基于ZigBee技术的智能农业温控系统实现

朱涛

摘要：本文通过介绍ZigBee技术和软件、硬件选择原则，阐明了ZigBee程序运行过程中数据采集、时间同步、温度自我调控和PC端显示这四大部分的实施过程和技术关键点，为这一技术的发展和延伸提供理论依据和技术支持。

关键词：农业;ZigBee技术;温度;监测与调控

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）24-0229-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Intelligent Agricultural Temperature Control System Based on ZigBee Technology

ZHU Tao

（Institute of Computer Science and Technology ，Anhui University of Technology，Huainan 232000， China）

Abstract： By introducing the technology of ZigBee and the principle of choosing software and hardware， this paper expounds the implementation process and key points of the four parts of ZigBee program： data acquisition， time synchronization， temperature self-regulation and PC terminal display. It provides theoretical basis and technical support for the development and extension of this technology.

Key words： Agricultural; ZigBee technology; temperature; monitoring and control

农作物的生长受着多重因素的影响，其中温度对农作物的生长起着至关重要的作用，农作物只有在适宜的温度环境下，才会有序地进行呼吸作用和光合作用，茁壮成长，传统农业中，农民对于温度的调控只能靠生产经验，具有主观性，达不到精准农业的要求标准。在农业不断发展与提升的今天，农业环境的实时监控和精准调节技术也不断精进着。因此农业生产中，如何对温度环境智能的监控和调节逐渐成为研究热点。ZigBee作为一种无线、节能、高效、简便的新技术，因其价格低廉，使用方便，被农业产业广泛使用[1]。

1 ZigBee技术概论

ZigBee这一名称源于仿生学，蜜蜂在获取花丛间食物信息时，会通過一种“zigzag”的舞蹈方式向同伴传达信息，这种方法被人类应用于无线数据传输网络当中，称为ZigBee无线连接技术。ZigBee所含的数据模块高达上万个，模块组中的每一个在网络平台范围内可互相通讯，数据节点的距离也由标准的75 m扩展到更宽泛的距离。每个节点在实现自身监控的基础上，还可在其它通讯设备的信息间自由传送，且在有限范围内，还可与其他无网络信息中转责任的节点进行无缝对接[2]。

由节点构成的网络需要协调器来监控节点的组成，协调器起着给父节点发送信息和接收响应信息的作用。ZigBee技术较其他技术相比传输距离较近，可在3个频段（2.4GHz、868MHz以及915 MHz）上达到最高工作速率（250kbit/s、20kbit/s以及40kbit/s），具有节能、高效、简便、低廉、准确、安全的优势。ZigBee应用范围覆盖广泛，主要包括农业、电网、家具、医疗等不同领域，其适应性主要依靠拓扑结构的选择，因为不同领域适用不同的拓扑结构，常见的拓扑结构共3种，包括星形、网状和树形网络拓扑结构。

2 ZigBee系统总体设计

2.1 ZigBee系统总体设计方案

图1为ZigBee系统总体设计。本实验意在解决传统人工监控的主观性和成本高等问题，达到减少人工操作和自动依据现实环境需要进行实时有效调控温度的目的·。低成本、高效率、操作简单为本实验设计原则[3]。采用DS18B20温度采集模块作为信息采集单元，进而向ZigBee发射模块传输采取的全部信息，当信息传输至ZigBee接受模块时，PC机同ZigBee的主节点相互通信，通讯信息反映至操作单元，操作单元会根提前设定好的温感程序进行升温或者降温操作。当温度调控操作单元发生异常现象时，会进行报警处理，提示工作人员进行维护与维修处理工作。同时实现GPRS与PC机的交互作用，使得与主机联网的其他计算机也能接受实时温控信息，达到资源传播与整合的作用，使得消息传输过程变得方便简洁。

2.2系统硬件选择

2.2.1 ZigBee网络子节点模块硬件组成

图2为ZigBee网络子节点模块结构示意图。其中供电系统包括电源设备、温度控制系统包括升温、降温设备及报警设备。

2.2.2 主控制器选取部分

主控制器位于设计中最重要的地位，负责信息的集成和扩散，因此在控制器的选择上，要秉承成本低、操作简便，信息保存性完整等原则，并在此基础上，此单片机在数据运算整合上可独立操作，减少对外源电路的依赖，降低成本[4]。因此依据以上设计原则，本实验在控制器的选择上，以STC89C52单片机为第一选择。STC89C52单片机结构如图3所示：

