基于多传感器的温室环境监测系统设计与实现

梁一啸，刘志欣，范 恩，蒋忠莉，邓贵妃

（1.绍兴文理学院 生命科学学院，浙江 绍兴 312000；2.绍兴文理学院 机械与电气工程学院，浙江 绍兴 312000）

0 引 言

近年来，随着无线通信和数据传输的需求不断增长，ZigBee技术也得到飞速发展。ZigBee网络具有节能、可靠、成本低、容量大、安全性高等优点，广泛应用于工业自动化、农业自动化等领域。当ZigBee协调器与上位机通过串口通信后，用户便可以通过上位机发出操控命令，让下位机将命令解释成相应的时序信号，从而控制传感器；同时，它还可以读取传感器状态数据，将其转换成数字信号，再反馈给上位机。因此，用户可以联合上、下位机更方便地采集和处理多传感器数据，从而获得一致的环境信息。

研究表明，兰花的生长受温室环境的影响非常大。当室温过高时，会引起兰花气孔关闭，酶活性下降，呼吸、光合作用减弱，甚至出现焦尖、灼烧等现象。当气温过低时，又会使兰花代谢下降，蒸腾作用减弱，同化物质的运转和贮存效率下降。当夏天温室湿度过大时，会抑制兰花蒸发散热，使兰花生长出现不适。当冬天温室湿度过大时，又会加速热传导而使兰花受寒。温室光照强度也同样会影响兰花叶片乃至整个植株的健康。光线太强会使兰花的叶片脱水蔫萎或枯死，光线太弱会使兰花的叶片叶质薄弱、无力，叶柄易弯垂，不易开花。为了提醒管理者及早采取预防措施，实时采集温室环境信息十分重要。

为此，本文开发了一套基于多传感器的温室环境监测系统，能够实时获取室内温湿度、光敏值，同时将温湿度和光敏数据进行图形化显示。首先，通过温湿度传感器、光照传感器与ZigBee协调器节点进行组网，并通过编写上位机程序实现节点串口通信；然后，采用ZigBee协调器节点接收串口指令，并发送指令给终端节点；ZigBee终端节点接收指令后，分别解析温湿度、光敏数据，再将数据返回给协调器节点；最后，协调器节点将数据发送给上位机，并在上位机进行图像化显示。

1 系统设计

设计系统的目的在于监测温室的温湿度和光敏数据，并实时反馈给用户，使用户能够及时采取措施。当温度过低或过高时，适当调整温度。当光照过强时，打开遮阳膜等。本系统主要通过ZigBee组网、传感器数据处理、编写上位机程序实现ZigBee开发板对温室环境数据的采集，以及与上位机的串口通信。主要思路如下：

（1）采用温湿度传感器、光照传感器分别接收协调器指令信息，解析温湿度、光敏数据后，返回给协调器节点；

（2）ZigBee协调器节点负责接收串口指令，并发送指令给2个ZigBee终端节点；

（3）协调器节点通过串口与上位机通信，即上位机通过串口发送指令给协调器，协调器通过串口发送温湿度、光敏解析数据给上位机，上位机刷新界面并显示。

2 系统开发与实现

2.1 系统组成

系统结构如图1所示。基于多传感器的温室环境监测系统主要分为3大部分：ZigBee协调器模块、ZigBee终端模块和上位机模块。ZigBee协调器节点主要负责接收串口指令，并发送指令给ZigBee终端节点；ZigBee终端节点接收到指令后，分别解析温湿度、光敏数据，然后返回给协调器节点；最后，协调器节点将数据发送给上位机。

图1 系统结构

2.2 系统各模块工作原理

2.2.1 ZigBee协调器模块工作原理

ZigBee协调器是网络节点信息的汇聚点，也是网络的核心节点，主要负责组建、维护和管理网络，并通过串口实现各节点与上位机的数据传输。它具有较强的通信能力、处理能力和发射能力，能够将数据发送至远程控制端。图2所示为CC2530协调器，图3所示为协调器流程。

