基于ZigBee的温室大棚环境远程监控系统设计.pdf

第34卷 第6期 Vol 34 No 6 重庆理工大学学报 自然科学 JournalofChongqingUniversityofTechnology NaturalScience 2020年6月 Jun 2020 收稿日期 2019 03 15 基金项目 重庆市科委基础与前沿研究一般项目 cstc2016jcyjA0497 重庆市雏鹰计划项目 CY180904 重庆理工大 学创新创业项目 2018076 作者简介 张天恒 男 工程师 主要从事智能仪器设计及精密测量技术研究 E mail zth doi 10 3969 j issn 1674 8425 z 2020 06 029 本文引用格式 张天恒 刘小枫 瞿宝华 等 基于ZigBee的温室大棚环境远程监控系统设计 J 重庆理工大学学报 自然科学 2020 34 6 200 204 Citationat ZHANGTianheng LIUXiaofeng QUBaohua etal DesignonRemoteMonitoringandControlSystemforGreenhousebasedon ZigBee J JournalofChongqingUniversityofTechnology NaturalScience 2020 34 6 200 204 基于ZigBee的温室大棚环境远程监控系统设计 张天恒 1 刘小枫 2 瞿宝华 1 贾彦平 3 1 重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心 重庆 400054 2 重庆市清华中学信息中心 重庆 400054 3 兰州财经大学信息中心 兰州 730020 摘 要 针对温室大棚环境数据多维信息的特点 采用基于ZigBee的无线传感器网络技 术 介绍了系统的总体结构和软硬件设计 阐述了ZigBee网络的构建和多维信息传输过程 通 过ZigBee协调器 无线移动网络WIFI和互联网的无缝连接 实现了温室大棚环境数据的远程 实时交互和监控 经过实验测试 该系统能够实现温室大棚环境参数的实时监控 为温室大棚 环境信息远程监控提供了一种解决方案 关 键 词 远程监控 Zigbee无线传感网络 多维信息 数据获取与分析 温室环境 中图分类号 TN919 文献标识码 A 文章编号 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 InationCenterofLanzhouUniversityofFinanceandEconomics Lanzhou730020 China Abstract According to the characteristics of the greenhouse environment multidimensional ination The wireless sensor network technology based on ZigBee were adopted The overall structure hardwareandsoftwaredesignofthe systemwere introduced The constructionofZigBee networkand the processofmultidimensionalinationtransmissionwere described Through the seamlessconnectionoftheZigBeecoordinator thewirelessmobilenetworkWIFIandtheInternet theremotereal timeinteractionandmonitoringofthegreenhousesenvironmentaldataisrealized The experimental results show that the system can monitor the change of greenhouse environment parametersinrealtime whichprovidesaneffectivesolutionforremotemonitoringofthegreenhouse environmentination Keywords remotemonitoring ZigBeewirelesssensornetworks multidimensionalination data acquisitionandanalysis greenhouseenvironment 农业是国民经济的基础 随着城镇化的加快 实施 目前国内农业面临着劳动力老龄化 土地资 源约束 农业生态环境压力加剧等突出问题 1 传统的温室大棚依靠种植人员的经验进行粗放式 管理方式 没法达到温室大棚的精准管理 随着 国家 互联网 农业 战略的实施 积极推进中国 农业向智能时代迈进 2 3 网络技术和无线通信 技术的发展 为智能农业的发展提供了机遇 而农 业物联网的组网通信技术成为智能农业研究的重 点 农业物联网通信技术主要包括GPRS WIFI 网络 蓝牙技术 ZigBee 技术等传输方式 4 6 Antonio等通过GPRS通信模块和传感器实现农田 信息的数据采集和传输 7 虽然GPRS传输距离 远 但需要通信费用 Wi Fi通讯速率高 但功耗 高 适合易部署 固定点位的传感器网络组网 蓝 牙安全性高 不易受外界干扰 