基于ZigBee的温室监测系统设计与实现

李佳辕 刘彬

摘  要：随着网络的不断发展和无线通信技术的成熟，传统的温室物联网系统已经远不能满足现代温室大棚的需求。当前，国内多数大棚的温室监测采用有线部署，不仅成本高而且管理复杂。采用B/S模式体系结构并结合Vue框架开发设计一种基于Linux的ZigBee远程温室环境监测系统，可有效解决传统温室环境数据采集低效、人工成本高等问题。该系统能够使用户实时远程掌握温室环境变化，远程动态调节温室环境，从而使温室内作物稳定高效的生长。

关键词：温室大棚;环境监测;远程控制;ZigBee

中图分类号：TP274      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）24-0013-04

Design and Implementation of Greenhouse Monitoring System Based on ZigBee

LI Jiayuan，LIU Bin

（Panzhihua University，Panzhihua  617000，China）

Abstract：With the continuous development of network and the maturity of wireless communication technology，the traditional greenhouse internet of things system has been far from meeting the needs of modern greenhouse. At present，most greenhouse monitoring in China adopts wired deployment，which is not only high cost but also complex management. A ZigBee remote greenhouse environment monitoring system based on Linux is designed by using B/S mode architecture and Vue framework，which can effectively solve the problems of low efficiency and high labor cost of traditional greenhouse environment data collection. The system can remotely grasp the greenhouse environmental changes in real time，remotely modulating the greenhouse environment，so as to make crops grow stably and efficiently in the greenhouse.

Keywords：greenhouse;environmental monitoring;remote control;ZigBee

0  引  言

隨着互联网时代的逐步发展，网络应用到了各行各业，传统的温室环境检测系统也必定迎来新一轮的技术革新。在各种大棚种植基地中，大棚的环境监测是农作物成长尤为重要的一个因素。目前，我国在温室环境监测上的物联网技术相比于其他国家较为落后，大棚种植基地采用的环境监测方式大多数还是传统的有线部署方式。这种方式存在诸多问题，一是维护性差，例如当农场需要改造或扩大规模时，需要先拆掉原有线路然后重新对线路进行部署，十分不便。二是成本较高，种植基地除购置相关设备外，还有昂贵的人工费用。三是管理不够方便，不能将数据实时地传给用户，不能自动反馈调节大棚温度，工作人员的工作效率低下。

为了克服有线方式的温室监测控制缺点，近几年来，无线通信技术成了重点关注点。无线通信技术具有易拓展、移动性强、费用低、自动连接组织、灵活性高等优点，使它在温室大棚技术应用中具有明显的优势。ZigBee作为一种新型的无线通信技术，由于对网络要求低、扩展方便、易于维护、移动性强，在新型现代化农、工业控制，智能家居、商业楼宇自动化等各个领域都得到了广泛的认可，是目前使用最广泛的一种无线网技术，表现出了强大的应用前景。该技术还适用于网络信号较差的环境，能够有效地应对农村地区的温室大棚环境，可有效解决用户的问题。

本文提出一种基于Linux的ZigBee远程温室环境监测系统，使用ZigBee自组网代替传统的有线网络，使用轻型的SQLite3数据库和超小型boa服务器。用户可以通过手机信息获取温室大棚内温度、湿度、光照强度、烟雾浓度等环境数据，能够及时发现异常，有效保证温室大棚作物的产量和质量。

1  需求分析

随着大棚产业的不断发展，人们对自动化、精确化和效益最大化不断提出更高要求。利用快速发展的互联网技术取代人工管理，减少人工费用是当前所需。使用无线技术部署温室监测更加方便和灵活。针对当前大棚产业的需求提出“基于ZigBee的温室监测系统设计”项目，我们从可行性和功能需求两个方面进行分析。

1.1  可行性分析

1.1.1  经济可行性

传统的温室监测方式大多采用有线部署方式，有线方式在初次使用时，不仅安装麻烦，而且在成本上相对于无线部署方式更高。当农场需要改造时，有线方式需要拆掉以前的线路然后重新部署，花费大量的人力、财力，而无线方式只需把传感器移到需要监测的位置即可，具有经济、方便部署及维护等特点，更适用于现代农业。

1.1.2  技术可行性

当前网络信息技术快速发展，该系统总体使用B/S模式，前端采用当下最为流行的Vue框架进行开发。在技术层面，该项目运用到的技術有Zigbee、MQTT等一些主流信息传输和收集技术，这些技术具备良好的兼容性和易于在该项目实现的操作性，有很好的前景和潜力。