STC89C52单片机功能简介：

（1）支持51、AVR/ARM等多种开发平台

（2）模块采取独立分区方式，并配置不同显示屏与其一一对应。模块分区设置主要包括：液晶LCD1602、16位LED灯、8*8点阵、8位数管码、4*4矩阵按键。

（3）其智能温控系统包括温度检测、警报器、独立按键、LED、数管码显示、步进电机，可实现对温度的实时监测与调控。

2.2.3 温度传感器选取部分

温度传感器负责导入温度信号，不同被测对象对应着不同的温度传感器设计单元，所以选择恰当的传感器，才能使得温度监控工作正常运行。传感器选择本着能耗低、传输效率高，无须中途转输、小体积的原则。传感器可依据用途、原理、信息来源、构成等原则划分为不同的类型。其中信息来源包括模拟信息和数字信息，模拟信息需经转输处理才可变为数字信息，增大了数据处理工作量，降低了传感器工作效率。所以在传感器的选择上，本实验为数字传感器。

2.3系统软件选择

2.3.1数据接收软件流程设计

数据接收部分的工作是将所有传感器采集汇聚整理至数据整合节点，整合节点的数据再传输至相应的pc机以及其他设备[3]。整体数据采集与传输软件流程设计如图4所示。

2.3.2时间统一的算法

当每一个节点在采集信息和汇聚节点在整合信息的同时，都需要同一个ZigBee处理时间，也就是所有节点的数据处理都需要一个统一的标准化时间，而对于网络统一时间的算法目前有很多种，包括统一传送报文来标注时间的FTSP算法，不携带时间标注，靠广播指示来协调时间的RBS算法，和选取节点代表来规范时间的DMTS算法。本实验选取时间算法的原则是节省时间，数据处理量小，算法简便。由于后两种算法都需要计算时间相对差，并做相应协调处理，这一过程处理相对复杂，耗时较长，因此选择第一种算法作为时间同步处理算法。

2.3.3 PC端软件开发与设计

PC端与信息采集与接收端相辅相成，缺一不可。PC端可通过图形或文字的方式使用户直观感受温度调控实时情况[5]。PC端必备的几大功能如下：

屏幕显示功能：显示不同传感器的温度状况，并以图片或表格的形式传达。

自我设置功能：用户可根据实际农作物温度所需情况，设置相应的报警参数和标准温度参数，以方便执行单元中的温度调控部分。

自我健康监测功能：当用户点击自我监测按钮时，一条空的数据会经完整的信息传输过程，包括采集，整合，接受，处理这四大部分，若每一部分都能正常健康地运行，系统会弹出一切正常的对话框，可进行下一步的温度监控操作。

系统详情说明：提供系统详情说明书，详细介绍各个模块和不同按键的功能特性。

3结论和展望

本实验以ZigBee作为一种技术支持，来达到对农业大棚环境中温度的实时监控与调节目的。本文主要介绍和设计四大运行部分，即数据采集部分，数据传输与时间同步部分，温度自我调节部分，PC端显示与传送信息部分。也就是将信息以数字化形式传输整合，再以图片或表格形式，直观的呈现给用户，用户下达指令及运行标准后，此技术可实现自动调节温度至理想状态的目的。这一技术目前还在试运行阶段，还存在一些问题需解决与提升。在能耗方面，虽然已尽可能选取能耗低的设备，但是还是会有使用寿命的限制，一旦某一设备无法正常运行，则重组和维修是一大难题，也许未来还会有新能源的出现解决这一问题;在数据采集上，设备只是简单采集所有信息，未对所采取信息做选择性处理，即无法避免干扰信息的存在，未来可能在这一方面会有更智能的采集系统出现，攻克信息干扰这一难题。总的来说，ZigBee这一简便、低廉的技术，在未来会被更好地利用起来，为人类创造更多的价值。

参考文献：

[1] 王淼. 基于ZigBee的智能农业物联网系统[J]. 农业工程， 2018， 8（11）： 34-36.

[2] 崔艳茹. 基于ZigBee技术的环境监测系统设计研究[J]. 通讯世界， 2018（10）： 268-269.

[3] 張习博. 基于ZigBee路由算法的研究及其在数据采集系统中的研究[J]. 自动化与仪器仪表， 2018（11）： 7-10.

[4] 孔阳，杨帅，刘海. 基于ZigBee技术智能检测设备的设计与实现[J].航空精密制造技术， 2018， 54（06）：  52-54.

[5] 田学军，何江芸. 一种基于ZigBee的智慧农业无线网络监控系统[J]. 机床与液压， 2018， 46（22）： 112-115.

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