基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計.pdf

第34卷 第6期 Vol 34 No 6 重慶理工大學學報 自然科學 JournalofChongqingUniversityofTechnology NaturalScience 2020年6月 Jun 2020 收稿日期 2019 03 15 基金項目 重慶市科委基礎與前沿研究一般項目 cstc2016jcyjA0497 重慶市雛鷹計劃項目 CY180904 重慶理工大 學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目 2018076 作者簡介 張?zhí)旌?男 工程師 主要從事智能儀器設計及精密測量技術研究 E mail zth doi 10 3969 j issn 1674 8425 z 2020 06 029 本文引用格式 張?zhí)旌?劉小楓 瞿寶華 等 基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計 J 重慶理工大學學報 自然科學 2020 34 6 200 204 Citationformat ZHANGTianheng LIUXiaofeng QUBaohua etal DesignonRemoteMonitoringandControlSystemforGreenhousebasedon ZigBee J JournalofChongqingUniversityofTechnology NaturalScience 2020 34 6 200 204 基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計 張?zhí)旌?1 劉小楓 2 瞿寶華 1 賈彥平 3 1 重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心 重慶 400054 2 重慶市清華中學信息中心 重慶 400054 3 蘭州財經大學信息中心 蘭州 730020 摘 要 針對溫室大棚環(huán)境數據多維信息的特點 采用基于ZigBee的無線傳感器網絡技 術 介紹了系統(tǒng)的總體結構和軟硬件設計 闡述了ZigBee網絡的構建和多維信息傳輸過程 通 過ZigBee協調器 無線移動網絡WIFI和互聯網的無縫連接 實現了溫室大棚環(huán)境數據的遠程 實時交互和監(jiān)控 經過實驗測試 該系統(tǒng)能夠實現溫室大棚環(huán)境參數的實時監(jiān)控 為溫室大棚 環(huán)境信息遠程監(jiān)控提供了一種解決方案 關 鍵 詞 遠程監(jiān)控 Zigbee無線傳感網絡 多維信息 數據獲取與分析 溫室環(huán)境 中圖分類號 TN919 文獻標識碼 A 文章編號 1674 8425 2020 06 0200 05 DesignonRemoteMonitoringandControlSystem forGreenhousebasedonZigBee ZHANGTianheng 1 LIUXiaofeng 2 QUBaohua 1 JIAYanping 3 1 EngineeringResearchCenterofMechanicalTestingTechnologyandEquipment MinistryofEducation ChongqingUniversityofTechnology Chongqing400054 China 2 ChongqingQinghuaHighSchool Chongqing400054 China 3 InformationCenterofLanzhouUniversityofFinanceandEconomics Lanzhou730020 China Abstract According to the characteristics of the greenhouse environment multidimensional information The wireless sensor network technology based on ZigBee were adopted The overall structure hardwareandsoftwaredesignofthe systemwere introduced The constructionofZigBee networkand the processofmultidimensionalinformationtransmissionwere described Through the seamlessconnectionoftheZigBeecoordinator thewirelessmobilenetworkWIFIandtheInternet