基于无线传感网的多功能简易智能温室控制系统的设计

胡斌++王玉超++傅振涛++黄萌

摘要 本文以ZigBee技术为核心，采用通用性思想和模块化设计的思路，用无线传感网络技术解决温室大棚内的农作物生长的智能自动监控系统。设计了基于ZigBee组网技术的数据采集节点，采集温室内环境因子的数据，搭建了基于ZigBee的网状网络，实现了采集数据与控制数据的无线传输。 利用单片机作为控制机构，根据已经设置的环境阈值控制相应的执行机构，启动相应调控设备，若温室环境发生了变化，控制系统通过ZigBee连接自动控制温室内的执行机构，可使温室环境一直处于最适合农作物生长的条件。同时，由于ZigBee的可扩展性，可添加新的功能执行机构，例如杀虫系统，从而实现多功能的智能温室控制系统。

关键词 智能温室；控制系统；无线传感网；环境因子监控；ZigBee；单片机

中图分类号 TU261 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）09-0184-02

Abstract The paper adopted the universal idea and modularized design idea，used wireless sensor network technology to solve greenhouse in crop growth of intelligent automatic monitoring system based on ZigBee technology as the core.Designed a data acquisition node based on ZigBee network technology，collected environmental factors in greenhouse，set the mesh network based on ZigBee，realized the wireless transmission of data.Using microcontrollers as a control mechanism，according to the environment threshold value to control the corresponding actuator，started the corresponding control equipment，if the greenhouse environment had changed，the control system automatically controlled the actuator in the greenhouse ZigBee connection，made the greenhouse environment been the most suitable for crop growth.Because of ZigBee scalability at the same time，you could add new functionality actuators，such as insecticidal system，so as to realize multi-function intelligent greenhouse control system.

Key words intelligent greenhouse；control system；wireless sensor network；environmental factor monitoring；ZigBee；microcontrollers

随着现代社会的高速发展，人们对蔬菜、花卉等的需求量越來越大。温室可以改变植物的生长环境，创造最适宜植物生长的条件。温室是一个复杂的、非线性、多变量、大滞后、多耦合的动态系统。为合理控制蔬菜、花卉等的生长[1]，应建立一个有预见性、及时的控制系统来调节温室环境以及温室环境下的环境因子，合理防治封闭环境下温室的病虫害。

在控制应用ZigBee组网技术的基础上，Lai等[2]和Ouni等[3]都做了相关研究。江朝晖等[4]和ZHANG Q等[5]都分别设计了基于ZigBee技术的无线温室监控系统。目前，国内一般的农业承包者都是搭建较简单的大棚[4]，几乎没有实现智能化。而市场上提供的控制器功能单一，也有提供温室智能控制系统的[6]，但都是面对大型企业，产品价格昂贵。针对以上问题，设计一款多功能简易智能温室控制系统，该控制系统通过4种常见传感器（温度、光照、湿度、CO2）实时监测温室环境变化。当温室环境发生了变化，控制系统通过无线传感网自动控制执行机构，使温室一直处于最适合农作物生长的环境。其中，该控制系统还能根据不同农作物修改温室环境各参数值的上下限值。若温室环境参数超出人工设置的上下限值，会启动或关闭相应的执行机构，实现及时调节温室环境。由于无线传感网的易于扩展以及考虑到成本问题，本系统还可以将杀虫功能和太阳能供电功能等添加进去，实现多功能的控制系统。

1 多功能简易智能温室控制系统的组成

本系统主要由监控系统、执行功能机构、控制系统和无线传输系统组成，其结构如图1所示。

监控系统主要是实现对温室环境的监测，主要包括常见的4种温室环境传感器（温度传感器、湿度传感器、光照传感器、CO2传感器）及相应的转换电路，比如要实现对温室内温度的检测，可采用DS18B20温度传感器，将DS18B20的信号线与单片机的I/O线相连，由单片机采集数据即可，且一根单片机I/O线可挂接多个DS18B20，能够实现多点温度检测。

执行功能机构（滴灌系统、升温系统、喷滴灌系统、保温系统、遮阳系统、湿窗帘/风扇降温系统）指的是温室内现有的单一功能设备，能够实现各种不同功能。为了实现多功能，本系统还可以通过无线节点增添需要的功能机构。如要添加杀虫的功能，只要在无线传输系统里增加一个节点，然后修改相应的上位机和下位机程序控制单片机，单片机再来控制杀虫灯即可。

控制系统采用CC2530单片机为主控制核心，与监控系统中的转换电路和温室内的执行机构相连，如若温室环境参数超出人工设置的上下限值，会启动或关闭相应的执行机构，实现及时调节温室环境。

无线传输系统采用ZigBee无线传输系统，采集信息、传输信息以及智能处理于一体，具有短距离、低速率、投入低廉、通信可靠的特点，通过温室环境因子传感器监测多点环境因子参数，通过ZigBee无线传感器网络将数据实时传输到上位机，再依据预设阀值来控制以及指导生产。

2 无线传输网络的设计

用无线数传模块建立专用无线数据传输方式将不受局限，具有更广泛的适应性。采用无线数传电台建立专用无线数据传输方式的，在用户组建好一个通讯网络之后，只需将新增设备与无线数传电台相连接就可以实现系统扩充[6]。因此，本系统采用ZigBee无线传输网络。

