基于ZigBee的温室大棚环境远程监控系统设计*

郑晓茜，邵帅飞

（1.郑州职业技术学院，河南 郑州 450121；2.机械工业第六设计研究院有限公司，河南 郑州 450007）

温室大棚种植模式保证了果蔬产品的品质和产量，保证了反季节蔬菜的生产，同时减少了自然灾害对作物的影响，增加了种植户的收入。目前，对大棚环境参数的检测和控制多采用人工或有线布线方式管理，存在监控不及时、布线复杂、造价高、维护不便等问题[1-2]。本设计采用ZigBee技术对温室大棚内的环境参数进行实时监测，系统根据设定值自动（也可手动）对温室大棚内受控制的设备（如风机、遮帘顶棚、灌溉设备等）发出控制命令，实现了大棚内设备的自动化监控管理，从而为果蔬生长和发育提供适宜的环境条件[3]。同时，该系统具有功耗小、投入成本低、控制精准等优点。

1 系统总体设计方案

温室大棚远程环境监控系统采用ZigBee树状网络拓扑结构，系统对每个大棚配置一个ZigBee传感器终端节点、一个ZigBee路由节点和一个ZigBee设备执行终端节点，各大棚内的执行设备是互不干扰、独立工作的[4]。温室大棚内环境参数远程监控系统总体结构图如图1所示。

图1 温室大棚远程监控系统结构图

终端监控节点包括传感终端节点（检测大棚内的环境参数信息）和执行终端节点（控制相关设备的启停）。传感采集装置和设备执行装置均布置在各个大棚内[5]。系统将传感器采集到的相关数据（土壤湿度、空气温湿度、CO2浓度、光照强度），通过ZigBee无线通信技术传输给路由节点，再由路由节点传输给ZigBee协调器模块，ZigBee协调器模块接收数据后进行信息的汇总并传输给上位机、手机，上位机进行数据的查询、处理管理，并与预设参数进行比较，根据结果发出相应的控制指令，各执行设备终端节点收到控制指令后启停风扇、卷帘机等设备。控制指令也是由ZigBee路由节点发送至终端执行节点，然后根据指令控制各设备的开关[6]。

2 系统的硬件设计

2.1 ZigBee模块

ZigBee模块具有体积小、功耗低、设备成本小、传输可靠性高且距离远等优点。为解决多个温室大棚布线复杂的问题，本设计采用CC2530-F256模块作为控制芯片，实现大棚内数据的传输及现场的控制。ZigBee模块包含了三部分：ZigBee终端模块、路由器模块和协调器模块。CC2530-F256的电路原理图如图2所示。

图2 CC2530-F256的电路原理图

2.2 ZigBee终端节点设计

ZigBee终端节点结构如图3所示。ZigBee传感终端节点包括两部分，即ZigBee传感终端节点和ZigBee执行终端节点。ZigBee传感终端节点负责接收传感器采集的数据并传输给ZigBee路由节点，ZigBee执行终端节点负责接收控制信号并传输给执行设备。

图3 ZigBee终端节点结构图

2.2.1 空气温湿度传感器的选择

AM2302温湿度传感器的优点是稳定性好、可靠性高、具有数字信号输出功能等，广泛应用于农业环境的温湿度监测。故本系统的空气温湿度传感器选用AM2302模块。AM2302温湿度传感器接线图如图4所示。

图4 AM2302温湿度传感器接线图

2.2.2 土壤湿度传感器的选择

TH-FDR2000型土壤水分传感器具有测量精度高、响应速度快、耐腐蚀性好、封闭性佳等特点，常用于土壤墒情监测、温室控制、节水灌溉等领域。本系统的土壤湿度传感器选择TH-FDR2000模块。

2.2.3 光照传感器的选择

B-LUX-V30B光照传感器具有抗干扰能力强、体积小、便于安装、传输距离长等优点，故选择BLUX-V30B模块作为本系统的光照传感器模块。该模块将采集的光照强度参数传给CC2530-F256模块，通过与预设值的比较，决定是否开启补光设备（LED光源）。

2.2.4 CO2传感器模块的选择

GMP343传感器具有功耗低、灵敏度优、外壳防护等级高和散热功能好等优点，通信方式采用RS485，适用于恶劣环境。故本系统的CO2传感器选择GMP343模块。

2.3 执行终端节点

ZigBee设备执行终端节点将控制数据传给固态继电器，控制灌溉设备、热风机、风扇、补光设备、卷帘机等的开关，从而为大棚提供适合农作物生长的环境条件。

3 系统软件设计

ZigBee模块完成组网后，开始对环境各参数进行监测。传感器模块分别采集相应数据并将数据处理后发给ZigBee网络协调器，网络协调器再发给上位机，上位机与预设值比较后，发出相应的控制指令，最后通过继电器控制相应执行设备的启停，从而实现大棚内环境的远程监控。监控系统的主程序流程图如图5所示。

图5 监控系统主程序流程图

4 结束语

基于ZigBee技术的温室大棚远程监控系统，通过多个不同的传感器节点采集各大棚内的环境参数数据，并通过ZigBee网络上传至上位机或手机[7]。上位机或手机根据数据发出控制指令，控制各执行装置的启停，从而保证大棚内的环境在合适范围内，该系统对智能农业具有重要的现实意义。