基于Zigbee的智能大棚控制系统的研究

杨颖红,汪力纯,毛增闯

（1、南京工程学院自动化学院；2、南京工程学院通信工程学院，南京，211167）

基于Zigbee的智能大棚控制系统的研究

杨颖红1,汪力纯2,毛增闯1

（1、南京工程学院自动化学院；2、南京工程学院通信工程学院，南京，211167）

本文设计了一种农业大棚智能控制系统，通过分布于大棚内部的各个传感器节点采集大棚内的各项环境数据。采集到的数据可以通过液晶触摸屏实时显示，也可以利用Zigbee和GPRS无线通信技术，将采集到的数据发送给远程客户端。远程客户端在分析数据以后，给节点发送控制指令，驱动各动力设备，从而调节大棚内的环境因素，以实现大棚的自动化控制。

智能大棚；Zigbee；GPRS

0 引言

我国是一个农业大国，随着科技的发展，将传统农业和电子技术结合，就逐步形成基于物联网的现代农业。农业智能大棚控制系统是一种高效的农业生产技术，它将数字传感器技术、无线通信技术、计算机技术与农业技术结合起来，实现对温室大棚的智能控制，为农作物的生长提供合适的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境气候条件，使农作物可以摆脱自然气候条件的限制，实现农作物的高效、反季节产出。

本文设计了一种基于Zigbee无线网络的农业智能大棚控制系统。通过安装在大棚内的各个传感器节点，本系统能够实时采集大棚内的温度、湿度、CO2浓度、光照强度、土壤湿度等环境数据信息。通过Zigbee无线网络实现本地各个模块之间的通信，通过GPRS无线网络实现系统的远程通信，将采集到的数据发送到远程客户端和服务器，并接收来自于服务器的控制指令，实现对本地动力驱动设备的控制，从而可以调节大棚内的环境，使其更适应于农作物的生长。

1 系统总体设计

本文中设计的智能大棚控制系统的总体框架由信息感知层、网络传输层、智能处理层3层构成，图1是系统的总体设计框图。

图1 系统总体设计框图

信息感知层分布于大棚内部，是物联网的皮肤和五官，用于识别物体以及采集信息。信息感知层由一系列传感器组成，包括有空气温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器、CO2浓度传感器以及多功能无线数据检测仪等。利用这些传感器完成数据的采集，然后把采集到的数据用Zigbee无线传输网络发送到网络传输层进行汇集。

在网络通信层，把各个传感器采集的数据通过内置的GPRS模块发送到Internet上，以便实时监测，另外还可以通过应用层的控制数据流再次返回控制相关设备的运转，从而达到相互制约和协调。

在智能处理层，可以通过智能手机实现大棚内数据检测、自动控制等；同时也可以通过电脑和终端一体机连接到互联网，实现数据共享；我们的目标就是不局限于在某一台或某一个地方才能实现对大棚进行数据监测与控制，而是随时随地，手机客户端就能满足这个要求。

2 硬件设计

从控制的方式上来看,系统分为人机界本地控制和远程控制。本地控制通过接入触摸屏,由触摸屏上的人机交互界面实现，本地各个模块之间的通信选择比较成熟的物联网技术即ZigBee实现。远程控制可以通过架设服务器,远程网络登录网页,来控制系统接入的外设,也可以通过GPRS模块,由移动终端通过网络客户端的方式来控制。

2.1 信息感知层设计

在整个控制系统中，处于最底层的就是信息感知层，其主要功能是采用布置在大棚内的众多传感器节点所组建的Zigbee无线传感器网络来完成对大棚内部环境信息的采集和监测，同时还要将数据进行存储和分析，并完成与无线通信模块之间接口的对接，能够根据通信模块发送过来的查询指令返回正确的数据信息。此外，通过分析无线通信模块发送过来的控制指令，信息感知层还要完成对所采集的环境因素进行调节的功能，主要是对一些动力驱动设备，包括通风扇、灯光、加湿器、灌溉设施、遮阳装置等的控制。

