基于ZigBee无线传感网络的大棚数据采集系统的设计

高昕*，魏韬，樊世鑫，朱梦杰



基于ZigBee无线传感网络的大棚数据采集系统的设计

高昕*，魏韬，樊世鑫，朱梦杰

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南，232000）

针对于我国农业大棚存在着采集精度偏低，远程控制信号不稳定等缺点，本文提出了一种基于ZigBee平台构建起来的无线传感网络，通过传感器节点对大棚内的各项参数进行监测，相对于其它无线通信技术，ZigBee无线通信技术具有低功耗，高性能，传输信息准确等优点，引入卡尔曼滤波算法对数据进行融合处理。营造了一种优良的内部智能生长环境，大大提高了农作物的生长效率。

农业大棚；ZigBee；无线传感网络；卡尔曼滤波算法

引言

由于我国目前农业产值低下，农业技术不够先进，使得当前资源利用率不高，所以智能农业的概念得以提出，当前形势下主要运用于大棚环境下的环境参数监控，通过各类传感器构成的终端节点对大棚内的各个参数进行数据采集，为了提高采集精度，采用了卡尔曼滤波算法进行去燥，去冗余处理，并且使用无线通信模块，通过ZigBee技术，以无线传感器网络为基础构成一套智能环境系统，对监测到的数据进行处理与反馈，很大程度上节约了劳动力，提高了生产效率。

1 系统整体设计

本系统设计主要可以分为无线传感网络、网关和主控制中心这三点内容。在无线传感网络体系设计当中采用了大量的数据采集结点，如下图所示，数据采集节点是由不同类型的传感器构成的，包括温湿度传感器、光照传感器、CO2浓度传感器以及安防传感器，分别对所需要的空气中CO2浓度，植物的光照强度，土壤的温湿度以及安防等信息数据进行采集，然后将采集到的数据传输到协调器，经过协调器集中处理后，发送给控制中心。为了提高数据采集的精确度，特别引入卡尔曼滤波算法对采集的数据进行去燥，去冗余处理以提高控制精度。

图1 系统整体功能框图

2 系统硬件部分设计

2.1 无线通信模块的设计

本次设计中所有的ZigBee节点均采用CC2530无线通信模块，开发板型号为BW-CC2530M，它具有功耗低，体积小，性能卓越等优点。其最小系统结构主要包括射频功能模块，时钟系统，I/O控制器，DMA控制器，定时器以及负责采集和转换模拟信号的ADC。

2.2 协调器模块

一般情况下，协调器节点负责网络的组建，完成各个终端节点的数据汇总打包，并将打包后的数据信息通过串口传送给嵌入式网络。

图2 协调器节点硬件原理图

2.3 传感器模块

传感器部分主要由DHT11数字温湿度传感器，MH-Z14A二氧化碳传感器，光敏传感器等组成的，这些传感器构成终端节点，进行采集数据。

图3 传感器节点硬件原理图

2.4 控制器模块

控制模块的被控参数主要包括温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度，由终端节点将这些数据采集经由协调器汇总处理通过无线传感网络传送给PC端，PC用户通过USB接口与控制器相连，发送控制命令，如图4所示。

图4 控制原理示意图

为了更加精确的控制大棚内的各个参数，弥补自动控制中的不足，比如遇到突变的自然环境，系统暂时无法及时响应，管理员可以通过手动控制来对数据进行监测。

控制策略：根据实际情况给各个参数设计一个适当的阈值，当所监测的大棚内的各个参数（空气、土壤的温湿度，光照强度，CO2浓度等）超过设定的阈值时，由远程控制端发送控制指令给对应的设备（照明设备，通风机等）调整数据进入阈值范围之内，使农作物获得最优生长环境。