1.1.3  市场可行性

市场对大棚产品的需求不断增加，温室大棚得到了应有的发展，所以在温室环境监测方面有很大的需求。该系统使用ZigBee无线传输协议进行数据收集和传输，部署方便，灵活性强，符合用户对大棚监测的需求，另外，目前采用无线设计的环境监测系统很少，市场竞争方面也有着巨大优势，在市场方面可行性高。

1.2  系统功能需求

远程温室环境系统设计主要分为四大模块，分别为数据采集模块、远程数据转发、分析存储控制模块以及用户模块，功能需求设计如图1所示。

其功能需求描述为：

（1）数据采集模块。在终端处通过传感器进行温室数据的采集，并等待数据转发，当后台通过数据分析，发现光照不够时，就传入增加光照的控制信号，开启日照灯，达到环境控制的功能。

（2）远程数据转发模块。将采集的数据通过消息传送协议将数据进行上传，并把这些数据实时的显示在QT面板上，另外负责接收分析存储控制模块处理后的调控信号。

（3）分析存储控制模块。第一，对温室数据进行存储，也是最基础的功能。第二，对温室数据进行分析，比如求平均值、判断是否超过阈值（即超过用户设定的范围），自动将数据反馈给用户模块，然后做出相应的调节，第三，起到桥梁作用，将数据转发模块和用户模块连接起来。

（4）用户模块。首先实现登录和个人信息修改，然后实现温室数据查询功能，并发出控制信号，实现温室设备的控制功能。

2  系统设计与实现

2.1  系统总体设计

该系统采用当下主流的无线监测与控制方式，使用ZigBee终端实现数据的采集，通过ZigBee协调器对终端实现管理，通过MQTT协议实现转发控制信息和采集的数据信息。服务器和数据库之间的数据交互利用CGI通用网关接口实现，然后用户通过带有用户信息等参数请求服务器进行温室数据查询并进行控制，服务器自动对收集的数据进行自动化分析存储，通过对比用户设置的参数对光照控制器等终端节点实现自动化的控制。

该系统主要由三大部分组成，总体设计如图2所示。

根据数据的主要状态分为三大部分，第一部分Zigbee自组网络部分对数据进行收集，第二部分数据的转发分析存储和控制模块对数据进行分析存储，第三部分用户终端的使用模块对数据进行查看，具体功能为：

（1）ZigBee自组网络。通过协调器开启终端节点，通过终端节点采集数据，包括温度、阳光、湿度和烟雾等，组成最基础的边缘部分。

（2）数据的转发分析存储和控制。利用协调器完成对终端数据收集，转发到网关，然后上转数据到服务器，经过一系列自动化处理后，通过分析的数据和用户设置的阈值进行对比，服务器做出响应，发送控制信息到网关，然后协调器再对控制信息进行分析，最终达到自动控制的目的。

（3）用户终端的使用。用户使用网页请求服务器，服务器判断数据库是否有请求数据，有就直接从数据库取出，否则通过服务器将数据转发到协调器，然后进行解释和响应。

2.2  系统具体设计

2.2.1  数据采集模块设计

数据采集模块主要包含温室数据采集、环境控制和数据转发3个功能：

（1）温室数据采集。传感器部署在ZigBee终端上，当收到来自协调器的开启监测信号后，温湿度传感器置于OSAL系统的事件，实现5秒自动采集数据。光敏传感器的数据采集类似于温湿度传感器，但控制是设置在协调器上，使用I2C通信方式读取。烟雾传感器的数据采集同温湿度，但读取时先是将烟雾传感器采集的AD模数转换为电压值，再通过计算得到烟雾值百分比。

（2）温室环境控制。继电器连接光照调节器，部署在协调器上，协调器接收到光照传感器的数据时，就将继电器状态和光照传感器读取的数据打包通过UART发送到网关。

（3）数据转发。数据转发是关键部分，ZigBee数据转发功能主要包含UART串口收发和ZigBee无线自组网络的通信功能，实现远程转发和ZigBee无线自组网络的相互通信。UART串口先是读取协调器，然后再将数据通过MQTT协议转发到服务器上，同时接受服务器传回的数据，UART进行解析并判断系统阈值，如果当前烟雾值大于了阈值，打开烟雾报警器，反之则关闭烟雾报警器，这样就实现了终端和服务器的通信。前端通过Vue来进行项目的界面开发，通过Ajax异步通信技术与后台网关程序进行交互，后台网关收到请求后进行解析，如果能直接从数据库拿到数据，则访问数据库读取数据并返回，如果需要与守护进程通信或需要发送到硬件部分，则通过FIFO管道将数据发送到守护进程，并由守护进程的MQTT线程将数据发送到硬件部分，同时守护进程对请求做出响应，同样，再由网关响应转发给前端，实现数据交互。

