基于ARM9和Zigbee的温室大棚远程智能监测预警系统

刘丰年

(三门峡职业技术学院 信息工程传媒学院，河南 三门峡 472000)

基于ARM9和Zigbee的温室大棚远程智能监测预警系统

刘丰年

(三门峡职业技术学院 信息工程传媒学院，河南 三门峡 472000)

在智慧农业的背景下，为实现温室大棚的远程化、智能化与信息化管理，设计了一种以ARM9和Zigbee技术为核心的温室大棚远程智能监控预警系统.该系统用传感器采集温室大棚环境的温湿度和二氧化碳参数，通过Zigbee网关上传至手机客户端，手机客户端根据预设值进行报警提示，使用户能够实时准确地掌握温室大棚的环境状况.测试实验证明，该系统具有能耗低、性价比高、扩展性强的优点，具有较高的应用价值.

温室大棚；ARM9；Zigbee；传感器；智能监测系统

随着我国社会和科技的进步，智慧农业迅速崛起，温室大棚技术作为农业设施的一种常见形式被广泛应用，为农作物营造了良好的生长环境，大大提高了农作物的产量，有力推动了集约型农业的转型发展[1].然而，现有的温室大棚环境监测手段落后，信息化和智能化管理水平较低，严重影响了温室大棚的产量和经济效益，阻碍了温室大棚的发展.因此，温室大棚的远程智能监测受到了越来越多的关注[2-3].与此同时，随着传感器技术和无线通信技术的迅速发展，ARM9系列处理器的高性能与Zigbee的低功耗、自组网、容量大等优点逐渐被人们所认可，已被广泛应用于物联网和智能家居领域且取得了较好的效果.

本研究针对温室大棚环境远程智能实时监测的需求，结合先进的传感器和无线传输技术，设计了一种以S3C2410和Zigbee网关为核心的温室大棚远程智能监测预警系统.该系统采用HTU21D温湿度传感器和T6615二氧化碳传感器实时采集温室大棚的温湿度和二氧化碳参数，通过Zigbee网关上传至手机客户端，手机客户端根据预设值进行报警提示，达到了监测温室大棚环境的目的，节省了人力资源，提高了温室大棚的信息化与智能化程度，具有较强的扩展性和应用价值.

1 系统总体设计

根据温室大棚中影响农作物生长的主要环境因素和远程智能实时监测预警的需求，系统采用独立模块原则，按照低功耗、微型化、可扩展、稳定可靠、协议统一的标准进行了设计，主要包括温湿度传感器、二氧化碳传感器和Zigbee网关3个部分，具体结构如图1所示.

图1 系统结构Fig.1 The structural diagram of system

(1)Zigbee网关是整个温室大棚远程智能监控预警系统的核心，具体负责温室大棚内Zigbee网络的建立，管理整个网络中所有的Zigbee终端，向各个传感器发送数据采集指令，收集采集到的数据，将Zigbee信息转换为符合TCP/IP协议的信息，最终将转换后的信息通过网络上传至终端设备.

(2)HTU21D温湿度传感器具体负责采集温室大棚环境的温度和湿度，将采集到的信息通过Zigbee网络传送给Zigbee网关.该传感器可以设置阈值并具有超阈值报警功能，还可以调整数据采集周期和接收Zigbee网关下达的数据采集指令.

(3)T6615二氧化碳传感器具体负责采集温室大棚里的二氧化碳浓度，将采集到的数据通过Zigbee网络传送给Zigbee网关.

2 系统硬件

系统硬件是整个系统的基础，主要包括Zigbee网关、HTU21D温湿度传感器和T6615二氧化碳传感器.

2.1 Zigbee网关

Zigbee网关是整个系统的核心，主要包含核心处理器、Zigbee协调器、3G接口电路、RS232/485接口电路、USB接口电路、以太网卡和备用电池电路等[4].

本系统选择了三星公司的ARM9系列的S3C2410作为Zigbee网关的微处理器，通过以太网或3G/4G网上传信息，外部供电采用15 V电源适配器将220 V电源转化为15 V的直流电，电流为1 A，内部供电采用MP2482将电压转化为5 V或3.3 V.Zigbee网关的整体框架如图2所示.

2.2 HTU21D温湿度传感器

HTU21D温湿度传感器主要包括STM32F103R8T6处理器、HT7333和HTU21D，如图3所示.