信息感知层是由单片机核心板加上各种外设模块组成。单片机作为核心的处理芯片,通过其内部的丰富的GPIO口,连接外围设备外围器件通过输入信号或输出信号与实际的控制物品相连。本设计选择的单片机芯片要满足以下几点：足够大小的Flash和RAM、方便接入触摸屏、方便扩展网络功能、丰富的外设接口、性价比高，节约成本。所以综上所述，本设计采用STM32F103ZET6型号的单片机作为系统的核心处理芯片是最适合不过的了。

对于传感器部分，本设计需要有温度传感器，湿度传感器，光照强度传感器、土壤湿度传感器、CO2浓度传感器等传感器模块。在选择时选择实用，且性价比较高的模块。

对于温度传感器，室温的检测我们选用DS18B20，可测温度为-40℃到120℃。满足日常生活测温需要，且该温度传感器为数字式单总线传输方式，占用核心控制芯片一个IO口，节省核心控制芯片的接口。DS18B20的单总线上拉4.7K电阻，电源与地之间加104电容去噪稳压。

湿度传感器，采用应用比较广泛的HS1101湿度传感器，基于555稳态电路的硬件设计下可以输出相应频率的波形，方便程序对湿度数据的提炼。对于硬件也方便设计者进行硬件上的检测。

图2 信息感知层硬件框图

土壤湿度传感器采用YL-69,这是一个简易的水分传感器可用于检测土壤的水分，表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可以提高导电性能，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命。采用三线制，接线简单，只要把VCC接电源，GND接地，D0接到单片机即可。可以通过电位器调节控制相应阈值，湿度低于设定值时，D0输出高电平；高于设定值时，D0输出低电平。当土壤缺水时，传感器输出的模拟值将减小，反之将增大。传感器表面做了金属化处理，可以延长它的使用寿命。将它插入土壤，然后使用AD转换器读取其采集的数据。

光照强度传感器采用数字光强度检测模块GY-30，GY-30采用ROHM原装BH1750FVI芯片供电电源3-5v光照度范围：0-65535 lx传感器内置16bitAD转换器直接数字输出

CO2浓度传感器采用MG811型CO2气体传感器，它对CO2有良好的灵敏度和选择性，受温湿度的变化影响较小，良好的稳定性和再现性。经常用于空气质量控制系统、发酵过程控制、 温室CO2浓度检测等应用场合。

信息感知层模块还需要完成对动力驱动设备的控制，主要包括通风扇、灯光、加湿器、灌溉设施、遮阳装置等的控制。通过解析客户端发送过来的控制命令，完成对各个动力驱动模块的控制。

2.2 网络通信层设计

除了通过各个传感器来检测信号以外，还需要为各个节点设计合适的通信方式。本地通信可以实现各个节点与核心控制模块的信息的交流以及控制，采用Zigbee无线通信的方式来实现。要求低功耗，高稳定性的无线数据传输特点，所以本设计选着使用CC1101芯片作为本地通信的核心芯片。CC1100 是一种低成本真正单片的UHF 收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在315、433、868 和915MHz 的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为 300-348 MHz、400-464 MHz 和800-928 MHz 的其他频率。

远程通信部分可以采用基于GPRS的无线远程数据收发以及控制。然而国内GPRS模块做的比较出色，且有较多应用经验的也就只有华为公司的GPRS模块性价比相对较高。所以在进行一定的比对后我们在GTM900和EM310二选一。在性能上EM310作为GTM900的升级版相对较好，所以我们采用了EM310作为本设计的远程通信的硬件设计基础。

图3 软件流程图

2.3 智能处理层设计

本系统可采用手机、PC 机等终端作为主要客户端，主要通过 web 访问的方式来完成对系统中的数据访问及获取。当用户首次访问系统时，首先需要注册用户，用户可以通过手机或者电脑的客户端发起注册请求，当服务器收到注册请求之后，会对其用户名、密码等基本信息进行处理，并且返回注册的结果；若该用户注册成功，则系统中的服务器会为用户生成唯一的 Id，并将该用户的相关信息登记到该服务器的数据库中，若不成功返回用户注册失败信息。当用户注册成功之后，即可使用该用户名和密码来访问系统。在系统中，用户可以对大棚内的各个环境数据进行访问和查询。

