基于ZigBee的智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)_劉忠超.pdf

<p>劉忠超 ， 范偉強(qiáng) ， 常有周 基于 ZigBee 的智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) ， 2018， 46( 16) : 166 170doi: 1015889/j issn1002 1302201816042基于ZigBee的智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉忠超1， 2， 范偉強(qiáng)3， 常有周1( 1 南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 ， 河南南陽(yáng) 473004; 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 ， 陜西楊凌 712100;3 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) ( 北京 ) 機(jī)電與信息工程學(xué)院 ， 北京 100083)摘要 : 溫室環(huán)境中溫度 、濕度 、光照等環(huán)境因子是影響設(shè)施作物生產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵 。課題以 ZigBee 技術(shù)為核心 ， 選用 STM32F103 作為網(wǎng)關(guān)微控制器 ， 結(jié)合以太網(wǎng)通信技術(shù) ， 設(shè)計(jì)了一種智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 。系統(tǒng)中溫室傳感器采集的數(shù)據(jù)通過 ZigBee 組建的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)中 ， 并由網(wǎng)關(guān)控制液晶模塊就地顯示溫室狀態(tài) ， 同時(shí)利用 W5500 網(wǎng)絡(luò)模塊將溫室數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī) ， 并基于 PHP 開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)了溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控 。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明 ， 該系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單 、方便靈活 、實(shí)時(shí)性好 、能實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控 。關(guān)鍵詞 : 智能溫室 ; ZigBee; 以太網(wǎng)通信 ; 上位機(jī)監(jiān)控 ; 監(jiān)控系統(tǒng) ; 系統(tǒng)測(cè)試中圖分類號(hào) : S24; TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : A 文章編號(hào) : 1002 1302( 2018) 16 0166 05收稿日期 : 2017 07 17基金項(xiàng)目 : 國(guó)家自然科學(xué)基金 ( 編號(hào) : 61504072) 。作者簡(jiǎn)介 : 劉忠超 ( 1979)， 男 ， 河南南陽(yáng)人 ， 博士研究生 ， 副教授 ， 主要從事 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 器 人 、智能化檢測(cè)與控制研究 。E mail:liuzhongchao2008 sina com。我國(guó)是人口大國(guó) ， 人均耕地占有率排名較靠后 ， 占有世界近 22%人口的國(guó)家 ， 卻依靠著占世界近 7% 的耕地來生存著 1。此外 ， 我國(guó)耕地質(zhì)量呈下滑的趨勢(shì) ， 這對(duì)糧食產(chǎn)量有著較大的影響 ， 提高單位面積糧食產(chǎn)量和擴(kuò)大糧食種植面積是農(nóng)業(yè)發(fā)展迫在眉睫的要求 。溫室栽培改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式 。打破了植物生長(zhǎng)的地域和時(shí)空界限 ， 推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)文明的發(fā)展 。現(xiàn)代溫室越來越廣泛地應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 ， 溫室生產(chǎn)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的標(biāo)志 。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展 ， 特別是隨著農(nóng)業(yè)人口向城市轉(zhuǎn)移 ， 對(duì)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的要求越來越高 ， 溫室技術(shù)也逐步向智能化方向發(fā)展 2。智能溫室能將溫度 、濕度 、光照度等環(huán)境量自動(dòng)調(diào)節(jié)到農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的范圍內(nèi) ， 從而可以不受自然環(huán)境的影響 ， 實(shí)現(xiàn)全年任何季節(jié)都能生產(chǎn)的需求 。傳統(tǒng)的溫室大多采用人工方式進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的測(cè)量 ， 費(fèi)時(shí)費(fèi)力 ， 在溫室面積較大時(shí)更是增加了勞動(dòng)量 3。當(dāng)采用有線的方式進(jìn)行監(jiān)控時(shí) ， 需要布設(shè)較多的線纜 ， 出現(xiàn)故障的可能性較大 ， 并且成本較高 ， 降低了溫室的效益 4。