摘 要：本项目旨在研究渭南当地传统温室大棚的智能化改造，针对传统温室大棚因人工管理种植模式造成产量损失的问题，本文设计了一种基于ZigBee的大棚环境监测系统，其主要以影响农作物生长的大棚环境温湿度、土壤湿度为被监测对象，建立星状网络结构，以协调器为核心，利用终端节点连接传感器对大棚环境进行无线、快速和准确地监测。
关键词：无线短距离通信；大棚；温湿度；土壤湿度
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）08-0068-03
Abstract：The purpose of this project is to study the intelligent transformation of the traditional greenhouse shed in Weinan area. Aiming at solving the problem of the yield loss caused by artificial management and planting mode in the traditional greenhouse shed，a kind of environment monitoring system based on ZigBee is designed in this paper. It is mainly based on the greenhouse environment temperature and humidity which affect the growth of crops，and the soil moisture as the monitored object to establish the star network structure. With the coordinator as the core，the terminal node is used to connect the sensor to monitor the greenhouse environment wirelessly，quickly and accurately.
Keywords：wireless short-range communication；greenhouses；temperature and humidity；soil moisture
0 引 言
目前，传统菜农依靠简单的人工管理种植方式对大棚内的环境进行监测，这种测量方式的数据准确性较差，种植及管理作业方式费时费力且效率低，人们不可能时刻关注着农作物生长的环境因素。通常人们为了更好地了解大棚内部的环境参数，在大棚内部安装各类采集设备，种植者进入大棚内部进行读取才能够清楚地了解情况。随着科学技术的不断增强以及智能化产品不断普及，智能化温室大棚必将成为发展趋势，它将融合电子、计算机通信、传感器等，具有多参数、功耗低、实用性强等特点。
1 系统总体设计方案
系统采用星状网络拓扑结构，主要由终端采集节点、协调器节点和PC机显示三部分构成。包含多个终端采集节点，每个终端采集节点连接有温湿度传感器、土壤湿度传感器。各个终端分布在大棚的不同区域，对环境进行实时检测；协调器节点将各个终端节点采集到的大棚内环境参数进行汇聚，将采集到的数据进行处理、存储；液晶显示屏将采集到的不同区域的数据进行显示，同时协调器节点与PC机用USB数据线相连，构成监控中心，在PC机串口助手界面分区域1、区域2等区域显示采集到的参数。系统的总体设计结构图如图1所示。
2 大棚监测系统网络设计
无线短距离通信技术主要包括蓝牙、WiFi、红外、ZigBee等，考虑到农业大棚的种植规模在不断扩大，需要对多个区域进行监测。相较于其他无线通信方式，ZigBee技术无论是在通讯的距离、传输的稳定性及组网的能力上均有显著优势。综合考虑之后采用ZigBee技术作为本系统的通信方式，该技术具有低功耗、低成本等特点。有星状网络结构、树状网络结构和网状网络结构三种组网结构可供选择[1]，本设计选用星状结构。
3 系统硬件设计
3.1 开发节点设计