但功耗高 通讯距 离过短 所以适合短时近距离组网 ZigBee由于功 耗 成本低 数据传输可靠 同时具有多跳 自组织 的特点 每个节点均可作为相邻节点传输数据的 中转站 因为ZigBee底层采用了直扩技术 网络的 覆盖范围可以扩展的很大 是理想的长距离 大范 围传感器组网方式 8 本设计采用ZigBee无线传 感器网络技术 构建ZigBee的感知节点和执行节 点 通过智能网关实现与手机和云端服务器的无 线通信与信息交换 实现对温室大棚的远程监控 1 系统总体设计 总体方案如图1所示 应用互联网和云端服 务器技术实时收集和控制温室大棚的环境信息 采用 ZigBee 无线传输技术构建无线传感网 络 9 11 无线传感网络由4部分构成 1 由2类传感器构成ZigBee节点 一是感知 层数据采集 实现温室大棚环境数据的采集 如空 气温湿度 土壤的PH值 光照度传感器等 二是执 行类传感器 如换气扇传感器 水泵传感器 光源 传感器等 2 ZigBee协调器 实现温室大棚环境数据 的收发 ZigBee传感器节点获取传感器的环境数 据进行处理 通过ZigBee协调器发送到智能网关 3 智能网关 使用STM32F107和CC2530F256 处理器作为智能网关 实现所有传感器节点的数据 采集 将多维信息传送到云端服务器 监控中心和 智能终端 4 远程智能监控 通过远程监控中心或移 动终端实时监控传感器采集的数据信息 实现对 温室大棚环境信息的实时监控 ZigBee协调器接 收到智能网关发送控制指令 然后发送给相应的 ZigBee执行器节点 从而控制执行器节点上所接 开关的通断 实现水泵 换气扇 LED光源等设备 的开关 图1 系统总体方案图 2 系统硬件设计 2 1 传感器节点硬件设计 传感器节点由低功耗的无线微控制器 CC2530F256 电源模块 信息采集模块等部分组成 系统节点都采用模块设计 体积小 功耗低 抗干扰 能力强 能够建立强大的网络节点和完整的ZigBee 解决方案 传感器硬件结构如图2所示 1 0 2 张天恒 等 基于ZigBee的温室大棚环境远程监控系统设计 图2 传感器节点硬件结构 为了方便优化系统 系统采用模块化设计 减 少外围器件 同时满足多传感器节点硬件接口要 求 本系统采用TI公司片上系统CC2530F256 它 是一种低成本 低功耗的无线微控制器 具有256 kB的Flash闪存 内置标准的增强型8051CPU 是用 于2 4GHzIEEE802 15 4协议的RF射频收发器 CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单 元ZigBee协议栈 Z Stack TM 最大可编程输出功率 为4 5dBm 12 电源模块包括 5V的电池组 5V 转3 3V的电源转换模块MC33269T 3 3 为无线控 制器模块以及信息采集模块提供3 3V电压 信息 采集与执行模块中 为了满足多维信息的采集 系 统集成微型化 温室大棚的温湿度采集采用 DHT11传感器 DHT11采用专用的温湿度传感技术 和数字模块采集技术 13 15 温度量程0 50 湿 度量程为19 89 它与CC2530F256通过单总线 串行通信 由5个字节组成数据格式 CO 2 传感器模 块 采用GMP343二氧化碳变送器 此模块采用新型 红外检定技术进行CO 2 浓度测量 反应迅速灵敏 采用RS485通信 外壳防护等级高 能适应现场各 种恶劣条件 光照度传感器模块 采用B LUX V30B 光照传感器 体积小 安装方便 线性度好 传输距 离长 抗干扰能力强 输出信号为数字信号 量程为 0 20klx 精度为 2 当光照传感器B LUX V30B可以记录环境光照度的数据并传送给 CC2530F256 当用户选择感光控制模式时 CC2530F256对所读取的环境光照数值进行判别 并 由此来决定所需开启或光闭LED光源 2 2 智能网关节点硬件设计 本系统中智能网关承担着远程监控中心和 ZigBee节点区域的信息交换任务 数据的处理 汇 聚和远程传输由智能网关负责监控 智能网关节 点硬件结构如图3所示 网关节点数据吞吐量 大 为了保证系统的可靠运行 所以网关节点采用 ST公司的32位处理器STM32F107无线网关核心 STM32F107处理器拥有128k字节的FLASH程序 存储器和20kB的SRAM 7通道DMA控制器 3个 USART接口 2个I 2 C接口 2个12位A D转换器 7个16位的Timer 以及CAN接口 16 由于在网 关节点的数据量大 所以采用高集成度WIFI芯片 ESP8266 cloud2 该模块是一款智能互联模块 通 过WIFI路由器与服务器端通讯 拥有高性能无线 SOC 具有一个完整且自成体系的WIFI网络解决 方案 性价比高 内置资源丰富 内置低功率32位 CPU GPIO TCP IP协议栈 UART I 2 C SPI等接 口 使用方便灵活 不仅能够作为主控芯片独立运 行 也可以作为通信模块搭载于主控芯片 从而帮 助主控芯片接入互联网 17 图3 智能网关节点硬件结构 3 系统软件设计 3 1 节点控制软件设计 多维信息传输的程序流程如图4所示 在完 成网络连接并加入管理之后 协调器接收到终端 节点的多维信息 将这些多维数据通过串口发送 智能网关 数据经过处理后通过WIFI发送到远程 监控中心 程序流程图如图4所示 3 2 智能网关软件设计 协调器控制程序流程如图5所示 协调器主 要负责从WIFI模块和RS485串口接收远程控制中 心命令 并将命令传送到传感器节点 