智能温室大棚系统设计

李宝生

摘 要：农业物联网是结合了当代自动控制、农业生物学、计算机网络等多种技术的综合性应用。文章设计的温室大棚智能系统，完成了基于Zigbee技术的温室大棚智能系统的软硬件设计，实现了对大棚内各项环境参数的实时采集，无线传输和闭环控制。本系统的无线数据采集节点对植物生长环境中比较重要的空气温、湿度、光照强度、土壤湿度等数据进行实时采集。由Zigbee协调器构建一个拓扑结构为星型的Zigbee网络实现采集数据的无线传输，Zigbee网络的协调器模块作为总控制器，根据系统设置的环境阈值对相应的执行机构进行控制。

关键词：农业物联网；温室大棚；无线网络传输

1 概述

农业物联网技术在温室大棚系统之中，利用各种传感器设备，例如：光照传感器、PH 值传感器、温湿度传感器、CO2传感器对环境中的光照强度、PH值、温湿度、CO2 浓度这些物理量参数进行检测，然后利用各种仪表仪器进行实时的显示或者作为参数变量参与系统的自动控制，以保证温室大棚系统内有一个适宜的、良好的环境给农作物生长。在远程控制模块中，技术人员可以在控制室内检测以及控制多个大棚的环境。农作物生长条件是通过无线网络进行测量的，这样就可以给精确的调控温室环境提供可靠的科学依据，从而达到调节生长周期、改善品质、增加产量、提高农作物的经济效益的目的[1]。

2 系统硬件设计

本系统由协调器节点创建无线网络，并接受来自传感器子节点的Zigbee模块的采集数据，通过对数据的处理向控制器子节点发送控制信息。其中传感器节点与单片机MSP430和STM8通過串口连接实现数据的发送，单片机对相应的传感器采集到的模拟量或者读取的数字量进行处理后发送给Zigbee模块。控制器节点也通过串口与单片机实现数据收发，单片机通过对I/O口的控制驱动直流电机等执行器[2]。

2.1 终端节点传感器模块硬件设计

根据对大棚控制的要求，系统需要采集大棚温湿度、光照以及地面湿度这些参数，所以我们需要利用到光照传感器、温湿度传感器、地面湿度传感器与微型控制器[3]。

我们采用的光照传感器模块是以光敏电阻为主的传感器。它是基于敏电阻内光电效应的工作原理，当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加，光敏电阻两端电压增大，R4两端电压减小。周围的光线变强时引起光敏电阻的阻值减小，光敏电阻两端电压减小，R4两端电压增大[4]。

温湿度传感器选择使用了DHT22，DHT22采样周期间隔时间不得低于2S。DATA数据接口为单总线接口，用于微控制器与模块的通讯与同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间大约为5ms，输出数据为40个bit位并且高位先出。

土壤湿度传感器模块由一个LM393低功率低失调电压双比较器为主体。

文章选择了STM8S103F3基础性微控制器，STM8具有3级流水线的哈佛结构，该MCU内部高度集成了内部时钟振荡器，3V-5.5V的宽工作电压。然而相对于其他的8位MCUSTM8最高fcpu频率可以达到24MHZ，当cpu小于或等于16MHZ时为0，等待的存储器访问。

2.2 终端节点执行器节点硬件设计

本系统中的执行器包括步进电机、直流电机、LED灯、水泵四个。步进电机带动大棚顶部的卷帘，当棚内温度低时拉上卷帘避免温度过低，直流电机带动叶片，可以保持棚内空气流通，当土壤湿度不够时开启水泵实现自动灌溉，光照强度不足时开启 LED 灯补充光照[5]。

文章用到了水泵来调节土壤的湿度，风扇用来增加空气对流，降温等目的。对于水泵和风扇的驱动都选择了L9110驱动芯片，L9110有低静态工作电流宽电源电压（范围为2.5V至12V），每条通道都具有800mA连续电流输出的能力以及较低的饱和压降，兼容 TTL/CMOS输出电平，可直接连接到CPU的IO引脚，输出内置钳位二极管，比较适用于感性负载，控制和驱动集成于单片IC内部，具有管脚高压保护等功能。

2.3 Zigbee 模块硬件设计

本系统选择CC2530作为Zigbee模块的主要芯片，CC2530芯片集成了实时时钟，两个可编程USART，用于主/从SPI或者UART操作，上电复位，可编程看门狗等。CC2530在单个芯片上整合了Zigbee射频前端，内存和微控制器，使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM。电源电路核心芯片是LM1117，LM1117 是一个低压差电压调节芯片，它的压差在输出负载电流为 800mA时为 1.2V。LM1117 可以提供电流限制和热保护，电路包含了1个齐纳调节的带隙参考电压，以确保输出电压的精度在正负 1%之内。LM1117 主要应用于开关DC/DC 转换器的主调压器，电池充电器以及电池供电装置等方面，文章主要用LM1117 作为开关 DC/DC 转换器的主调压器实现直流 5V 到流 3.3V 的转换。

3 系统软件设计

本系统主要涉及到STM8、MSP430G2553和CC2530三个MCU的程序编写，其中STM8主要用于处理传感器模块，而CC2530用于建立Zigbee网络及无线数据收发MSP430G2553主要用来控制电机，水泵等执行器。STM8与CC2530程序的编写基于IAR编译环境MSP430基于CCS环境。STM8的程序主要以库的形式编写， STM8为16MHZ，8位低功耗单片机，2.95到5.5V的工作电压范围，10位AD模数转换器，最多5路通道，支持扫描模式。带有同步时钟输出的UART等功能。

本系统中设计到的三个传感器分别为温湿度传感器、光照强度传感器和土壤湿度传感器，然而三个传感器中光照强度和土壤湿度传感器都需要用到单片机的AD转。

Zigbee网络的建立由协调器发起，网络协调器是整个网络的中心，主要有建立、管理、维持网络以及分配终端节点的十六位短网络地址等功能，因此协调器也被认为是Zigbee网络的大脑。文章选择星型拓扑结构，这种拓扑结构的特点在于 Zigbee 网络中协调器是唯一的，考虑到温室大棚的监控区域性，所以选择星型拓扑结构比较合适。星型拓扑结构中，所有终端设备只可以和协调器之间进行通信，节点之间的通讯需要通过协调器中转。建立星型网络的过程中，协调器是作为发起设备，协调器被激活后，它就建立起网络，并作为PAN协调器，路由设备和终端设备可以选择PAN标识符加入网络，不同PAN标识符的星型网络中的设备之间不能通讯。协调器与按键模块通过窗口相连，一旦协调器收到来自按键模块的信息就调用回调函数将对应的信息发送至终端执行器节点。

4 结束语

文章设计的采用Zigbee无线传感器网络技术开发的经济型大棚智能测控系统，是一种集监、控、管于一体的大棚温室智能化监控设施，结合了计算机自控技术，为作物创造相对于传统农业更好的生长条件，避免了外界四季变化和恶劣气候的影响，以达到促进生长发育，并提高农作物质量、产值产量，提高土地的使用率，实现资源的节约等目的。温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，所以得到了迅速的推广和应用。

参考文献

[1]青岛东合信息技术有限公司.Zigbee开发技术及实践[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.

[2]陶平.基于Zigbee的温室大棚智能监控系统的研究[D].四川：西华大学，2012.

[3]王小强，欧阳骏，黄宁淋.Zigbee 无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012：63-66.

[4]温室系统开发指导书[Z].北京凌阳大学计划技术资料，2011.

[5]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，2008，31（15）：98-100.