基于ZigBee技术的温室环境智能监测系统

卜闪闪

（永城职业学院，河南 永城 476600）

【摘要】针对传统温室布线有线监控系统所带来的组网复杂以及系统维护难度大等缺点，提出并设计了一种基于ZigBee技术的温室环境智能监测系统。该系统以TI公司的CC2530为主控制芯片，整个无线传感网络由协调器节点、路由节点和终端节点构成。终端节点实时监测温室内的各种环境信息（土壤水分、空气温湿度、CO2浓度等），并且以无线的方式发送给协调器节点，最终通过发送给通过VB编写的上位机软件用户终端，采用数据库对数据进行实时的存储等操作。现场试验表明，该系统运行稳定、操作简单，达到了预期的应用目标。

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关键词 温室；无线传感网络；ZigBee；CC2530

0引言

环境的实时监测在对温室的生产具有非常重要的地位，其通过实时监测并及时反馈作物的生长状况及其环境状况，从而为用户合理的调节环境因子促进指导作物的生长提供指导，提高作物的质量和产量。然而，传统的温室监测系统都是通过采集环境的湿度与温度值，但是若需要精确的分析农作物的生长状态则该参数远远不够，尤其是农作物疾病的控制，不仅需要温室的实时环境参数，叶片的温度和湿度也是必不可少的。随着温室监测与管理系统的发展，基于ZigBee技术的无线传输系统由于其具有体积小、功耗低、传输可靠、可扩展性强等优点，因而在温室环境监测领域的应用前景将非常广阔。

本文针对此设计并实现了基于ZigBee技术的温室环境智能监测系统。该系统可以对温室内的植物生长环境（土壤水分、空气温湿度以及CO2浓度等）信息进行实时监测并通过基于ZigBee的无线传感网络进行实时的数据传输，从而完成温室环境的实时监测。用户可以通过这些信息对温室的环境做出实时的监测并作出调控，从而改善温室的实时环境，从而实现提高作物的产量。

1总体设计

本文设计和实现的温室监测系统主要由用户终端、协调器节点、路由节点、终端节点和传感器等几个部分共同组成。ZigBee终端节点连接有各种传感器，其中传感器分布在温室的各个监测点，负责采集环境数据并将处理后的数据发送给路由节点；路由节点则是获取各个终端节点发送过来的数据并通过基于ZigBee的无线传感网络将其转发给协调器节点，同时各个路由节点之间也是可以相互通信的，从而大大的延长了系统的有效的通信距离。协调器节点则通过串口与上位机极性实时通信，上传实时监测信息和接收实时的控制命令；最后上位机软件完成对数据的存储和显示等工作。

2硬件设计

本监测系统的协调器节点、路由节点和终端节点采用基本相同的硬件设计，但又根据具体实现功能的区别而对各自的具体部分作出调整，同时通过改变主控芯片CC2530程序从而实现不同的节点功能。硬件系统主要由CC2530微处理器、串口输出模块、电源模块、实时时钟模块、调试模块、射频模块和传感器模块等组成。

2.1协调器节点硬件设计

协调器节点硬件结构图如图1所示。节点的主控芯片采用德州仪器公司的CC2530芯片，其内置增强型8051内核与RF无线收发器相结合，可在保证系统低功耗的情况下同时增强其信号的传输能力。若外加CC2591射频功率放大电路与高增益天线，此时无线传感网络的覆盖范围可达到450m甚至是千米之上。

协调器节点在整个监测系统中是唯一的，负责整个无线传感网络的组建于运行，需要的能量较大，加上其与监控主站相连，因此为满足其能量的要求本系统采用有线的方式进行供电。供电模块采用5V电源，并通过电源转换模块将其转换为实际需要的3.3V电压，电源转换模块的核心IC采用稳定性很好的AMS1117稳压芯片。

当协调器节点成功组建无线传感网络后，便会开始与各个协调器节点进行通信：通过上位机的串口接收用户终端发送的命令；同时监听来自于网络的反馈型消息，并上传到用户终端。因此协调器节点与其他节点相比增加了串口模块，其中串口模块采用MAX3232作为RS232串口芯片。

