一种温室大棚监控系统的研究

周福恩

（吉林师范大学 计算机学院，吉林 四平 136000）

为提高农作物的产量，取得较好经济效益，就要求农作物在适宜的温度、湿度环境下生长。根据试验表明某些农作物较适宜的生长温度是18℃到25℃，如果环境温度超过28℃，这些农作物将生长缓慢，甚至死亡。因此，在大棚中设置一套实时、稳定的监控系统以便有效控制棚内的温度、湿度参数，对农作物的生长至关重要。

当前我国农村的温室大棚大多仍采用传统的有线线路监控系统方式，由于大棚内环境复杂，稍有不慎可能会弄折线路，另外有线线路经受不住长时间的腐蚀，往往造成通信线路阻断，使监控系统不能有效监控大棚内的温度、湿度等指标，导致温室大棚生产经营效益不高，和国外先进的无线监控系统相比没有竞争力。基于以上原因，采用无线技术取代有线技术改进大棚监控系统势在必行。本文设计采用基于Zigbee技术的无线监控系统取代传统的有线大棚温度、湿度监控系统。

1 温室大棚监控系统采用Zigbee技术的可行性

Zigbee技术又称紫蜂技术，其原理是基于蜜蜂跳Zigzag舞蹈的方式进行通信。它是一种近距离的、低速率的无线通信技术，因此非常适合作为温室大棚内的温度、湿度监控系统。由于Zigbee应用系统的MAC和物理层直接应用IEEE802.15.4标准，因此它是基于IEEE802.15.4标准的通信技术。Zigbee协议栈系统层次结构如图1所示，各部分的作用如下：

图1 Zigbee协议栈体系的层次结构

（1）MAC层核心是随机接入信道技术CSMA/CA和信道接入技术。

（2）LLC子层功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。

（3）网络层主要功能包括组建网络、加入网络、离开网络、路由建立、数据传输等。

（4）应用汇聚子层APS负责对网络层和应用层提供接口。

（5）应用层具有高级协议栈管理功能。[1]

在大棚内对温度、湿度等指标采用Zigbee方式的无线技术进行监控，具体原因如下：

Zigbee的节点个数不受限制，可达几万个，适用于大型的大棚监控。

节能性好。空闲时间较长时，节点会进入休眠状态，节省能量。

足底向内侧翻转，足尖向内收起，如果硬用手向外掰，会受到阻碍，无法掰正。与正常一侧相比，受累一侧的足和小腿显得更细更短。在婴幼儿时期足内翻并不会引起患儿的任何疼痛。

响应速度快。节点连入网络时延大约30ms以内，而Wi-Fi节点进入网络需3s，蓝牙节点进入网络要3～10s.

使用频段灵活。具有两个使用频段：2.4GHz和868/915MHz，分为27个工作信道，视工作情况供其选择。[2]

安全性较高。采用AES-128的先进加密算法。[3-4]

2 基于Zigbee技术的温室大棚监控系统的设计

温室大棚的监控系统总体框架如图2所示。整个监控系统分为Zigbee网络部分、连接Zigbee网络和监控中心的通信部分、监控中心、温湿度调节部分。

图2 总体设计框

2.1 Zigbee节点部分

首先根据温室空间大小计算出Zigbee节点个数，然后依据不至于碰到、移动或破坏节点的原则将多个Zigbee节点散布到温室空间的适当位置，保证所布置的Zigbee节点个数和位置能有效监测到大棚空间内各个位置的温度、湿度参数，以便准确获取温室大棚内所有空间环境参数。

传感器模块具有传统网络的路由器和终端两个功能，因此可对别的节点发送来的数据进行存储、融合等。由于要对温度和湿度参数进行监控，因此Zigbee节点模块由温度传感器、湿度传感器、无线通信模块、处理器模块、存储模块和电源模块等组成。考虑成本等问题，处理器模块由单片机构成，该模块管理和控制整个节点模块，因为Zigbee技术耗电量小，所以电源模块采用电池供电，一块电池可用半年以上。[5]传感器负责感知和获取节点周围的温度和湿度环境参数。

传感器节点分为RFD节点和FFD节点，其中RFD(Reduced function device)节点称为简化功能节点或精简功能节点，RFD只能作为终端节点。[6]图1中的汇聚节点不能使用仅具有无线通信接口的特殊网关设备，采用的是特殊的传感器节点FFD，不能用RFD.FFD(Full function device)称为全功能节点，功能较RFD节点强。FFD将对多个RFD节点感知的温度、湿度等信息进一步送给Ethernet有线网或GSM、GPRS、CDMA无线网，FFD也可作为终端节点。[7]

Zigbee的每一个工作的独立节点根据布置的实际情况可组成适当的拓扑结构，如星型、网型、树形无线网络，这里根据实际情况采用的是网型拓扑结构，较重要的节点由FFD充当协调器，如图3所示。采用Zigbee技术使分布在大棚不同位置的节点形成自组织网络，如果由于节点电池耗尽等原因，使某个节点不能正常工作时，其他剩余节点会形成新的网络，保证监测数据的正常传输，不会影响整个监控系统的正常运行。

图3 网型拓扑结构框架

Zigbee模块选用由北京博讯科技有限公司提供的JN5139-Z01-M02/04系列模块，该模块是基于JN5139的无线微处理器。[8]JN5139是一系列适用于Zigbee和802.15.4技术的低成本、低功耗的无线微处理器，集成了32-bit RISC MCU内核、高性能的2.4GHz IEEE802.15.4收发器、192kB ROM和96kB RAM。主要指标：工作电压：2.7V～3.6V DC，休眠电流：（带唤醒计时器）2uA，接收器灵敏度-100dBm，发射功率+19dBm，距离＞4km.