图2 Zigbee网关框架Fig.2 The frame diagram of Zigbee gateway

图3 HTU21D温湿度传感器Fig.3 HTU21D temperature humidity sensors

(1)STM32F103R8T6处理器电路

该处理器具有ARM CortexTM-M3内核，处理速度快、抗干扰能力强、功耗低、性价比高、稳定可靠.STM32F103R8T6处理器电路如图4所示.

图4 STM32F103R8T6处理器电路Fig.4 The circuit design of STM32F103R8T6 processor

(2)报送电路

在Zigbee模块中使用的Zigbee芯片型号为ZS05-L-PRO，该芯片是基于MC1322X开发的，与IEEE802.15.4兼容，具有方便组网、通信距离远、抗干扰能力强等优点，传输距离可以达到800 m，有16个信道，65 535个ID，发射功率和接收功率分别为18 dBm和-92 dBm，可实现设备间的透明传输.由于处理器I/O口和ZigbeeI/O口的电压不匹配，所以需要在二者之间增加一个100 Ω的电阻.报送电路如图5所示.

(3)HTU21D温湿度传感器电路

HTU21D温湿度传感器采用DFN封装，支持数字显示，拥有标准的12C接口，具有功耗低、体积小等优点，测温为-40～125 ℃，湿度为0%～100% RH，处理器使用的是STM32F103R8T6.考虑到传感器位置可能需要经常调换，再加上所用的都是低功耗元件，所以HTU21D温湿度传感器供电采用的是3节5 V电池，通过HT7333稳压芯片把15 V电压转化为3.3 V.测试发现，3节5 V电池可以持续为传感器供电6～10个月，能满足实际需求.HTU21D温湿度传感器电路如图6所示.

图5 报送电路Fig.5 The circuit of submission

图6 HTU21D温湿度传感器电路Fig.6 The circuit of HTU21D temperature humidity sensors

2.3 T6615二氧化碳传感器

二氧化碳传感器主要包括PIC16F690处理器、T6615传感器和HT7650.供电采用6 V的电压适配器将220 V电压变换为6 V，LDO需要的5 V电压通过HT7650转换，处理器与传感器之间通过IIC通讯，处理器与Zigbee芯片间通过TTL通讯.

图7 PIC16F690处理器电路Fig.7 The circuit of PIC16F690 processor

(1)PIC16F690处理器电路

该处理器具有8位CMOS闪存，20个引脚，一个串口，可以直接驱动LED，性能高，功耗工作电流为11 μA.PIC16F690处理器电路如图7所示.

(2)T6615二氧化碳传感器电路

T6615二氧化碳传感器的精确度为75×10-6，测量范围为0～2 000×10-6，单次采集信息的时间为4 s，具有功耗低、结构紧凑、性价比高等优点，供电电压为5 V.T6615二氧化碳传感器部分电路如图8所示.

图8 T6615二氧化碳传感器部分电路Fig.8 Some parts of the circuit of T6615 carbon dioxide sensors

3 系统软件设计与测试

系统软件设计主要包括Zigbee网关和各传感器的软件设计.

3.1 Zigbee网关

先将Zigbee模块连接到电脑，完成基本配置，确保组网成功.Zigbee模块负责网关与终端之间的数据通信，对串口发来的指令，处理后就发送给终端设备，对终端设备发来的指令，处理完后发送给处理器.Zigbee模块的工作流程如图9所示.

3.2 传感器软件

HTU21D温湿度传感器和T6615二氧化碳传感器采集温室大棚的环境信息，通过Zigbee报送给网关，用户可以在客户端查询相关信息.由于传感器的工作原理相似，所以仅以HTU21D温湿度传感器为例，介绍传感器软件.

HTU21D温湿度传感器每隔1 h采集一次信息并报送给Zigbee网关，当监测数据高于阈值时，就会发送报警信息给Zigbee网关.经测试，湿度阈值设定为40%～60%，温度阈值设定为15～25 ℃较为合理.HTU21D温湿度传感器的程序如图10所示.

