个路由器节点最多设置16个终端节点。

首先各节点操作系统初始化，协调器建立网络成功后，路由器节点申请加入协调器的网络，终端节点加入路由器节点的网络。终端节点成功加入网络后，进入休眠状态，三分钟后唤醒处理任务事件，然后再次以最新要发生的一件事件的时间作为休眠时间。终端任务处理事件中，终端节点将传感器采集得到的数据经过路由器节点发送到协调器，协调器再通过串口通信将数据传到计算机上位机端或通过WIFI无线通信将数据传到手机APP端。人机交互端将接收到的数据与阈值进行比较，若环境参数合理，则终端一直发送数据，直至环境参数出现异常。环境参数出现异常后，人机交互端发送控制命令给协调器，协调器再经对应路由器节点发送给终端节点，终端节点打开环境调节系统，直至环境参数合理，环境调节系统关闭[16]，系统程序执行流程图如图5所示。

图5 程序执行流程图

5 结 论

基于ZigBee通信网络的大棚环境调节系统可以实现真正意义上的大棚全自动化环境调节，能够弥补人力在大棚植物种植时的不足，具有较高的实用价值。与此同时，系统也有许多地方需要改善：提高网络兼容性和抗干扰能力，解决有线供电问题，利用上位机画出环境参数变化曲线等。相信随着物联网技术的不断发展，未来大棚农业将会向着更加智能化的方向发展。

[1]刘力，鲍安红，曹树星，等.温室大棚内环境自动化控制方案设计[J].农业化研究，2013（1）:90-93.

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[14]章伟聪，余新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用，2011，38（6）:184-187.

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[16]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J].电子设计工程，2011，19（16）:108-111.

Greenhouse environment regulation system based on ZigBee

MEI Ya-jun，YAN Chuan,ZHANG Zhi-fei，WANG Jia-jun，WU Zheng-yang
（College of Physics and Electronic Engineering，Changshu Institute of Technology，Suzhou 215500，China）

Combining with the features of ZigBee collecting data,staff need not go to the scene to acquire information and system can regulate the greenhouse environment automatically.System collects environment information by using CC2530 chip with 8051 core,then information is transmitted to coordinatorthrough ZigBee network and finally transferred to hostcomputerthrough serial communication or transmitted to phone APP by WIFI.System will turn on the automatic adjustment mode to regulate the environment once detected abnormal.The experimental results show that this design can not only collect data effectively,but also regulate the environment automatically.

ZigBee network；CC2530；data collection；environmental regulation

TN92

：A

：1674－6236（2017）06-0173-04

2016-03-25稿件编号：201603345

江苏省大学生创新创业训练计划项目（201510333001Z）

梅亚军（1995—），男，江苏东台人。研究方向：物理学（电子材料与器件）。