2.2终端节点与路由节点硬件设计

终端节点硬件结构图如2所示。系统中所有节点均以低功耗和高稳定性为准则设计，因此由两节5号干电池提供的能量足以满足其工作需求。如图2可知，除包含各个节点所拥有的共同部分以外，终端节点主要增加了传感器模块，该模块可实现终端节点和各种传感器之间的无缝连接。

综合考虑具体的监测要求、温室环境、测量精度以及传感器等因素，本系统采用如下所示的几种传感器：土壤水分传感器、CO2浓度传感器以及DHT21温湿度传感器。各传感器主要性能指标如表1所示。

该系统中，路由节点和终端节点采用相同的配置，但其不具有传感器模块，由此不仅缩短了研发周期，并且进一步降低了节点成本。

3系统软件设计

本文设计的温室无线传感网路主要由协调器节点、路由节点和终端节点三个部分组成。其中，路由节点可看成是具有与路由相同功能的协调器节点，其在子网中充当着协调器节点的角色，管理网络的连接和数据的转换。同时它的网络层会多出一个路由功能，即为通过其转换和发送的数据流寻找一条最为合适的路径，文中软件设计时移植了Z－Stack协议栈，该协议栈提供完整路由协议，并在应用层是透明的，只需要将数据发送到协议栈，该协议栈即会自动的寻找路径，并将数据发送到目的地址，因此本设计在程序开发上，主要任务是在Z－Stack协议栈基础上，完成对协调器节点和路由节点的程序设计。

3.1协调器节点软件设计

协调器节点是整个传感器网络的核心，负责整个网络的建立和网络的稳定运行。系统上电之后，协调器节点会扫描并选择一个最合适的信道建立一个初始网络。当有新的设备申请加入该网络时，协调器节点则会分配一个16位的短地址给它，并允许其加入网络。当组网完成后，协调器节点开始接受从终端节点与路由节点上传的数据，并且通过USB接口将其上传到上位机。协调器节点的工作流程图如图3所示。

3.2终端节点软件设计

终端节点的主要任务是以ZigBee协议的方式将采集到的温湿度、土壤水分和CO2浓度等数据传输到协调器节点。节点完成对传感器和协议栈的初始化后，即开始扫描信道，寻找合适的网络，发送加入网络的信息，当得到确认的答复后，即进入休眠模式以节约能量，当定时器唤醒收到唤醒指令后，则开始通过节点上的传感器采集相应的参数信息，并将其上传到协调器节点。终端节点软件流程图如图4所示。

4系统测试

本系统测试为了模拟真实的温室环境，选择在某单位的花卉培养室中进行，一方面可验证网络的数据采集和传输能力，另一方面也可验证设计的系统能否在温室这种复杂的环境中正常工作，实验时间为2014年8月20日，天气晴朗，室外温度在35℃左右，湿度在46%RH左右。

该实验所组建的网络，是由一个协调器节点、两个路由节点和四个终端节点所组成的简单的星形网络。其中，终端节点必需连接传感器，负责采集温室现场的实验数据。

而当协调器节点上电后，即会构成一个新的网络。之后会分别给两个路由节点和四个终端节点上电，并加入新建的网络。

通过实验可知，该网络可以完成温湿度、土壤水分和CO2浓度等数据的采集，并可通过无线传感网络将数据传送至协调器节点，这表明本文所设计的温室无线传感网络运行状态良好。同时也可说明所测试得到的数据基本与该环境符合，传感器在温室潮湿并且闷热的环境中并未失准，可以正常工作。

5结束语

本文基于ZigBee技术，提出了一种温室环境智能监测系统解决方案，设计了以CC2530芯片为核心的硬件结构节点，并移植了Z－Stack协议栈，以此对系统进行了软件设计。实验结果表明：本文设计的基于ZigBee技术的温室环境智能监测系统能准确监测温室的温湿度、土壤水分和CO2浓度等数据，并且能将这些信息准确的传送至协调器节点，最终传输到上位机。

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参考文献

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［责任编辑：曹明明］