3 系统软件设计

软件的设计思路是先由主控制台即上位机发出信号给核心芯片，核心板通过AT指令来解析这段程序，然后将解析完的指令发给各个节点模块，可能是光照强度模块，也可能是湿度传感器模块，接着各个模块返回指令给核心板，核心板再次解析数据，最后发给上位机。软件流程图如下图3所示。

4 结论

本文所设计的基于Zigbee无线网络的农业智能大棚控制系统可以实现对温度、湿度、CO2浓度、光照强度、土壤湿度等信息的检测与控制，该系统具有数据传输可靠性高，通过Zigbee组网方式简单灵活等特点。

本系统能够实时采集大棚内的各项环境数据，并将数据信息通过无线通信的方式及时传输给用户，用户通过手机或者PC机的客户端可以及时了解大棚内的环境情况，并根据需要加以控制，从而避免了人为的一些疏忽所造成的损失。该系统不追求复杂的功能和绚丽的外观,主要着眼于简单实用、使用方便、价格低廉等特性，具有一定的实际应用价值。

[1] 黄伟锋，叶祥.温室环境多点数据嵌入式智能监测系统[J].农机化研究，2010,32（6）：133-136

[2] 蒋录全.信息生态与社会可持续发展[M].北京：北京图书馆出版社，2003

[3] 陆楠，郭勇.基于ZigBee技术的无线大棚温湿监控系统[J].现代电子技术，2008（15）：98-100

[4] 蒋鼎国，徐保国，王明胜.基于GPRS的远程温室监控系统设计[J].广东农业科学，2011（13）：160-162

[5] 张毅刚.单片机原理及接口技术（C51编程）[M].北京：人民邮电出版社，2011

[6] 高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：航空航天大学出版社，2009

杨颖红：女，1978年2月出生，讲师，硕士，主要研究方向：嵌入式系统及应用，电话：13512546487

汪力纯：男，1975年11月出生，讲师，硕士，主要研究方向：嵌入式系统及应用，电话：13372021002

毛增闯：男，1989年12月出生，本科，主要研究方向：嵌入式系统及应用

走到我们的中间来，为我们吃上这香甜的小灶，为我们青年教师的人生和今后副教授职称的评审打下了坚实的基础，为我们树立的光辉伟大的科研榜样，榜样的力量是无穷的，科研的理想也是会慢慢实现的，经过一代又一代炎黄子孙的奋进，我们的梦想一定能够实现，科技强国，知识经济的时代已经到来了，我们的人体通过透明体子的虚拟学研究，会对更多的疾病带来福音，会给我们的人类健康史一份满意的答卷。会上我们是幸福和谐的一家人，会议技术我们会更加融合在导师的左右，做我们倾尽所能研究这些项目的子项目。

作者简介

聂丹（1980-）女，工程硕士，研究方向：虚拟技术、计算机技术、透明体高分子、教育社会学

刘波（1979-）男，工程硕士，研究方向：高校德育教育、虚拟技术、计算机技术、透明体高分子、教育社会学、

Research on the control system of intelligent greenhouse based on Zigbee

Yang Yinghong1,Wang Lichun2,Mao Zengchuang1
(School of automation, Nanjing Institute of Technology1,nanjing,211167)

In this paper,we design a kind of control system of agricultural greenhouse intelligent.In this system,we can collect the environmental data by various sensors distributed in the greenhouse.The collected data can be real time displayed in touch screen and also be sent to the remote client by Zigbee and GPRS wireless communication technology.After analyzing data,the remote client can send control commands to nodes and then drive power equipment.After that,we can regulate the environmental factors in the greenhouse, and then we can realize automatic control of greenhouse.

Intelligent Greenhouse;Zigbee;GPRS

项目来源：江苏省大学生科技创新项目，项目号：201311276020z