图2 CC2530协调器

图3 协调器流程

2.2.2 传感器模块工作原理

ZigBee终端模块分别依靠温湿度传感器和光敏传感器进行数据采集、解析和传输。在监测系统中，温湿度传感器型号为DHT11，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保数据的可靠性和稳定性。光敏传感器利用光敏元件将光信号转换为电信号，ADC引脚连接CC2530的P0_1口，通过此I/O口输出控制信号，控制ADC转换得到相应数值。图4所示为温湿度传感器模块，图5所示为光敏传感器模块。

图4 温湿度传感器模块

图5 光敏传感器模块

上位机主要借助Visual Studio采用C#语言编写，连接串口后，通过点击按钮触发事件，将命令通过串口发送给下位机，下位机传送的数据通过上位机解析成hex码，并转换成int类型值，然后将int类型的值（温度、湿度、光敏值）赋值给图形化控件，图形化控件自动渲染后刷新界面。点击“温度”按钮，发送获取温度指令；点击“湿度”按钮，发送获取湿度指令；点击“温湿度”按钮，发送同时获取温湿度指令；点击“光敏”按钮，发送获取光敏的值；点击“温湿度光敏”，发送同时获取温湿度、光敏值指令。上位机工作流程和界面分别如图6和图7所示。图8所示为上位机测试数据。

图6 上位机工作流程

图7 上位机初始界面

图8 上位机测试数据

2.3 传感器关键代码

（1）温湿度采集、解析关键代码及说明。

温湿度采集：

温湿度数据解析：

（2）光敏数据采集关键代码及说明。

节点C光敏数据采集：

3 数据采集与分析

3.1 温室内温湿度数据采集与分析

监测系统分不同时段采集数据。从8:20开始，每隔60 s采集1次，共采集10次；从15:20开始，每隔60 s采集1次数据，共采集10次。图9、图10分别为早晨、下午监测系统所采集的温度数据；图11、图12分别为早晨、下午监测系统采集的温度数据。为方便比较，图13为当天温度、湿度的折线图。

图9 早晨温度采集显示

图10 下午温度采集显示

图11 早晨湿度采集显示

图12 下午湿度采集显示

图13 温湿度数据统计折线图

上述实测数据表明，该监测系统能够实时、准确地采集温室环境中的温湿度信息。统计数据表明，适宜兰花生长的温室内温度为20°～30 ℃，土壤湿度为40%RH～80%RH。从温湿度图形化显示结果来看，当天湿度适宜，但温度偏高，易使兰花蒸腾作用变强，宜提前采取水空调降温等措施降低温室温度。

3.2 室内光敏数据采集与分析

该监测系统早晨、下午共采集2次光敏数据。从8:20开始，每隔60 s采集1次，共采集10次；从15:20开始，每隔60 s采集1次数据，共采集10次。图14为早晨、下午的光敏数据折线图。

图14 光敏数据折线图

通过光敏数据监测结果发现，光度经ADC转换后输出值稳定在1 600左右，属于偏暗的范围，这与当天阴雨天气有关。统计数据表明，温室内光照强度影响兰花叶片生长和植株健康，太强的光线会让叶片焦灼；太过昏暗的光线会让叶质薄弱，兰花容易倒伏。为了避免兰花光合作用不充足的情况出现，应合理调整大棚内的光照强度。

4 结 语

针对兰花温室生长环境的要求，本文设计了一款温室环境监测系统。该监测系统主要通过ZigBee组网技术、传感器采集数据、上位机编写程序等实现ZigBee开发板对温室环境参数的采集。实验表明，该系统能够通过多传感器对温室环境参数（温湿度、光敏值）进行实时监测，并将传感器采集的数据通过上位机图形化界面进行实时显示，提醒用户调整温室环境参数。此外，该监测系统具有功耗低、精准度高、信息传输可靠、成本低等优点，不仅可用于温室环境监测，还可以广泛应用于其他农业自动化系统。