基于ZigBee的智能大棚系统设计

饶章宇

摘  要： 物联网技术的发展改变了各个行业传统的生产方式，文章使用ZigBee技术设计一种能够监测温室大棚环境并自动控制的智能大棚系统。该系统能自动调节大棚内作物的生长环境，作物的生长环境主要由水泵、换气扇和遮阳板三种设备进行调节，让大棚内的环境始终保持在适合作物生长的最佳状态，调节的依据是利用传感器收集到的大棚内各个环境参数的阈值。文章给出了系统的总体设计、通信协议设计，以及移动端功能设计。

关键词： 物联网; ZigBee; 温室大棚; 智能; 传感器; 通信协议

中图分类号：TP23; S126          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）08-21-03

Abstract： The development of Internet of Things technology has changed the traditional production methods of various industries. This paper uses ZigBee technology to design a intelligent greenhouse system that can monitor the greenhouse environment and automatically control it. The system can automatically adjust the growth environment of crops in the greenhouse. The growth environment of the crops is mainly regulated by three devices： water pump， ventilating fan and sun visor， so that the environment inside the greenhouse is always in the best state suitable for crop growth. The adjustment is based on the thresholds of various environmental parameters in the greenhouse collected by the sensors. This paper gives the overall design of the system， the design of the communication protocol， and the functional design of the mobile terminal.

Key words： Internet of things; ZigBee; greenhouse; intelligence; sensor; communication protocol

0 引言

我国是农业大国，农业是国家的重要经济命脉。温室大棚可以改变植物生长环境，根据作物的最佳生长条件，调节温室气候，使之一年四季满足植物生长需要。与普通的温室大棚相比，数字化精准农业温室大棚不仅能够种植优质高产反季作物，而且将电子、计算机、通信和自动控制等信息技术引入到该领域，朝着精细农业、数字农业的方向发展[1]。

采用无线方式对温室大棚内的环境因子进行多点多参数的采集，可以避免在土壤中铺设大量的线缆，影响作物的耕作。根据所采集的数据，需对温室大棚的环境进行良好的控制，有效地控制大棚内作物在生长过程中需要的水分、通风以及温度等，高度有效地利用各种资源以求得到最大的产出。本文所设计的基于ZigBee技术[2]的智能大棚系统可很好地满足大棚的控制要求。

1 总体设计

智能大棚系统由ZigBee无线传感网，ZigBee网关以及包括移动终端、云存储在内的上位机构成。如图1所示。

图1中的各种传感器节点和控制节点使用基于CC2530[3]的ZigBee节点来完成数据的传输。ZigBee网关主要由一个CC2530模块和一个RT5350模块构成，前者充当ZigBee网络的协调器，后者在嵌入式Linux系统OpenWrt[4-5]的支持下，实现Wifi路由器的功能，二者之间通过串口通信。图中的移动设备可以直接通过局域网与ZigBee网关通信，也可以通过互联网连接云服务器，再与ZigBee网关通信。

每个大棚有一套环境参数传感器节点、控制节点和对应的设备，以及摄像头。智能大棚系统具有如下功能。

⑴ ZigBee网关周期性地将各个大棚的环境参数及执行类设备状态数据保存到云端。保存的数据包括环境参数和控制设备的状态，保存数据的周期可以更改。

⑵ 针对不同的季节和不同的作物，根据作物生长的环境参数阈值，自动启停相应的设备来调节环境参数。

⑶ 移动端查询最新的環境参数及执行类设备状态。查询的结果与⑴中的数据一样。

⑷ 移动端设置适合大棚内作物生长的环境参数阈值，比如最低温度和最高温度，最低湿度和最高湿度等。

⑸ 通过摄像头监视作物的生长情况，可以在移动端查看。使用至少两个摄像头，一个监视大范围作物，一个监视局部作物。

⑹ 通过移动端控制大棚内的执行设备，以调节环境参数。尽管智能大棚可以自动调节环境参数，但是某些情况下可能需要手动调节。比如某些传感器出现了故障造成数据失真;天气突然变化等。因此，除了自动调节环境参数外，有时候还需要人工干预。

2 通信协议设计

智能大棚系统中的通信发生在ZigBee网关和移动端、ZigBee网关和云端，以及ZigBee网关（或ZigBee协调器）与各个ZigBee传感器节点或设备控制节点之间。需要规定这些通信的协议或消息格式，才能保证整个系统有条不紊的正常工作[6]。

