基于ZigBee和GPRS的温室群监测系统设计

孙茂泽 张爱丽 王来刚 刘团宁

摘要：针对传统温室检测系统传输速率低、成本高、稳定性差等问题，设计了一种基于ZigBee和GPRS的温室群监测系统。该系统利用ZigBee无线传感器技术采集环境参数，通过移动通信网络发送到用户手机，用户使用应用软件APP查看相关数据，采取相应操作。实地验证表明，该系统显示数据稳定准确，使用简单方便，满足系统需求。

关键词：智能温室；ZigBee无线网络；传感器；GPRS

DOIDOI：10.11907/rjdk.161113

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）005-0126-03

0 引言

智能温室群已广泛应用在现代农业种植中。以往的温室环境检测需要埋设大量线缆，不仅影响作物耕作，而且增加投入成本，加大了维护难度[1-3]。袁洪波等[4]利用GPRS技术实现了温室环境参数的无线监测，但存在传输速率较慢、信道不稳定等问题。而基于ZigBee的无线传感器网络技术，传输稳定、功耗低、距离远，适用于温室环境监测。本文设计了一种基于ZigBee和GPRS的温室群监测系统，该系统可以远程动态监测各温室大棚内的温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳含量等参数，用户可以根据参数变化及时作出调控，使温室环境更好地满足作物的生长需要。

1 系统总体设计

温室群环境监测系统主要由数据采集终端、ZigBee子节点、智能主机、ZigBee转GPRS发射模块和用户终端等5部分组成。如图1所示，采集终端将得到的数据经ZigBee无线网络发送给智能主机，再由 GPRS发射模块使用移动通信网络和用户终端通信，用户在移动终端通过应用软件APP实时获得温室的环境信息[5]。

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee采集终端模块

ZigBee采集终端由核心控制芯片CC2530F256搭配空气温湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器和土壤温湿度传感器组成，各路传感器采集的相应数据通过主控芯片完成传送，如图2所示。CC2530F256是TI公司研发的一种主控芯片，内核采用加强的单周期8051CPU，配备8KB低功耗静态内存和256KB的Flash闪存。内置无线射频模块，最大功率4.5dbm。通过结合CC2592无线射频放大电路，无障碍覆盖范围可达260m，满足低功耗下无线收发需求[6-7]。外部由5V直流电源经AMS1117稳压器转换电路变为3.3V工作电压为芯片供电。

空气温湿度传感器：采用CG-01室外温湿度传感器，内置高集成温湿度传感器芯片，传输距离约900m，供电电压7-24VDC ，实测耗电量15mA，温度测量精度达±0.4℃，湿度测量精度达±5%，功耗低、稳定性强。

光照强度传感器：采用QY-150A高精度光照传感器，光照范围0-150 000LUX，供电电压9-24VDC，体积小、精度高、抗干扰能力强。

二氧化碳传感器：采用KCD-AN100X二氧化碳传感器，测量范围0-5 000ppm，实际平均耗电量65mA，采用双波长红外线测量，准确度高。

土壤温湿度传感器：采用CG-03土壤温湿度传感器，12-24VDC电源供电，传输线路用环氧树脂密封，耐腐蚀、性价比高。

CC2530F256电路如图3所示。

2.2 ZigBee协调器节点模块

ZigBee协调器节点模块位于智能主机内部信号接收和传送部分，是各路采集终端信息传送的中心，负责信息的接收、处理以及网络的组建。模块主要由STM32F407微控制器和集成了CC2530的ZigBee模块M_SZ8构成，电路结构如图4所示。

当采集器终端加入组建的ZigBee网络后，协调器和各采集终端进行“握手”通信，负责协调主机和各终端节点之间的数据通信[8-9]，并存储和处理采集的信息数据，最后通过GPRS模块发送给用户。

2.3 GPRS无线通信模块

GPRS通信模块在智能主机内部，连接ZigBee协调器节点模块，负责将数据通过GPRS移动网络发送到用户手机[10]。其核心采用USR-GPRS 232-7S2无线传输终端，内部集成TCP/IP协议栈，支持RS232和RS485接口，采用5V/2000mA直流电源供电，是一款具有四频850/900/1800/1900MHZ的GPRS通信模块。模块外围电路如图5所示。