theremotereal timeinteractionandmonitoringofthegreenhousesenvironmentaldataisrealized The experimental results show that the system can monitor the change of greenhouse environment parametersinrealtime whichprovidesaneffectivesolutionforremotemonitoringofthegreenhouse environmentinformation Keywords remotemonitoring ZigBeewirelesssensornetworks multidimensionalinformation data acquisitionandanalysis greenhouseenvironment 農業(yè)是國民經濟的基礎 隨著城鎮(zhèn)化的加快 實施 目前國內農業(yè)面臨著勞動力老齡化 土地資 源約束 農業(yè)生態(tài)環(huán)境壓力加劇等突出問題 1 傳統(tǒng)的溫室大棚依靠種植人員的經驗進行粗放式 管理方式 沒法達到溫室大棚的精準管理 隨著 國家 互聯網 農業(yè) 戰(zhàn)略的實施 積極推進中國 農業(yè)向智能時代邁進 2 3 網絡技術和無線通信 技術的發(fā)展 為智能農業(yè)的發(fā)展提供了機遇 而農 業(yè)物聯網的組網通信技術成為智能農業(yè)研究的重 點 農業(yè)物聯網通信技術主要包括GPRS WIFI 網絡 藍牙技術 ZigBee 技術等傳輸方式 4 6 Antonio等通過GPRS通信模塊和傳感器實現農田 信息的數據采集和傳輸 7 雖然GPRS傳輸距離 遠 但需要通信費用 Wi Fi通訊速率高 但功耗 高 適合易部署 固定點位的傳感器網絡組網 藍 牙安全性高 不易受外界干擾 但功耗高 通訊距 離過短 所以適合短時近距離組網 ZigBee由于功 耗 成本低 數據傳輸可靠 同時具有多跳 自組織 的特點 每個節(jié)點均可作為相鄰節(jié)點傳輸數據的 中轉站 因為ZigBee底層采用了直擴技術 網絡的 覆蓋范圍可以擴展的很大 是理想的長距離 大范 圍傳感器組網方式 8 本設計采用ZigBee無線傳 感器網絡技術 構建ZigBee的感知節(jié)點和執(zhí)行節(jié) 點 通過智能網關實現與手機和云端服務器的無 線通信與信息交換 實現對溫室大棚的遠程監(jiān)控 1 系統(tǒng)總體設計 總體方案如圖1所示 應用互聯網和云端服 務器技術實時收集和控制溫室大棚的環(huán)境信息 采用 ZigBee 無線傳輸技術構建無線傳感網 絡 9 11 無線傳感網絡由4部分構成 1 由2類傳感器構成ZigBee節(jié)點 一是感知 層數據采集 實現溫室大棚環(huán)境數據的采集 如空 氣溫濕度 土壤的PH值 光照度傳感器等 二是執(zhí) 行類傳感器 如換氣扇傳感器 水泵傳感器 光源 傳感器等 2 ZigBee協調器 實現溫室大棚環(huán)境數據 的收發(fā) ZigBee傳感器節(jié)點獲取傳感器的環(huán)境數 據進行處理 通過ZigBee協調器發(fā)送到智能網關 3 智能網關 使用STM32F107和CC2530F256 處理器作為智能網關 實現所有傳感器節(jié)點的數據 采集 將多維信息傳送到云端服務器 監(jiān)控中心和 智能終端 4 遠程智能監(jiān)控 通過遠程監(jiān)控中心或移 動終端實時監(jiān)控傳感器采集的數據信息 實現對 溫室大棚環(huán)境信息的實時監(jiān)控 ZigBee協調器接 收到智能網關發(fā)送控制指令 然后發(fā)送給相應的 ZigBee執(zhí)行器節(jié)點 從而控制執(zhí)行器節(jié)點上所接 開關的通斷 實現水泵 換氣扇 LED光源等設備 的開關 圖1 系統(tǒng)總體方案圖 2 系統(tǒng)硬件設計 2 1 傳感器節(jié)點硬件設計 傳感器節(jié)點由低功耗的無線微控制器 CC2530F256 電源模塊 信息采集模塊等部分組成 系統(tǒng)節(jié)點都采用模塊設計 體積小 功耗低 抗干擾 能力強 能夠建立強大的網絡節(jié)點和完整的ZigBee 解決方案 傳感器硬件結構如圖2所示 1 0 2 張?zhí)旌?