2.1 移动端与ZigBee网关之间的通信协议设计

移动端通过向ZigBee网关发送相应的请求消息来实现对大棚的环境参数及设备状态的查询，实现设定大棚的环境参数阈值、或启停执行设备等功能。ZigBee网关收到请求消息后，会返回对应的响应消息。表1和表2是移动端和ZigBee网关之间通信的消息格式。

大棚编号为“01”-“99”，“00”表示所有大棚，表1发送的消息表示对当前大棚编号进行操作。对于功能码“0”，“5”，“6”，“7”，由于无数据发送，所以其请求消息的数据字段是0字节，即无。对于功能码“1”，“2”，“3”，“4”，其数据字段表示设定的时间，由两个字符表示。对于功能码“8”，其数据字段为各环境参数的阈值，其中空气温湿度4字节，土壤湿度2字节，CO2浓度3字节，光照强度4字节，包括最低值和最高值，总共26字节。除了功能碼“0”的返回消息是返回大棚数据外，其他功能码的返回消息都是返回发送消息执行是否执行成功。

2.2 ZigBee 网关周期性保存数据及响应移动端查询的消息格式

ZigBee网关周期性地将各个大棚的环境参数及执行类设备状态数据保存到云端，这些数据有空气温度、空气湿度、土壤湿度、空气中二氧化碳浓度、大棚内光照度，以及三种执行类设备的状态（开/关/未知）。另外，当移动端查询大棚数据时（对应于表3中的功能码“0”，“1”），ZigBee网关也会返回同样的数据。消息格式定义如表4。

2.3 各传感器节点和控制节点向ZigBee网关提交数据的消息格式

每个大棚或监控区，都有一套相同的环境参数传感器节点和控制节点。四个传感器节点包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、CO2传感器、光照度传感器。一个控制节点控制水泵、换气扇和遮阳板。传感器节点将相应的环境参数数据传给ZigBee网关，控制节点将相应执行设备的状态传给ZigBee网关。表5是4个传感器节点和1个控制节点向ZigBee网关提交数据的格式。

上述消息格式中的大棚编号的含义同前。终端编号用于识别节点的作用，如“D4”用于收集光照强度。消息中的状态或传感器值同前，都用字符表示，如“D4012310q”表示1号大棚光照强度为2310lux，其中“q”为“D4012310”每个字符作异或操作得出来的校验码。

3 移动端设计

在智能大棚系统中，移动端属于ZigBee网络的上位机的一个重要组成部分，是人们与智能大棚系统进行交互的媒介，它可以使人们对大棚的监测与控制不受地点的约束。移动端采用了Android技术[5]开发。

移动设备的主要功能包括：查询大棚环境参数数据，设置大棚各个环境参数的阈值（适合作物生长的环境参数最小值和最大值），在某些情况下启动或关闭大棚的水泵、换气扇和遮阳板，以及设置ZigBee网关向云端保存数据的周期，还可以查看大棚内监控摄像头的画面，如图2所示。

4 结束语

目前，国家已经将智能农业作为战略性新型产业给予大力推进，智能大棚系统是我们对智能农业的一个探索。该系统的特色包括：1）将大棚内的环境参数保存到云端，一方面使数据存储更加安全可靠，另一方面也可供后续功能扩展和数据分析使用;2）使用Android端对大棚内的环境参数进行监测和控制，不受地点的约束;3）通信协议设计完整、简洁、高效。目前市面上的智能窗帘系统还未普及，现有的自动窗帘系统也存在各种弊端。该系统相较于市面上的大多数自动窗帘系统而言，更加便捷和高效，也更加智能。就生活中智能窗帘的普及程度和该系统的优势来看，本文设计的自动窗帘系统具有应用前景。

参考文献（References）：

[1] 廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法[J].农业工程学报，2016.32（11）：233-243

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

[3] 刘德.基于CC2530的ZigBee无线组网[J].可编程控制器与工厂自动化，2012.6：93-95

[4] 王琦，张睿曦，赵恒.基于OpenWrt的智能大棚监控系统设计[J].河南机电高等专科学校学报，2018.26（3）：4-7

[5] 鲁海瑞. 基于OpenWrt与Android的智能家居系统研究与实现[D].山东大学，2016.

[6] 张宇.智能家居通信系统设计与实现[D].青岛大学，2018.