3 系统软件设计

系统软件主要分为：采集终端软件、智能主机软件和用户手机软件。采集终端是系统获取温室环境信息的始发站，采集终端加入ZigBee网络后，会进入低功耗待机。当智能主机需要获取数据时，向采集终端发送一个请求，终端收到请求即进入采集数据状态，采集完毕后向主机发送数据包。当主机完成数据接收后，采集终端再次待机等待下次请求。软件流程如图6所示。

智能主机是系统数据交汇的核心，采用Z-stack-CC2530协议栈开发。智能主机首先会初始化协议栈和各节点并组建网络，等待各采集终端请求加入网络；成功组网后，主机进入待机状态，当需要获取数据时，主机向采集终端发送数据采集请求并等待接收数据。接收过程完成后，将接收到的数据经过存储和压缩处理后发送给GPRS模块，通过移动基站发送到用户手机终端。流程如图7所示。

用户手机终端APP基于MyEclipse平台开发，使用Java语言编译，该平台目前是安卓手机应用软件的主流开发工具。手机终端软件主要负责将数据处理后，以可视化数字形式直观展示给用户，并存储数据。软件界面用线形图或直方图显示，方便用户查询。软件包含用户注册、登录、温室环境信息显示、数据定时更新、参数值预警等功能，帮助用户更方便地管理温室。应用软件功能框图如图8所示。

4 实地测试

系统实地测试地点为河南省农科院农业推广基地温室大棚组。测试对象包含一组ZigBee采集终端（空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳），一台智能主机和一部安装该系统应用软件的手机终端。选取35m×10m×3m的半圆式塑料薄膜温室大棚，室内种植蔬菜作物，除喷灌机和支撑架外无大型遮挡物。测试过程更新周期为15min，手机测试终端地点距温室约300m。图9为手机终端显示的温室数据，接收延时约为5s，客户端显示值和实际值误差约为±1.2%。测试过程中网络稳定性较好，无网络中断现象。

5 结语

本文设计了基于ZigBee和GPRS的温室群监测系统，一定程度上解决了传统无线温室检测系统功耗高、稳定性差、速率低等问题。使用Java语言编译开发了移动手机安卓应用软件，数据显示清晰、操作简单、可用性强，方便用户即时管理温室，提高了现代农业管理的信息化、数字化和智能化水平。

参考文献：

[1]杨玮，李民赞，王秀.农田信息传输方式现状及研究进展[J].农业工程学报，2008，25（5）：297-301.

[2]WANG F，FENG P.Design of intelligent irrigation monitoring system based on GPRS and zigbee[J].Asian Agricultural Research，2015，7（6）：97-100.

[3]郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统[J].农业机械学报，2010，41（7）：181-185.

[4]袁洪波，张德宁，温鹏.基于GPRS的农业温室环境检测系统[J].农机化研究，2011，33（5）：123-125.

[5]包长春，石瑞珍，马玉泉，等.基于ZigBee技术的农业设施测控系统的设计[J].农业工程学报， 2007，23（8）：160-164.

[6]VLISSIDIS A，CHARAKOPOULOUS S，MAKRYGIANNAKIS E.The development of a platform based on wireless sensons network and Zigbee protocol for the easy detection of the forest fire[M].Image Processing and Communication Challenges 2.Springer Berlin/Heidelberg，2010：391-399.

[7]杨玮，吕科，张栋，等.基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发[J].农业工程学报，2010，26（3）：198-202.

[8]CHANG B，ZHANG X R，LI L H.Design on monitoring system of fire disaster based on Zigbee CC2530[J].Applied Mechanics & Materials，2013（1）：1718-1722.

[9]张瑞瑞，赵春江，陈立平，等.农业信息采集无线传感器网络节点设计[J].农业工程学报，2009，25（11）：213-218.

[10]ZI YUE W U，GENG J F，HUANG Y Y.Design and research for lower computer system of wave buoy based on GPRS communication technology[J].Computer Engineering & Design，2013，34（1）：126-130.

（责任编辑：杜能钢）