等 基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計 圖2 傳感器節(jié)點硬件結構 為了方便優(yōu)化系統(tǒng) 系統(tǒng)采用模塊化設計 減 少外圍器件 同時滿足多傳感器節(jié)點硬件接口要 求 本系統(tǒng)采用TI公司片上系統(tǒng)CC2530F256 它 是一種低成本 低功耗的無線微控制器 具有256 kB的Flash閃存 內置標準的增強型8051CPU 是用 于2 4GHzIEEE802 15 4協議的RF射頻收發(fā)器 CC2530F256結合了德州儀器的業(yè)界領先的黃金單 元ZigBee協議棧 Z Stack TM 最大可編程輸出功率 為4 5dBm 12 電源模塊包括 5V的電池組 5V 轉3 3V的電源轉換模塊MC33269T 3 3 為無線控 制器模塊以及信息采集模塊提供3 3V電壓 信息 采集與執(zhí)行模塊中 為了滿足多維信息的采集 系 統(tǒng)集成微型化 溫室大棚的溫濕度采集采用 DHT11傳感器 DHT11采用專用的溫濕度傳感技術 和數字模塊采集技術 13 15 溫度量程0 50 濕 度量程為19 89 它與CC2530F256通過單總線 串行通信 由5個字節(jié)組成數據格式 CO 2 傳感器模 塊 采用GMP343二氧化碳變送器 此模塊采用新型 紅外檢定技術進行CO 2 濃度測量 反應迅速靈敏 采用RS485通信 外殼防護等級高 能適應現場各 種惡劣條件 光照度傳感器模塊 采用B LUX V30B 光照傳感器 體積小 安裝方便 線性度好 傳輸距 離長 抗干擾能力強 輸出信號為數字信號 量程為 0 20klx 精度為 2 當光照傳感器B LUX V30B可以記錄環(huán)境光照度的數據并傳送給 CC2530F256 當用戶選擇感光控制模式時 CC2530F256對所讀取的環(huán)境光照數值進行判別 并 由此來決定所需開啟或光閉LED光源 2 2 智能網關節(jié)點硬件設計 本系統(tǒng)中智能網關承擔著遠程監(jiān)控中心和 ZigBee節(jié)點區(qū)域的信息交換任務 數據的處理 匯 聚和遠程傳輸由智能網關負責監(jiān)控 智能網關節(jié) 點硬件結構如圖3所示 網關節(jié)點數據吞吐量 大 為了保證系統(tǒng)的可靠運行 所以網關節(jié)點采用 ST公司的32位處理器STM32F107無線網關核心 STM32F107處理器擁有128k字節(jié)的FLASH程序 存儲器和20kB的SRAM 7通道DMA控制器 3個 USART接口 2個I 2 C接口 2個12位A D轉換器 7個16位的Timer 以及CAN接口 16 由于在網 關節(jié)點的數據量大 所以采用高集成度WIFI芯片 ESP8266 cloud2 該模塊是一款智能互聯模塊 通 過WIFI路由器與服務器端通訊 擁有高性能無線 SOC 具有一個完整且自成體系的WIFI網絡解決 方案 性價比高 內置資源豐富 內置低功率32位 CPU GPIO TCP IP協議棧 UART I 2 C SPI等接 口 使用方便靈活 不僅能夠作為主控芯片獨立運 行 也可以作為通信模塊搭載于主控芯片 從而幫 助主控芯片接入互聯網 17 圖3 智能網關節(jié)點硬件結構 3 系統(tǒng)軟件設計 3 1 節(jié)點控制軟件設計 多維信息傳輸的程序流程如圖4所示 在完 成網絡連接并加入管理之后 協調器接收到終端 節(jié)點的多維信息 將這些多維數據通過串口發(fā)送 智能網關 數據經過處理后通過WIFI發(fā)送到遠程 監(jiān)控中心 程序流程圖如圖4所示 3 2 智能網關軟件設計 協調器控制程序流程如圖5所示 協調器主 要負責從WIFI模塊和RS485串口接收遠程控制中 心命令 并將命令傳送到傳感器節(jié)點 初始化Zig Bee協調器和智能網關 傳感器節(jié)點首先會主動掃 描查找周圍網絡的信道 掃描到信道后 節(jié)點向協 2 0 2 重慶理工大學學報 調器提出連接請求 協調器接收到節(jié)點的連接請求 后 根據具體情況決定是否允許其連接 然后對請 求連接的節(jié)點做出響應 節(jié)點與協調器連接好以 后 才能實現數據的接收與發(fā)送 18 20 協調器將 接收到的數據信息分析整理后 通過智能網關傳回 遠程控制中心 從而控制ZigBee執(zhí)行器節(jié)點 圖4 節(jié)點控制程序流程 圖5 協調器控制程序流程圖 3 3 遠程監(jiān)控中心 無線傳感器網絡采集到的數據最終要傳輸到 遠程監(jiān)控中心 采用WIFI技術來滿足遠程傳輸的 要求 在實際應用中 WIFI模塊和無線傳感網絡 的協調器通過串口連接 WIFI起到了橋梁的作 用 協調器從傳感器節(jié)點接收到的采集數據通過 WIFI模塊發(fā)送給遠程監(jiān)控中心 同時監(jiān)控中心的 命令也通過WIFI模塊傳給無線傳感網絡的協調 器 完成協調器與遠程監(jiān)控中心之間的信息交互 監(jiān)控中心一方面是對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān) 