基于ZigBee无线传感器网络在温室大棚中的应用研究

董香丽

摘 ?要：随着现代农业的发展，温室大棚在农业生产中的应用越来越广泛，但是在自动监控方面仍存在着诸多问题，根据温室大棚的类型和农作物的生长特点，提出了一种基于ZigBee无线传感器网络在温室大棚中的应用方案，利用ZigBee技术实现数据的采集及信息的无线收发。该文介绍了ZigBee无线传感器网络网络的体系结构，及在温室大棚中的应用技术，在物联Zigbee技术的引领下，现代化的精准农业采用了先进的温室大棚种植技术。基于ZigBee技术的无线传感器网络的应用实现了增产增收，提高农作物质量，提高经济效益，且便于推广。

关键词：ZigBee ?无线传感器网络 ?温室大棚

中图分类号：TP212.9;TN92 ? 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（a）-0034-02

我国是一个农业大国，农业的发展是国家发展的重中之重，粮食历来都是长治久安百姓幸福生活的保障，也关系到人们“舌尖上的安全”。中国作为农业大国，农业研究和应用也越来越受到重视。温室大棚信息化是农业现代化的制高点，物联网技术在温室大棚中的应用不断普及，对我国农业现代化产生重大的影响，使农业生产正以规模化、智能化发展，已经成为高效农业、现代化农业的一个重要组成部分。温室监控区域较大，需要大量的传感器节点构成大型监控网络，通过各种传感器采集诸如温度、空气湿度、光照度、土壤湿度等信息，实现自动化监控。传统温室监测与控制系统多采用有线连接，布线复杂，往往造成温室内线缆纵横交错、使用不便、安装维护困难、可靠性差等问题。基于ZigBee技术的无线传感器网络在温室大棚中的应用，可以监测控制一个大棚，也可以监测控制多个大棚。温室大棚内各项环境参数及其气候监测研究和自动化控制已成为现代农业发展的趋势。根据农作物生长需要进行实施智能决策，并自动开启或者关闭指定的环境调节设备。20世纪90年代后，无线技术的广泛应用使得它在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展。将传感器整合到无线传送网络中：通过在农业大棚内布置温度、湿度、光照等传感器，对棚内环境进行检测，从而对棚内的温湿度、光照等进行自动化控制。通过更加精细和动态监控的方式，来对农作物进行管理，更好地感知到农作物的环境，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平。

1 ?系统设计

基于ZigBee技术的无线传感器网络在温室大棚中的应用系统的设计是基于北京博创UP-CUP IOT-IAS型智能农业实训系统，分为硬件设计和软件设计。功能性能需要满足节点与协调器间无线网络通信稳定;数据采集程序设计要稳定、准确。人机交互界面美观友好、操作简单快捷。视频监控画面清晰、流畅。采用节点、协调器、主控器三层架构，实现人性化的人机交互界面及稳定准确的实时数据传输。

1.1 硬件架构

基于ZigBee2007/PRO协议栈，无线网络，在网络设备安装、架设过程中自动完成。如图1所示，工作流程是：当上位机发送命令以后，网关接收命令，首先判断是不是可用的命令，如果可用，根据命令判断计算机需要哪个节点的信息，并向该节点发送命令要求将对应数据传回网关，然后再将接收到的指定节点的信息按既定格式发送给上位机。在ZigBee2007/PRO无线网络中，网关作为一个ZigBee无线网络的协调器作用，负责对ZigBee无线网络的管理及维护。上位机与协调器之间用串口通信，协调器与节点之间无线通信，节点与终端设备之间通过串口或其他IO口进行通信。

1.2 软件设计

该软件分为3层架构，从下到上依次是ZigBee节点层、ZigBee协调器层、用户界面层。ZigBee节点层：该层主要负责设备的操作，如传感器数据采集、电机控制等，根据接收到的上层发送的指令响应不同的动作。ZigBee协调器层：该层负责接收下层数据并通过串口发送给上层用户界面，上层用户界面发送的指令传送给下层节点。用户界面层：该层负责协调器对协调器接收到的数据进行解析和下层设备控制指令的发送。提供给用户一个可视化图形界面，方便操作。

1.3 主要模块设计

ZigBee无线组网技术，使用USB仿真器连接PC机和ZigBee（CC2530）模块，将ZigBee调试板电源拨到3.3V段，打开ZigBee模块开关供电。分别下载协调器程序、节点程序。启动设备测试，首先启动协调器模块，建立网络时LED1闪烁，成功后LED1点亮停止闪烁，再启动节点端ZIGBEE模块，入网成功后LED1点亮停止闪烁，网络组建成功。基础控制型设备控制程序，基础控制型设备有4个，分别是电灯、风扇、水泵、加热器，它们的原理相同，此处以电灯控制为例，控制型设备连接CC2530的相关引脚，通过对引脚的高低电平设置来控制电灯的开关。设备控制程序通过串口给协调器发指令，再由协调器通过ZigBee网络发给节点，节点解析相应指令来控制电灯的开关。步进电机控制程序（电动窗），步进电机连接CC2530的相关引脚，通过相应引脚的设置来控制步进电机的正传反转及停止。传感器数据采集程序，项目中用到的串口型传感器有光照传感器、风速传感器、CO2浓度传感器、空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器和雨雪传感器。传感器将采集的数据通过ZigBee网络周期循环上报给协调器，协调器接收数据并写入串口上。

2 ?主要功能

基于ZigBee无线传感器网络在温室大棚中的应用研究采用时下热门的物联网技术、ZigBee技术、嵌入式技术和无线传感器网络技术相结合的方法，精心挑选各种传感器，高精度测量温室大棚生产过程中的参数、智能控制温室内温湿度及通风状况等。通过控制器程序的燒写、制作SD卡启动卡、USB驱动的安装、系统的烧写、ZigBee模块的烧写及硬件连接后系统主要实现如下功能。

（1）室内外环境实时监测功能：各个传感器节点实时采集室内外环境参数并上报处理器进行显示并处理。

（2）环境自动调节功能：该功能实现农业生产无人值守化的功能，结合农作物的最佳生长参数进行设置并启动自动控制功能，通过水泵、换气扇、植物生长灯等控制设备进行不断的环境调节。

（3）视频监控功能：大棚内装有高清监控摄像头，可以在室外清晰地观察到温室大棚内的植物生长和环境变化情况。

3 ?结语

基于ZigBee无线传感器网络在温室大棚中的应用研究，基于北京博创科技UP-IAIMS智能农业实训系统实验设备，研究了ZigBee技术、无线传感器网络技术的理论知识在温室大棚中的具体应用。实现了对温室大棚中的一举一动不间断远程监控，及时掌握农作物生长情况，实现了农业可视化、精准化和信息化。

参考文献

[1] 骆秀斌.智能温室大棚系统的研究与设计[D].安徽理工大学，2017.

[2] 李雪，文燕，邹承俊，等.基于物联网的智能农业大棚系统[J].时代农机，2019，46（1）：106-107，110.

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