图9 Zigbee模块的工作流程Fig.9 The workflow of Zigbee modules

图10 HTU21D温湿度传感器的程序流程Fig.10 The program flow chart of HTU21D temperature humidity sensors

HTU21D温湿度传感器主要包括入网、阈值设置、读环境信息、超阈值报警和定时报送，各子程序如下：

(1)入网.用户通过按HTU21D温湿度传感器上的按键报送设备类型，Zigbee网关接收到Zigbee识别信息后将其加入网络，Zigbee网关向HTU21D温湿度传感器返回指令，HTU21D温湿度传感器接收到指令后指示灯闪烁表明收到回复.

(2)阈值设置.用户通过客户端设置HTU21D温湿度传感器上的报警阈值，报警阈值经Zigbee网关转换为HTU21D温湿度传感器能够识别的指令信息，存储到传感器中.

(3)读环境信息.用户通过客户端向HTU21D温湿度传感器发送读环境信息指令，HTU21D温湿度传感器得到指令后读取环境信息并上传至网关，得到网关的回复指令后程序结束.如果没有得到回复指令，则继续发送，直到收到回复为止.

(4)超阈值报警.阈值设置后处理器开始启动计时器，每秒读值一次，然后将该值与阈值比较，如果超过即报送网关，接到网关回复之后程序结束.

(5)定时报送.HTU21D温湿度传感器的定时器每隔1 h采集一次数据并报送网关.

3.3 系统测试

图11 数据传输时间和距离的关系Fig.11 The diagram of data transmission time and range

借用紫光物联平台的客户端，对温室大棚远程智能监测预警系统进行了整体测试.所有设备联网正常，覆盖面积可以达到300 m2，设备经网关到客户端的传输时间基本上在1.5 s左右，主机和终端设备功能均符合实际需求，每隔1 h报送一次温湿度和二氧化碳浓度，阈值设置有效且反应灵敏.数据传输时间和距离的关系如图11所示.

4 结语

本研究根据温室大棚远程智能监测的需求，采用先进的传感器技术和无线传输技术，设计了一种以S3C2410处理器和Zigbee网关为核心的温室大棚远程智能监测预警系统.该系统采用HTU21D温湿度传感器和T6615二氧化碳传感器实时采集温室大棚的温湿度信息和二氧化碳参数，通过Zigbee网关上传至手机客户端，用户可以通过手机客户端查看温室大棚的环境信息，手机客户端也会根据预设值进行报警提示，以达到温室大棚环境远程监测的目的.该系统提高了无人值守情况下温室大棚信息化与智能化的程度，具有较强的扩展性和应用价值.

[1] 韩剑，莫德清．基于Android与GSM的温室大棚远程监控系统[J]．江苏农业科学，2015，43(4)：397-399．

[2] 徐晖．基于PLC的智能温室大棚系统设计[J]．兰州文理学院学报(自然科学版)，2015，29(4)：41-45．

[3] 邵春声，张兵．基于PROTEUS的温室大棚温度控制系统的设计与仿真[J]．中国农机化学报，2015，36(6)：92-95．

[4] 王宪磊．基于Zigbee的智能温室大棚环境自动化监测系统设计[J]．农业科技与装备，2016，16(7)：27-29,33．

[5] 陈会莲，谷明月,郑艳博,等．基于PLC的温湿度自动控制系统的设计[J]．中国农机化学报，2015，36(2)：246-248．

On the online intelligent monitoring prewarning system of the greenhouse based on the ARM9 and Zigbee

LIU Fengnian

(DepartmentofInformationEngineeringandMedia,SanmenxiaPolytechnicCollege,Sanmenxia472000,China)

In order to implement the online, intelligent and informative management of the greenhouse in the background of the intelligent agriculture, an online intelligent monitoring prewarning system of the greenhouse is designed based on the ARM9 and Zigbee. In the system the temperature and the humidity of the greenhouse as well as the parameter of CO2are collected by the use of the sensor, and the parameter are to be uploaded to the clients of the mobile phone, and then the mobile phone will warn to reminder according to the figure set in advance, so the client can know correctly the environmental condition of the greenhouse on time. Having been tested by the experiment, the system costs fewer energy and gets higher performance price ratio and the stronger expandability, and it is applicable in practice.

greenhouse; ARM9; Zigbee; sensor; intelligent monitoring system

2017-01-07

河南省教育厅科学技术研究重点项目(15B520026)

刘丰年(1982-)，男，河南三门峡人，讲师，研究方向为模式识别与智能系统.

TP277

A

1674-330X(2017)02-0067-05