針對(duì)傳統(tǒng)溫室存在的問題 ， 課題借助 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì) ， 設(shè)計(jì)了一種智能溫室無線監(jiān)控系統(tǒng) ， 利用傳感器自動(dòng)采集溫室環(huán)境參數(shù) ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的智能化監(jiān)控 。1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控 ， 系統(tǒng)主要由溫室終端環(huán)境因子采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)組成 。終端通過溫濕度傳感器 、光照度傳感器采集環(huán)境因子 ， 并通過 ZigBee組建的網(wǎng)絡(luò)將溫室環(huán)境量上傳至協(xié)調(diào)器 ， 協(xié)調(diào)器和 STM32 控制器之間采用串口直連的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)間的雙向傳遞 ， 單片機(jī)在收到數(shù)據(jù)后會(huì)在液晶屏上進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的就地顯示及動(dòng)態(tài)曲線的繪制 ， 同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)上傳到基于 WEB的上位機(jī)上 ， 上位機(jī)會(huì)對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示 。同時(shí)上位機(jī)開啟自動(dòng)控制功能 ， 如果溫室內(nèi)溫濕度 、光照度高于或低于設(shè)定值 ， 則會(huì)自動(dòng)發(fā)送相應(yīng)的命令給下位機(jī) ， 終端會(huì)對(duì)收到的命令進(jìn)行解析 ， 控制風(fēng)扇 、加熱器 、除濕器 、風(fēng)機(jī)的開和關(guān) ， 以此來實(shí)現(xiàn)溫室的智能調(diào)節(jié) 。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 1 所示 。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)21 微控制器選擇STM32 系列單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司推出的高性能 、低成本 、低功耗的嵌入式微處理器 ， 該芯片的配置非常強(qiáng)大 ， 片上資源 十 分 豐 富 。結(jié)合系統(tǒng)的功能需求 ， 系 統(tǒng) 選 用STM32F103ZET6 作為 ZigBee 網(wǎng)關(guān)的微控制器 ， 通過 2 路串口與協(xié)調(diào)器和電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 ， 并借助 1 路 SPI 接口和網(wǎng)絡(luò)模塊相連 ， 實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的以太網(wǎng)通信 5。22 溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用 DHT11 傳感器來測(cè)量溫濕度 ， 該傳感器已經(jīng)對(duì)661 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 年第 46 卷第 16 期輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行了校準(zhǔn) ， 可靠性與穩(wěn)定性極高 。傳感器采用單總線的串行通信方式 ， 使硬件連線變得簡(jiǎn)單 ， 使用起來較為方便 6。DHT11 傳感器電路如圖 2 所示 。23 光照度傳感器電路設(shè)計(jì)光照度的測(cè)量通常簡(jiǎn)便的方法是采用光敏電阻 。它是一種光照度與其阻值成反比的元器件 ， 在強(qiáng)光條件下 ， 光敏電阻的阻值僅有數(shù)百歐姆 ， 在暗光條件下 ， 它的阻值最大可達(dá)10 M。BH1750FVI 是一種采用 I2C 總線來進(jìn)行通信的數(shù)字式光照度傳感器 ， 這種傳感器具有很高的分辨率 ， 能夠檢測(cè)的光照度變化范圍較大 ， 并且受紅外線 、溫度的影響很小 7。光照度檢測(cè)電路如圖 3 所示 。24 液晶顯示電路設(shè)計(jì)為了在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室里的溫濕度 、光照度等環(huán)境量 ，顯示界面必不可少 。常用的顯示方式有數(shù)碼管 、液晶屏和點(diǎn)陣等 。本系統(tǒng)要顯示的數(shù)據(jù)比較多 ， 數(shù)碼管只能顯示單一數(shù)字 ， 不能顯示出數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì) ， 而 TFT LCD 液晶屏不僅能顯示不同顏色的漢字和數(shù)字 ， 而且還能繪制出溫濕度 、光照度的變化曲線 ， 作為溫室監(jiān)控的顯示界面較為合適 8。系統(tǒng)采用尺寸為 32 英寸 、分辨率為 240 ×320 像素的液晶屏 ， 液晶顯示電路如圖 4 所示 。25 繼電器輸出電路設(shè)計(jì)智能溫室不僅需要實(shí)時(shí)監(jiān)視溫濕度 、光照度等環(huán)境量 ， 而且還需要對(duì)風(fēng)扇 、加熱器 、除濕器 、風(fēng)機(jī)等進(jìn)行控制 。終端節(jié)點(diǎn)帶負(fù)載能力有限 ， 輸出信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)這些大功率器件 ， 因此采用繼電器的方式來控制 9。選用松樂直流 5 V 繼電器 ，最大承受 10 A/30 V 的直流電 ， 能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 ?？紤]到風(fēng)機(jī)等大功率器件啟動(dòng)時(shí)電流的影響 ， 加入光耦來對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離 。繼電器輸出電路如圖 5 所示 。26 ZigBee 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)ZigBee 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵木褪蔷W(wǎng)絡(luò)模塊 。