在本设计中使用的节点有协调器节点和终端采集节点两种。各节点以CC2530为核心，配合外围电路，包括天线模块、晶振模块、电源模块。其中CC2530在CC2430的基础上改进得来，继承了其优良的性能并加以改造，是真正片上系统。CC2530结合了RF收发器，是适用于IEEE802.15.4标准的增強型芯片，具有8KB的数据存储器、32/64/128/256KB闪存和强大的外设[2]。天线模块主要由SMA接口与杆状天线构成；在使用过程中模块与芯片的RF_P、RF_N相连，当节点在发送数据时，信号从RF_P、RF_N引脚输出，当节点在接收数据时，信号从RF_P、RF_N进入芯片。晶振模块分为内部RC振荡器和外部晶振振荡器两种。CC2530内部有16MHz和32KHz两种RC振荡器；外部采用32MHz和32.768KHz两种晶振振荡器。系统中32MHz振荡器比16MHz RC振荡器启动时间长，但数据更为准确，主要用来提供系统时钟[3]；32KHz RC振荡器和32.768KHz振荡器相比，32KHz RC振荡器功耗较低，32.768KHz晶振精度较高，但不能同时工作。
3.2 DHT11温湿度传感器
DHT11数字式温度传感器采用单串行总线，具有高速数据处理能力、功率低、节省用户使用空间等优点。在采集过程中，DHT11一直处于低速模式，当接收到采集命令后，立刻转换到高速状态下，并送出40bit数据，触发第一次采集，在测量过程中，温湿度分辨率为8bit[4]。本次设计中DHT11的DATA端口与CC2530的P0.7管脚相连，其电路图如图2所示。
3.3 土壤湿度传感器
设计以FC-28湿度传感器作为探头，LM393作为比较器，在使用过程中将探头插入待测土壤中，探头与电路中的电阻分压，通过LM393比较得到土壤水分含量值[5]。其中土壤湿度传感器AOUT、DOUT接口分别与CC2530的P0.6、P1.5管脚相连，其电路图如图3所示。
4 系统软件设计
4.1 协调器软件设计
协调器是网络的核心，首先由協调器进行网络的组建，对各设备进行初始化，选择最优的网络信道进行组建；其次，当网络组建好后，等待终端采集节点加入网络，当有节点加入时，协调器允许合法的终端节点加入网络，加入的节点开始对负责区域的数据进行采集并传输给协调器，若协调器接收到数据，则将其送入液晶和PC机显示，其流程图如图4所示。
4.2 终端节点软件设计
终端节点采用关联式入网方式。终端采集节点初始化后，在它能够覆盖的通信范围内寻找协调器节点，并向组建好的网络发起入网请求，协调器节点允许合法的终端采集节点加入网络。各终端节点入网成功后，开始控制传感器设备对大棚内的环境进行实时监测，并将采集到的数据整理、储存，并将数据打包发送给协调器设备。其流程图如图5所示。
4.3 DHT11采集软件设计
在网络组建成功后，DHT11温湿度传感器进行初始化，当接收到读取命令时，终端节点利用传感器对棚内温湿度进行采集，芯片将采集到的模拟信号处理成计算机可识别的数字信号，中央控制中心将数据处理后得到大棚内温湿度的个位及十位数据，经校验位检测数据是否正确，若数据无误，将其数据打包发送给协调器；若数据有误，则重新采集数据。其流程图如图6所示。
4.4 土壤湿度采集软件设计
系统组网成功后，对土壤湿度传感器进行初始化，启动定时器，当定时器超时后，调用ADC采样函数，设置最大采样值为8192，将采集到的数值转化成百分比形式，取百分比前两位数字得到相应的土壤湿度模拟量。其流程图如图7所示。
5 结 论
本设计针对渭南当地传统温室大棚因人工管理方式难以掌控作物生长所需环境的问题，设计了一种基于ZigBee的大棚环境监测系统。系统以CC2530为核心，通过搭建星型无线传感网络，利用终端采集节点采集大棚的环境数据，并将数据转发给协调器，在液晶显视屏和串口界面分别显示，实现了大棚内部植物生长所需环境参数的采集、传输及显示，方便了管理者对大棚内环境数据的掌控，减少了重复的劳动，对传统农业大棚的改造具有一定的意义。
参考文献：
[1] 饶瑞芳.基于WSN与M2M技术的物联网实验平台的研究与实现 [D].抚州：东华理工大学，2016.
[2] 张猛，房俊龙.基于Zigbee的温室远程监控系统设计 [J].自动化技术与应用，2012，31（2）：32-36+42.
[3] 徐兆文.基于ZigBee的群组定位与环境监测设计 [D].南京：南京理工大学，2015.
[4] 蔡立晶，李文勇.简易稳定多路温湿度巡检系统设计 [J].黑龙江八一农垦大学学报，2013，25（4）：58-60+64.
[5] 王宪磊.基于ZigBee的智能温室大棚环境自动化监测系统设计 [J].农业科技与装备，2016（7）：27-29+33.
作者简介：党磊（1994.02-），男，陕西宝鸡人，本科。研究方向：电子通信。