Zigbee节点结构如图4所示。

图4 Zigbee节点结构图

温度传感器采用NS公司的LM35集成温度传感器，具有工作精度高、线性工作范围宽的特点，该器件输出电压与摄氏温度成线性比例。[9]主要技术参数：工作电压：直流4～30V，工作电流：小于133μA，漏泄电流：小于60μA，比例因数：线性+10.0mV/℃，使用温度范围：-55～+150℃额定范围。该温度传感器完全满足温室大棚内的测温要求。

湿度传感器采用美国伯明斯顿公司的空气湿度传感器，感应部件采用高分子薄膜湿敏电容，位于杆头部，这种具有感湿特性的电介质其介电常数随相对湿度而变化。主要技术参数：测量范围：0～100%RH，分辨率：±1%RH，准确度：3%(T＞0℃)，±5%(T≤0℃)，稳定性：＜1%RH/年。

2.2 连接Zigbee网络和监控中心的通信部分

可通过有线网如Ethernet（工业以太网），无线网GSM(全球移动系统)、GPRS（通用分组无线业务）、CDMA（码分多址接入）等无线网络把汇聚节点收集来的信息进一步送给系统的监控管理中心。如监控中心距离被监控的大棚较近，可采用有线的工业以太网方式；反之，如监控中心距大棚较远则采用无线的GSM、GPRS、CDMA等方式。

2.3 监控中心和温度、湿度调节部分

监控中心主要由计算机构成，上位机收集末端Zigbee模块上由传感器采集来的温湿度信号，并将数据存储在数据库中。对数据进行分析、处理，确定大棚内的温度、湿度环境参数是否在作物最适宜的生长范围，同时可采用组态软件如Fix在计算机屏幕上绘制出实时监测曲线，便于管理人员观察、分析。如采集来的信号不在正常值之内，则给出报警信号，同时启动一套执行设备对棚内温度、湿度等信号进行调节，如温度过低则调小加热炉的调节阀，如温度过高则调大加热炉的调节阀，使之保持在适宜作物生长的范围之内。[10]

2.4 软件流程

ZigBee终端节点作为数据的采集节点，负责感知温室大棚内的温度、湿度等环境参数，其功能是将温室大棚内的温、湿度传感器采集到的数据信息发送给ZigBee汇聚节点，再进一步通过以太网或无线网将数据传送到控制中心的计算机。终端节点部分占据了整个无线传感器网络的绝大部分，这部分节点的软件工作流程如图5所示。

为了验证设计的监控系统的性能，在温室大棚现场温度为24.5℃，相对湿度为46.6%RH的条件下，在温室内随机选择4个监测点进行多次测量，测试效果良好。

3 结 论

图5 传感器终端节点工作流程

针对现今我国农村大棚内温度、湿度监控系统技术落后的情况，设计了基于Zigbee技术的无线自组织网络的监控方式。利用散布在温室大棚内适当位置节点的传感器来准确快速获取温度、湿度等环境参数，最后送给汇聚节点，再通过有线的工业以太网Ethernet或无线网GSM、GPRS、CDMA等送给计算机监控中心。通过分析处理，如当前温度、湿度不在适宜作物最佳生长的范围内，则启动执行机构进行升温、降温处理，保证棚内农作物在适宜的温湿度条件下生长，以便取得较好的经济效益。这种方式可以推广到其他应用方面：如葡萄园、水产养殖产业的温度监控等。

[1]宋文，主编.无线传感器网络技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2007：269-275.

[2]辛颖，谢光忠，蒋亚东.基于ZigBee协议的温度湿度无线传感器网络[J].传感器与微系统，2006，25(7)：28-38．

[3]张少军编著.无线传感器网络技术及应用[M].北京：中国电力出版社，2010：64-65.

[4]周怡，凌志浩，吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2005：(6)：5-9.

[5]王福禄，房俊龙，张喜海.基于无线传感器网络的温室环境监测系统研究[J].东北农业大学学报，2011，42(2)：59-64．

[6]徐小涛，吴延林.无线个域网(WPAN)技术及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[7]Zhi wei Zhang.Design of green house monitoring system based on ZigBee[C].A rtificial Intelligence，Management Science and Electronic Commerce(AIMSEC)，20 11 2nd International Conference，8-10 Aug.2011：3895-3897.

[8]韩廷阁，李书琴.基于ZigBee的土壤湿度无线采集系统节点设计[J].农机化研究，2010，(12)：157-159.

[9]张小燕，樊利军.基于Labview的温度检测报警系统[J].北京工业职业技术学院学报，2012，(1)：47-50.

[10]李铁，朱凤武，韩光辉.基于LabVIEW的温室环境监控系统的开发[J].农机化研究，2011，33(7)：201-204．