ZigBee技术在大棚环境监测系统中的应用

王子博

（遂川县气象局，江西 遂川 343900）

温室大棚的应用历史较长，但由于以往在技术方面存在一定短板，使得温室大棚在应用过程中仍存在诸多实际问题。例如，在大棚环境监测中，受仪器精密度的影响，加之方法不科学，造成应用成本较高，从而导致使用效果难以得到保障。针对此类问题，可采用大棚环境监测系统，提高大棚管理效率。此系统是ZigBee 技术的拓展应用，受益于Zigbee的自组网、低功耗、大规模的特点，可大量部署传感器，实现大棚内环境的精细化、规模化监测，通过将获取到的数据传输至远程终端，进而实现远距离管理温室大棚的目的。

1 大棚环境监测系统的组成结构

大棚环境监测系统主要由ZigBee 物理层、媒体接入控制层、网络层及应用层组成，能及时获取大棚内环境状况。根据大棚环境监测实际需求，可将Zigbee 硬件构建成星形拓扑结构或网状拓扑结构，拓扑网络结构由主协调器和多个从设备组成。主协调器用以建立Zigbee网络服务，启动一个新的个人区域网络，管理各类设备的入网及通信；路由器和终端设备等负责数据的采集及网内的信息传递；终端设备能及时采集大棚环境参数，将有效数据经路由器传送至主协调器，再到达网络层［1］。如果设备终端出现故障，系统可利用数据融合技术显示出具有一定意义的参考数据，并持续进行故障报警。数据控制层由控制管理服务器、数据库服务器、Web 服务器组成，其中，控制管理服务器可针对系统中的服务进程进行统一管理，将数据及环境等情况及时录入数据库服务器中，如与既定温度参数不一，还能采取人工干预措施，及时调节温度。数据库服务器应用了MySQL数据库管理系统，具有极强的安全性能，此系统支持安卓（Android）智能手机进行远程访问及控制。应用层中，为用户提供了一个全面开放的平台，用户可借助不同类型的终端设备进行联网控制。

2 Zigbee网络硬件结构

大棚环境监测系统中Zigbee网络硬件包含Zigbee协调器节点、路由器节点、终端节点3 种节点，半功能设备（RFD）、全功能设备（FFD）2 种设备。节点由传感器模块、处理器模块、电源模块、射频模块等组成，通过集成化技术，达到信息采集的目的。其中，大量半功能设备部署为终端节点，将采集到的外界环境信息传递至全功能设备的路由节点，最终由协调器节点完成Zigbee 协议数据到以太网TCP/IP 协议数据的转换通信。在信息采集终端，主要应用了空气温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器。通过一系列传感装备，可以迅速准确地采集大棚内的各项环境参数。安装时可选择使用直插式封装法，将众多数据集中于显示终端中，极大地提升设备安装调试及维修效率。日常中Zigbee处理器处于待机休眠状态，只有在到达既定时间后方可开始工作，对各类传感装备下达数据收集指令，此时传感器即可按照自身功能，采集环境中的各项参数，并将此类数据及时传递至Zigbee处理器中，随之做出相应的判断。

3 Zigbee技术软件设计

3.1 传感器节点

位于传感网络底层的采集终端即网络节点，可快速收集大棚内的温湿度等关键性数据，并将其显示在LCD（Liquid Crystal Display 液晶显示屏）上，此时即可采用ZigBee 无线通信协议将信息传递至协调器中，对此类数据进行初步处理。在采集终端首次通电的状态下，需进入系统初始化（硬件外设初始化、ZigBee 协议栈初始化）环节，在初始化完成后，即可自动搜寻自身所在范围内的无线网络。待组网成功后，能及时将各类数据借助Zig‐Bee 无线通信协议传输至协调器中，数据发送成功后，终端传感网络即会进入休眠状态，只有再次进行数据采集时方可将其唤醒。