此次设计的系统预设了2个大模块（上位机和下位机），如图2所示。其中，对于上位机选择就是选用微机，下位机控制器则用单片机控制。下位机控制器在接受监控PC机发出的控制信号后，可通过已预设好的各项数据的阀值来控制执行机构[6-7]。下机控制器的核心是CC2530单片机，ZigBee无线主模块和单片机自动控制模块[6]组成了整个下位机系统。其中无线网络传输系统、模数转换系统、数据采集系统、通信系统构成了ZigBee无线主模块。系统通过各种传感器实时监测温室环境因子，将其采集的数据上传到ZigBee子节点，再通过无线网络传到ZigBee网络总节点，最后通过RS-232串行口总线将数据传到上位机上并显示反馈给用户。数据模块和执行机构控制模块组成了单片机自动控制模块。数据采集模块可以完成对ZigBee总节点通过网络通信层所传递给单片机数据的收集和预处理[6]，同时将结果通过RS-232串行口总线送至数据存储器或监控服务器存储和管理。执行机构控制模块则是通过比较实时监控的环境因子参数和预设阀值来实现对温室大棚内的各个执行机构的启动与关闭[8]。

由于系统采用的是基于ZigBee的无线传输网络，其具有优越的可扩展性，可实现控制系统的多功能性。只要执行机构中添加所需功能的执行机构，改变上位机的程序设计，用户即可实现对新功能的控制。例如将杀虫灯添加进执行机构，改变上位机的程序，将杀虫灯对应的光照数据和湿度数据阈值添加进去，从而实现单片机对杀虫灯的自动控制。同时，还可以添加关于杀虫灯的频闪频率的设置，从而进一步提高杀虫效率。

多功能的温室智能控制系统的实现在于建立有效的ZigBee无线传输网络。ZigBee无线网络的工作流程是由ZigBee协调器建立网络，然后ZigBee终端入网，分配网络地址，终端定期采集传感器数据并将数据通过点播发送给协调器，然后协调器将数据信息通过RS232串口转发至上位机，上位机根据接受到的数据通过串口发出相应的控制指令给协调器，协调器再将控制指令广播出去，各终端根据广播所带的簇信息，判断其是否为发给自己的信息，如果是则根据指令执行相应动作，不是就丢弃数据。设计流程如图3所示。依据设计的要求，在设计的这个温室大棚内会存在4种不同的传感器，分别测量温室大棚内的温度的传感器、湿度的湿度传感器、检测温室内光照强度的光敏传感器以及检测二氧化碳浓度的CO2浓度传感器。传感器采集出来的数据由ZigBee网络按照稳定的周期收集，如图4所示。由于系统选用的二氧化碳浓度传感器、光敏传感器是模拟传感器，所以需先通过模数转换器转将其换为数字信号，然后再将数据送至单片机中，最后送达CC2530芯片完成数据收集[7]；而AD转换模块存在于系统选用的温湿度传感器内部，在单片机内传感器采集的数据经过预处理后，将4种数据按照先后顺序送到ZigBee无线网络中的子节点[6-7]。

3 结语

本文结合当前先进的信息科学技术——ZigBee技术，提出一个基于ZigBee组网技术的多功能简易智能温室控制系统的解决方案。本系统是一种温室自动控制系统，具有布线简单、结构合理、使用性较强的特点，其在基于ZigBee组网技术的基础上加入了上位监控系统、传感器系统[6]、单片机自动控制系统，可移植性强。

与普通的温室大棚相比，多功能简易智能温室控制系统不仅能够种植优质、高产的反季节作物，而且将电子、计算机、通信和自动化控制等技术引入到本系统中。本系统可以定量获取和分析农业环境的多种参数，对环境实现多点检测，其主要检测目标是温度、湿度、光照、二氧化碳浓度，如果需要可通过ZigBee网络增添其他功能，如振动、压力、水/土壤空气成分等。通过ZigBee无线通信把智能温室的各种参数汇总到上位机，上位机再通过执行结构去调节参数，例如大棚的温度、湿度等。确保智能温室内各个环境参数达到良好的检测，协调控制温室内的环境参数，并能通过Web远程检测和控制温室大棚的环境参数。

4 参考文献

[1] 丁为民，汪小旵，李毅念.温室环境控制与温室模拟模型研究现状分析[J].农业机械学报，2009，40（5）：162-168.

[2] LAI C F，HUANG Y M，CHAO H C.A context-a ware multi-model rem-ote controlleror electronic home devices [J].Kluwer Academic Publishers，2010，54（1）：43-60.

[3] OUNI S，AYOUB Z T.Cooperative Association/Re-association Appro-achesto Optimize Energy Consumption for Real-Time IEEE802.15.4/ZigBeeWireless Sensor Networks[J].Wireless Pers Commun，2013，71（4）：3157-3183.

[4] 江朝晖，焦俊，潘伟，等.基于ZigBee的农业通用无线监测系统设计[J].安徽农业科学，2010，38（6）：3149-3151.

[5] ZHANG Q，YANG X L，ZHOU Y M.A wireless solution for greenhouse monitoring and control system based on ZigBee technology[J].Journal of Zhejiang University-SCIENCE A，2007，8（10）：1584-1587.

[6] 基于Zigbee组网技术的智能温室自控系统设计[EB/OL].[2017-02-01].https：//wenku.baidu.com/view/0958587552d380eb62946d9c.html.

[7] 黄萌.基于STM32集智能温室和杀虫为一体的控制系统的设计[J].湖北农机化，2015（3）：60-62.

[8] 王丹丹，宗振海，陳慧珊，等.基于STM32的智能温室远程控制系统的设计[J].浙江农业学报，2014（3）：791-796.