測 另一方面對系統(tǒng)異常進行報警與控制 主要 由傳感器節(jié)點的參數設置 多維數據顯示 實時曲 線的顯示 遠程實時監(jiān)控設置 云端數據庫 歷史 數據 報警設置與管理這幾個部分構成 遠程監(jiān) 控中心軟件功能框圖如圖6所示 圖6 遠程監(jiān)控中心軟件功能 4 系統(tǒng)測試與分析 整個系統(tǒng)選擇在永川郊區(qū)的園藝花卉大棚測 試 選擇塑料大棚40m 20m 溫室內種植觀賞性 郁金香 通過在大棚中放置傳感器節(jié)點 協調器 無線網關構建無線傳感網絡 實時采集多維環(huán)境 信息 并發(fā)送到遠程監(jiān)控中心存儲 決策與顯示 其中 安放傳感器節(jié)點40個 協調器節(jié)點1個 郁金香最佳生長溫度為15 18 生根5 花 芽分化17 23 為了檢驗測試性能 在試驗中 人為的對傳感器進行加熱 當檢測結果超過設定 溫度閥值時 則紅色顯示參數以及節(jié)點號 ZigBee 溫室大棚遠程監(jiān)控系統(tǒng)如圖7所示 測試結果表 明 系統(tǒng)能夠實現對溫室大棚的溫濕度 光照強度 等的實時監(jiān)測 系統(tǒng)性能滿足溫室大棚多維信息 的實時監(jiān)測要求 系統(tǒng)測試界面如圖7所示 圖7 ZigBee溫室大棚遠程監(jiān)控系統(tǒng)測試 3 0 2 張?zhí)旌?等 基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計 5 結束語 本文設計的基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境遠程 監(jiān)控系統(tǒng) 通過感知節(jié)點采集溫室大棚環(huán)境數據 的多維信息 在云端數據庫可以保存多維信息 并 實現數據信息共享 在遠程客戶端 通過手機或者 監(jiān)控中心設置控制執(zhí)行器節(jié)點 系統(tǒng)按照模塊化 設計感知層節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點 便于系統(tǒng)的擴展 對智能農業(yè)具有重要的現實意義 參考文獻 1 何華斌 福建農業(yè)大棚的低成本棚聯網構建方案 J 閩江學院學報 2014 5 81 87 2 劉培學 陳玉杰 姜寶華 等 基于ZigBee技術的可組 網環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計 J 現代電子技術 2017 40 21 19 21 3 任堂正 楊俊杰 樓志斌 等 基于ZigBee的覆冰區(qū)桿 塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)設計 J 電測與儀表 2016 53 23 122 128 4 李瑋瑤 王建璽 王巍 基于ZigBee的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān) 控系統(tǒng)設計 J 現代電子技術 2015 38 12 51 54 5 王飛 程建平 瞿少成 基于ZigBee路由算法的智能小 區(qū)系統(tǒng)設計與實現 J 電子測量技術 2017 40 1 6 12 6 秦懷斌 李道亮 郭理 農業(yè)物聯網的發(fā)展及關鍵技術 應用進展 J 農機化研究 2014 4 246 248 7 ANTONIOJ GARCIAS FELIPEGS etal Wireless sensornetworkdeploymentforintegratingvideo surveil lanceand data monitoring in precision agriculture over distributedcrops J ComputersandElectronicsinAgri culture 2011 75 2 288 303 8 楊信廷 吳滔 孫傳恒 等 基于WMSN的作物環(huán)境與 長勢遠程監(jiān)測系統(tǒng) J 農業(yè)機械學報 2013 44 1 167 173 9 張鵬 張櫻凡 倪俊超 等 基于LPC1768的智能澆花 機器人設計 J 自動化與儀器儀表 2015 3 1 86 90 10 廖建尚 基于物聯網的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計方 法 J 農業(yè)工程學報 2016 32 11 233 243 11 張新 陳蘭生 趙俊 基于物聯網技術的智慧農業(yè)大棚 設計與應用 J 中國農機化學報 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