3 系统软件部分设计

软件设计部分包括传感器数据采集程序也就是终端节点的软件部分和指令控制程序。传感器检测数据后，需要对数据进行初噪声，避免干扰，经卡尔曼滤波处理后发送给控制器。

指令控制程序流程为：初始化后进入低功耗状态，正常工作时有两种方式，发送数据至云服务中心和接受用户的控制指令。

4 卡尔曼滤波实验

为了使整个系统设计具有现实意义，就必须彻底的解决终端节点采集数据的精确性和系统运行的能耗问题。由于大棚内数据测量在时间上是独立的，而卡尔曼滤波算法占用内存小，适合用于离散型系统，因此对于该网络来说是最佳选择。卡尔曼滤波算法在提高采集数据精确性方面表现在：将某时刻测量的数据给出观察值和估计值，并且通过计算得出最优估计值，最优估计值最接近真实值，同时算出卡尔曼系数用于下一时刻最优估计值的计算，通过这种推算可以大大降低误差。

传感器测量值为：

K表示当前时刻，k-1表示上一时刻，X（k）为状态变量，Z（k）为测量值变量。下同；

根据系统k-1时刻状态而预测k时刻状态：

A、B皆为系统的定义参数，在多测量系统中，A、B表示矩阵，H表示测量系统的观测矩阵。

卡尔曼滤波算法在降低节点能耗方面表现在：除去多终端节点采集的重复数据，减少传输量，避免堵塞信道传输，以达到降低节点能耗的目的。

以长丰县大棚环境内草莓生长温度和湿度参数为例进行实验演示，草莓适宜生长的温度是15—30℃，假设大棚内恒定温度为27℃，相对湿度恒定为24%，预测的值分别是25℃和22.5%，允许的误差都是1℃。现在通过测量，将100个测量数据引入实验，测试过程中经过测量噪声Q=0.0002，协方差R=0.1，温度初始值设置S(1)=25，湿度初始值设置为22.5%，P(1)=10，先使用Matlab仿真如下：

图6 卡尔曼滤波温度实验仿真图

图7 卡尔曼滤波湿度实验仿真图

如图所示，红线表示实际值，黑线表示测量值，绿线表示卡尔曼滤波算法处理后的数据，由此可见卡尔曼滤波处理后的最优数据与实际值更加吻合，同时算出下一时刻的最优估计值，这样便减少数据采集的误差，由于本文中是多传感器节点采集数据，会造成数据冗余，引入卡尔曼滤波算法大大降低了系统功耗，避免了信道阻塞，使得控制更加精准可靠。

5 结束语

通过对于目标要求的分析，我们设计了一套智能监测系统对于大棚环境内部的参数进行监测，该系统通过终端节点对实验参数进行采集，通过构建无线传感器网络对数据和控制命令进行传送，由无线通信模块CC2530对实验数据进行汇总处理，最后传送到控制中心，远程控制PC端或嵌入式手提终端通过USB接口与控制器串口相连，对目标设备进行控制。这实际上是通过物联网技术与大棚系统进行结合，实现了一种远程智能控制功能，节能，便捷高效，极大程度上提高了生产效率。

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The Design of Data Acquisition System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

GAO Xin*, WEI Tao, FAN Shixin, ZHU Mengjie

(anhui university of science & technology, school of electrical and information engineering, Anhui Huainan, 232000, China)

in view of our country agriculture greenhouse has the low acquisition precision, remote control signal unstable faults, this paper proposes a kind of technology of wireless sensor network based on ZigBee platform, sensor nodes inside the greenhouse through the various parameter monitoring, relative to other wireless technology, ZigBee wireless communication technology has many advangtages,such as low power consumption, high performance, accurate transport information and so on,the goal of the introduction of the kalman filtering algorithm is to fusion processing data. It has created an excellent internal intelligent growth environment and greatly improved the growth efficiency of crops.

agricultural greenhouse；ZigBee；wireless sensor network；kalman filtering algorithm

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.031

TP29

A

1672-9129(2018)01-0079-03

高昕, 魏韬, 樊世鑫, 等. 基于ZigBee无线传感网络的大棚数据采集系统的设计[J]. 数码设计, 2018, 7(1): 79-80.

GAO Xin, WEI Tao, FAN Shixin, et al. The Design of Data Acquisition System Based on ZigBee Wireless Sensor Network[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 79-80.

2017-11-01；

2017-12-19。

高昕（1965-）女，安徽淮南人，博士，副教授，硕士生导师，多年来一直从事控制工程与电力传动及控制技术方面的研究和教学工作，获2011年度校优秀教师，承担安徽理工大学博士基金配电质量技术在小系统中的应用研究项目。E-mail:476398437@qq.com