初始化Zig Bee协调器和智能网关 传感器节点首先会主动扫 描查找周围网络的信道 扫描到信道后 节点向协 2 0 2 重庆理工大学学报 调器提出连接请求 协调器接收到节点的连接请求 后 根据具体情况决定是否允许其连接 然后对请 求连接的节点做出响应 节点与协调器连接好以 后 才能实现数据的接收与发送 18 20 协调器将 接收到的数据信息分析整理后 通过智能网关传回 远程控制中心 从而控制ZigBee执行器节点 图4 节点控制程序流程 图5 协调器控制程序流程图 3 3 远程监控中心 无线传感器网络采集到的数据最终要传输到 远程监控中心 采用WIFI技术来满足远程传输的 要求 在实际应用中 WIFI模块和无线传感网络 的协调器通过串口连接 WIFI起到了桥梁的作 用 协调器从传感器节点接收到的采集数据通过 WIFI模块发送给远程监控中心 同时监控中心的 命令也通过WIFI模块传给无线传感网络的协调 器 完成协调器与远程监控中心之间的信息交互 监控中心一方面是对系统的运行状态进行实时监 测 另一方面对系统异常进行报警与控制 主要 由传感器节点的参数设置 多维数据显示 实时曲 线的显示 远程实时监控设置 云端数据库 历史 数据 报警设置与管理这几个部分构成 远程监 控中心软件功能框图如图6所示 图6 远程监控中心软件功能 4 系统测试与分析 整个系统选择在永川郊区的园艺花卉大棚测 试 选择塑料大棚40m 20m 温室内种植观赏性 郁金香 通过在大棚中放置传感器节点 协调器 无线网关构建无线传感网络 实时采集多维环境 信息 并发送到远程监控中心存储 决策与显示 其中 安放传感器节点40个 协调器节点1个 郁金香最佳生长温度为15 18 生根5 花 芽分化17 23 为了检验测试性能 在试验中 人为的对传感器进行加热 当检测结果超过设定 温度阀值时 则红色显示参数以及节点号 ZigBee 温室大棚远程监控系统如图7所示 测试结果表 明 系统能够实现对温室大棚的温湿度 光照强度 等的实时监测 系统性能满足温室大棚多维信息 的实时监测要求 系统测试界面如图7所示 图7 ZigBee温室大棚远程监控系统测试 3 0 2 张天恒 等 基于ZigBee的温室大棚环境远程监控系统设计 5 结束语 本文设计的基于ZigBee的温室大棚环境远程 监控系统 通过感知节点采集温室大棚环境数据 的多维信息 在云端数据库可以保存多维信息 并 实现数据信息共享 在远程客户端 通过手机或者 监控中心设置控制执行器节点 系统按照模块化 设计感知层节点和执行器节点 便于系统的扩展 对智能农业具有重要的现实意义 参考文献 1 何华斌 福建农业大棚的低成本棚联网构建方案 J 闽江学院学报 2014 5 81 87 2 刘培学 陈玉杰 姜宝华 等 基于ZigBee技术的可组 网环境监测系统设计 J 现代电子技术 2017 40 21 19 21 3 任堂正 杨俊杰 楼志斌 等 基于ZigBee的覆冰区杆 塔倾斜在线监测系统设计 J 电测与仪表 2016 53 23 122 128 4 李玮瑶 王建玺 王巍 基于ZigBee的蔬菜大棚环境监 控系统设计 J 现代电子技术 2015 38 12 51 54 5 王飞 程建平 瞿少成 基于ZigBee路由算法的智能小 区系统设计与实现 J 电子测量技术 2017 40 1 6 12 6 秦怀斌 李道亮 郭理 农业物联网的发展及关键技术 应用进展 J 农机化研究 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 杨信廷 吴滔 孙传恒 等 基于WMSN的作物环境与 长势远程监测系统 J 农业机械学报 2013 44 1 167 173 9 张鹏 张樱凡 倪俊超 等 基于LPC1768的智能浇花 机器人设计 J 自动化与仪器仪表 2015 3 1 86 90 10 廖建尚 基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方 法 J 农业工程学报 2016 32 11 233 243 11 张新 陈兰生 赵俊 基于物联网技术的智慧农业大棚 设计与应用 J 中国农机化学报 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 张瞳 吕宏强 基于物联网的精准化智慧农业 大棚系统设计 J 国外电子测量技术 2016 35 12 44 187 15 SONGGL WANGMH YINGX etal Theapplication ofwirelesssensornetworkinagricultureinationcol lection J AppliedMechanicsandMaterials 2013 263 2 872 877 16 祝振宇 陈冰红 基于ARM及ZigBee的智能家居远程 监控系统实现路径 J 自动化与仪器仪表 2019 23 3 182 185 17 王盟 基于ZigBee通信技术在智能家居中的应用 J 长春大学学报 2019 29 2 1 5 18 田学军 何江芸 一种基于ZigBee的智慧农业无线网 络监控系统 J 机床与液压 2018 46 22 112 116 19 李智博 刘志君 张程博 等 基于Zigbee无线通信模 块的定位系统 J 辽宁科技学院学报 2019 21 1 28 29 20 王丽丹 李舒 朱光 基于ZigBee技术的无线环境温湿 度校准系统 J 计量与测试技术 2018 45 11 17 19 责任编辑 陈 艳 4 0 2 重庆理工大学学报