2.2.2  分析存储控制模块设计

该模块是核心部分，类似于中央处理器，设计采用boa轻型服务器和SQLite3数据库作为核心控件，接收到数据后进行智能化分析和存储，通过分析存储的数据和阈值对比，做出响应实现自动化控制。

服务器部署的远程数据转发模块的温室环境控制功能和分析存储控制模块的MQTT数据收发功能通过信号量实现同步，同一时间只能有一个消息可以发送，当MQTT订阅线程接收到来远程数据转发模块的数据后，将在回调函数中进行数据处理，该回调函数中主要完成数据解析和自动控制两个功能，数据解析主要包括温室环境的平均、最大、最小值，每5秒解析一次，设置一个定时器，判断当前数据是否接收正常，每分钟执行一次，出现异常则自动重启设备，用户设定的昼夜切换时间，当达到时间就自动切换昼夜模式。另外在自动控制之后，通过对比阈值，若超过阈值，表明烟雾值过高，很有可能发生火灾，就需立即向用户发送短信进行通知，而其他预警不是很紧急，则无需要通知，仅当用户查看时显示。以烟雾预警功能实现为例，当UART接收到数据之后，进行解析并判断系统阈值，如果当前烟雾值大于系统阈值则打开烟雾报警器，反之则关闭烟雾报警器，核心代码为：

void read_count（）{

char gpio_file[12] = "/dev/gpioC";

unsigned int value = 0， data = 0， stop = 0;unsigned int bit = 14;

fd_gpio = open（gpio_file， O_RDWR）; //打开烟雾报警器

ioctl（fd_gpio， S5P_GPIO_SET_OUTPUT， bit）; //烟雾报警器工作模式设置

write（fd_gpio， &value， 4）; //烟雾报警器控制，（默认关闭

while（1）{

if（tehu_count> 0 &&ligh_count> 0 &&smok_count> 0）{

if（write_current_data（） == 0）{ //一次完整数据采集，发送到QT

tehu_count = 0;ligh_count = 0;smok_count = 0;//清空标志位

}

}

if（smok_warning> 0 &&bee_sign == 0）{ //烟雾值超过烟雾阈值，需预警

data = 1;value = data<

write（fd_gpio， &value， 4）;

}else{ //解除預警，关闭烟雾报警器

data = 0;value = data<

write（fd_gpio， &value， 4）;

}

sleep（1）;

}

}

2.2.3  用户管理

用户管理模块主要包含登录、注册、个人信息修改、密码修改和管理员重置普通用户密码5个功能，密码重置功能仅有系统内置的管理员才能使用该权限，主界面效果如图3所示。

用户在浏览器中输入本系统的IP和端口，即可跳转到登录界面，输入账号密码请求服务器进入系统。如果没有账号则可以进行注册，按照格式要求输入正确的信息，使用MD5加密向持久层插入一条用户记录即可。登录之后，我们可以通过点击修改密码按钮，对密码进行更正，然后跳回登录页面重新登录。另外，和修改密码类似的步骤进行对个人信息的更正，先是将需要更正的姓名电话信息输入，然后点击确认，即可实现信息的修改。

3  结  论

将无线通信技术应用于温室中，是温室环境监测和控制从有线到无线的一次变革和新的尝试。无线通信技术在温室中的应用主要涉及蓝牙，ZigBee，GPRS，GS等模块。从实际的应用状况来看，ZigBee无线技术具有价格相对较低、功耗低、自组网能力强等诸多优点，其应用比较广泛。实现了温室大棚环境数据的远程监测和控制，提高了监测系统的可靠性、实时性、稳定性、可扩展性。总之，从测试效果来看，能够满足现代温室大棚的发展和需求，具有较好的实用性。

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作者简介：李佳辕（2000—），男，汉族，四川广安人，本科在读;研究方向：物联网;刘彬（1982—），男，汉族，四川资阳人，网络安全高级工程师，讲师，硕士，研究方向：计算机科学与技术。