基于ZigBee的智能温室大棚环境自动化监测系统设计

王宪磊

摘要：根据新疆南疆地区智能温室大棚的特点，设计基于ZigBee无线通信技术的环境监测系统，可实时获取环境因子数据并进行相应调整。系统仿真结果表明：系统可实现环境因子实时监测和无线通信传输，提高温室大棚环境监测效率。

关键词：ZigBee；温室大棚；监测；自动控制

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）07-0027-04

近年来，新疆南部地区（南疆）设施农业发展较快，但设施农业主要以投资较少的塑料大棚为主，对南疆温差变化较大的恶劣气候条件适应性差，且自化程度较低，对农作物的生长环境的控制精度不高。目前，南疆农牧团场正积极向多参数检测的智能温室大棚种植模式发展。这种智能温室大棚综合各种先进的技术和设施，能够为农作物发育和生长创建良好环境，实现温室科学管理经营，充分展示设施农业的巨大优越性。

目前，南疆的智能温室大棚环境监测系统大多采用有线通信方式，需要进行大量布线，且线路复杂，工作可靠性差，需专人值守。为此，基于ZigBee无线通信技术设计智能监测系统，采用温室大棚环境监测无线传输方式，提高环境因子监测的技术水平，实现农作物生长环境的自动化控制，进而提高农作物生产的经济效益。

1 温室大棚环境自动化监测系统结构

ZigBee是一种短距离、低功耗的新型无线通信技术，为基于IEEE802.15.4标准的局域网协议。随着ZigBee技术的不断发展，其应用领域越来越广泛，将其应用于智能温室大棚进行信息传输成为必然趋势。智能温室大棚环境自动化监测系统的监测模式如图1所示。

本系统上位机采用PC机，其主要功能包括以下几个方面：1） 通过RS232串行接口与ZigBee网络关口节点建立通信，接收下位机传送的数据，与此同时向下位机发送指令；2） 对接收到的数据进行显示操作、解码并保存；3） 对系统之前的数据进行分析、处理及更新。

温室大棚环境自动化监测系统分为6大模块，详见图2。模拟信号采集模块包括前传感器、调理电路、模数转换电路；中央处理模块是整个系统的核心，主要负责数据处理和储存，对整个系统进行整合控制调配；开关输入输出控制模块；上位机通信模块主要用于和上位机（PC机）通信，采用ZigBee无线通信方式；人机接口模块主要为工作人员现场查看和修改各个参数提供方便，包括LCD显示屏和4×4矩阵键盘；EEPROM存储模块可以大容量存储温度、湿度、光强、CO2浓度等数据及工作参数。

图2 智能温室大棚环境自动化监测装置的模块

2 温室大棚环境自动化监测系统设计

2.1 硬件设计

环境自动化监测系统通过温湿度传感器、光照传感器和CO2传感器采集温室大棚内的环境信息，经系统的中央处理器处理后，输出结果被送到执行机构并显示相关信息，从而实现环境温度、湿度、光照强度和CO2浓度控制等一系列功能。该系统的总体硬件结构如图3所示。

2.2 软件设计

为便于连接和调试，软件设计采用模块化程序设计方法，将特定功能编成子程序，以调用子程序方式组成程序流。这样既可以做到修改和调试程序方便，又可以实现软件自诊断，从而使软件更容易理解和维护，为程序通用性、功能扩展可行性、软件资源共享性提供条件。整个程序主要由主程序和若干子程序组成，子程序主要包括温湿度测量模块、CO2及光照强度测量模块。人机接口模块包括键盘处理模块和显示模块。

将智能温室大棚近似看作一个矩形，将其平均分成8个部分并编号为A～H（如图4所示）。主程序运行时，首先显示第一个分区的温湿度、CO2浓度及光照强度，如果数值越限，则报警显示；同时，显示下一个分区的温湿度、CO2和光照强度值，并检查是否越限，以此类推，直到检测完所有分区。

智能温室大棚环境自动化监测系统主程序流程如图5所示。

本系统主要完成温室大棚环境因子数据采集与处理，以及与上位机之间进行通信。根据系统要求，系统对温室大棚内的温度、湿度、光照强度与CO2浓度信息进行采集，实现ZigBee检测节点与上位机间ZigBee无线通信，通过设置相关监测参数进行信息显示，具备实时信息输出、控制、功能自检等一系列功能。

3 温室大棚环境自动化监测系统仿真

通过对新疆生产建设兵团第一师十团花卉基地和温室大棚进行参观和调研，确定现代智能温室需要对大棚内的温度和湿度进行调控，使之保持在适当范围。但光照和CO2浓度只需检测和显示，不需要借助系统程序对其进行控制，原因为：1） 在白天光照充足的情况下，温室尽可能利用自然光照；白天光照不充足时，采用室内照明设施进行补光。2） 利用通风装置保持温室内的空气与大气接近，CO2浓度大约占大气浓度的0.03%。

鉴于上述原因，主要对温室大棚内的温度和湿度进行仿真。

3.1 Keil uVision4

采用Keil uVision4编写C语言程序，通过编译器进行编译、连接，最后将生成的机器码下载到单片机上。

Keil编译器是目前应用最广泛的单片机开发软件之一，为美国Keil Software公司开发的C语言开发系统。其提供一个完整的开发平台，包括宏汇编、C语言编译器、库管理、连接器和功能强大的仿真调试器，并通过集成开发环境将这些部分组合在一起。

3.2 Proteus电路仿真

Proteus软件用来对所设计的电路进行仿真，功能比较强大，可以对包括单片机在内的绝大部分元器件进行仿真。与此同时，可以把Keil编译、连接后生成的hex文件导入Proteus单片机中进行仿真。

3.3 系统仿真

打开Proteus ISIS，在Proteus ISIS编辑窗口中单击元件列表上的“P”按钮，添加元件及放置元件，可以得到对应界面；选择所需元器件后，对元器件进行重新布局，使之看起来比较清晰、所占面积比较小。如果需要移动某个元件或多个，单击其元件，待其颜色变红后，按下鼠标左键不放即可拖动元件。按照正确的方法将元器件进行合理排布及连线后，即可得到系统仿真结构图，如图6所示。

通过仿真进行系统环境自动化监测模拟演练，可以熟悉控制系统工作过程，有利于改进及提高控制精度，实现温室大棚环境自动化监测，减轻人工作业量。

4 结论

综合运用单片机技术、计算机控制技术、ZigBee无线通信技术设计一套以AT89C52为主控芯片的智能温室大棚环境自动化监测系统。该系统可以实现温室内各环境因子的实时监测和无线通信传输，便于大棚管理人员实时了解温室内的环境因子，并及时控制调整，为提高农作物产量提供技术支持。

参考文献

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