3.2 数据控制层软件

数据控制层可为应用层提供必要的数据支撑，实现应用层的多项功能。在Web 服务器中，所采用的各类软件可满足远程用户的诸多需求，其中部署B/S 结构的监控系统及提供给终端用户使用的Web Service，控制服务管理器需持续运行，以及时接收用户指令，并在处理完毕后给予用户反馈。

3.3 应用软件

为直观显示大棚环境监测系统数据，要通过专业化的软件搭建起大棚智能监控平台，及时调节温湿度等环境状况，协助用户完成管理工作。应用软件系统应具有环境监控、设备操作、报表统计、数据曲线分析、系统配置及数据查询等功能。其中，环境监控功能可将大棚内环境变化情况以三维动画的形式实时展现在显示系统中，用户可在控制室内及时了解环境变化及生产状况，如发现环境异常波动，系统可及时报警。设备控制功能方便了用户操作，能够依据天气变化情况及生产所需手动调节控制器参数。报表统计功能是为便于查询日报表、周报表等历史报表所设计，能及时储存各类历史数据，作为数据分析的重要参考［2］。曲线分析则可全面展示出大棚内的温度变化情况，系统不仅能提供实时的曲线分析图，还可储存历史曲线图，便于后期进行查询及使用。系统配置可满足用户个性化需要，用户可设置个人账号，使管理更为方便、快捷。

3.4 主机应用程序实现

主机应用程序基于Visual Studio 2010 系统进行开发，主要借助了ASP.NET 技术，采用了C#作为开发语言。此软件为模块化设计，依据不同的模块功能，做出针对性极强的设计，有助于降低软件功能模块间的耦合性，保障系统平稳运行。软件是在三层结构设计要求下进行的开发，可使表现层、控制层、逻辑层所包含的内容更为丰富，提升软件及系统的实用性。另外，为加强客户端的可操作性及美观度，运用Ajax 技术优化了客户端的表现方式。在逻辑层中，可直接调用Web Service 方法，直接对终端服务器发送管理指令，借助此方式，用户可进一步提升系统管理的便捷度，能在网络内的任一位置进行全方位管理，实现对大棚生产过程的不间断监控。

4 Zigbee系统性能测试

为进一步验证系统的有效性，应在系统安装完毕后及时进行性能测试。本文在某温室大棚基地进行了相关的系统性能测试工作，将试验观察期设定为7 d，查看在此时间段内此系统软硬件的工作状态。要在温室内布置一批协调器、路由器、信息终端采集装备，其中，协调器需连接基地的监控中心，与相应的监控软件形成统一整体。安装路由器时，不宜将其安置于远离温室的区域，以防数据传输失真。为达到最佳效果，应将路由器放置于温室耳房内，并将数据采集装置放置于温室中间区域［3］。在终端节点中，可将采集周期设定为5 min，可在每次采集各项数据参数（如光照、温湿度、二氧化碳浓度等）时，及时通过路由器将其传送至监控系统内，待采集结束后进入休眠状态，可在下次采集周期到来时再次唤醒，将第一手资料传递出去。本系统中，终端节点距离路由器节点的距离在80 m 以内，路由器节点与监控中心协调器的距离为150 m。软件系统可将采集到的信息及时储存，再将数据进行打包传送至信息服务系统中，及时将数据加入农业信息服务平台，以备今后查询使用。通过本次试验可以看出，此类温度控制系统具有较强的稳定性能，能胜任大部分情景下的温室大棚种植，发挥出自身的实用价值。为进一步提升系统性能，保障数据传输的稳定性及准确性，今后应不断完善系统功能，将误差率降至最低水平。

5 结语

ZigBee 技术适合应用于大棚环境监测中，取得了良好的应用效果。此技术可对大棚内的环境状况进行实时检测，通过数据传输技术，将其发送至数据处理系统，具有使用便捷、成本低廉等优点。ZigBee 技术突破了有线传感器的局限性，可使用户随时了解大棚内的环境变化情况，依据此类数据资料及时进行种植调整，避免因人为疏忽影响农业物长势。ZigBee技术是智慧化农业的具体表现，具有显著的应用优势，值得在农业生产中大范围推广应用。