STM32 單片機(jī)一般有 2 種方式接入以太網(wǎng) : 即軟件 TCP/IP 協(xié)議棧和硬件 TCP/IP 協(xié)議棧的方式 。系統(tǒng)采用 W5500 以太網(wǎng)芯片來實(shí)現(xiàn)硬件協(xié)議棧方案 ， 采用硬件協(xié)議棧能減輕單片機(jī)處理的數(shù)761江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 年第 46 卷第 16 期據(jù)量 。W5500 是 Wiznet 公司設(shè)計(jì)的全硬件協(xié)議棧芯片 ， 具有超高的性價(jià)比 。在使用過程中 ， 不需要再植入軟件協(xié)議棧 ， 大大降低了代碼量 ， 同時(shí)具有較高的安全性 10。用 STM32 控制 W5500網(wǎng)絡(luò)模塊 ， 用 TCPClient的方式來接入互聯(lián)網(wǎng) 。W5500 硬件電路如圖 6 所示 。27 直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中 ZigBee 芯片 、傳感器 、STM32 單片機(jī)工作電壓均為 33 V， 而單片機(jī)對(duì)電壓要求較高 ， 因此單獨(dú)采用穩(wěn)壓芯片為其供電 。選擇 2 節(jié)鋰電池串聯(lián)來為系統(tǒng)提供電能 ， 由于系統(tǒng)正常工作的電流不是太大 ， 選擇常用的 AMS1117 3 3 V線性穩(wěn)壓芯片來轉(zhuǎn)換成需要的電壓 11。AMS1117 3 3 V 電源電路如圖 7 所示 。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)包括兩大部分 : 第一部分是由 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的溫室數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng) ， 第二部分是以 ZigBee 網(wǎng)關(guān)為核心的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件系統(tǒng) 。數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)主要有ZigBee 組網(wǎng) 、無線通信 、傳感器采集 、I/O 輸出控制 4 個(gè)模塊組成 。數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件系統(tǒng)主要有 MCU、以太網(wǎng)通信 、LCD 顯示 、上位機(jī)監(jiān)控 4 個(gè)模塊組成 12。軟件系統(tǒng)總體框架如圖 8所示 。31 溫濕度程序設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)上的 DHT11 溫濕度傳感器與 ZigBee 進(jìn)行通信的方式為串行單總線 ， 通信 1 次的時(shí)間需要約 4 ms， 開始時(shí)主機(jī)發(fā)送 1 個(gè)下降沿啟動(dòng)信號(hào) ， 傳感器響應(yīng)該信號(hào)并從低功耗模式 變?yōu)楦咚倌Ｊ?。DHT11將在啟動(dòng)信號(hào)結(jié)束后輸出一個(gè)861 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 年第 46 卷第 16 期響應(yīng)脈沖信號(hào)同時(shí)發(fā)送包含需要的 5 個(gè)字節(jié)的溫濕度數(shù)據(jù) ，完成一次信號(hào)采樣過程 13。讀出完整的一幀數(shù)據(jù)格式為 1個(gè)字節(jié)的濕度整數(shù) ， 1 個(gè)字節(jié)的濕度小數(shù) ， 1 個(gè)字節(jié)的溫度整數(shù) ， 1 個(gè)字節(jié)的溫度小數(shù) ， 最后 1 個(gè)字節(jié)是校驗(yàn)和 。溫濕度程序流程如圖 9 所示 。32 光照度程序設(shè)計(jì)光照度程序流程如圖 10 所示 。33 網(wǎng)關(guān)主程序設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器之間以串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 ， 單片機(jī)每收到 1 字節(jié)的數(shù)據(jù)都會(huì)進(jìn)入中斷進(jìn)行判斷 、讀取 ， 直至完成 1幀數(shù)據(jù)的接收并將其放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 。單片機(jī)通過 W5500模塊將收到的 1 幀完整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)格式并發(fā)送到 WEB 上 ， 并在 LCD 上實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)及曲線 ， 實(shí)現(xiàn)了本地和遠(yuǎn)程可以同時(shí)監(jiān)控溫室環(huán)境因子的功能 。網(wǎng)關(guān)主程序流程如圖 11 所示 。34 上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)需求 ， 溫室環(huán)境因子在上位機(jī)上以 WEB 的形式實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)和曲線 。PHP 是一種適合 WEB 開發(fā)的開源腳本語(yǔ)言 ， 因此采用 PHP 作為上位機(jī)的編程語(yǔ)言 。ZigBee 網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)之間使用 TCP 協(xié)議進(jìn)行通信 ， 網(wǎng)關(guān) TCP 通信用 C語(yǔ)言進(jìn)行編程 ， 上位機(jī) TCP 通信用 PHP 語(yǔ)言進(jìn)行編程 ， 兩者編程語(yǔ)言不同 ， 網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為 TCP Client， 調(diào)用 Connect 函數(shù)接口 ， 上位機(jī)作為 TCP Server， 調(diào)用 Listen 函數(shù)接口 ， 通過調(diào)用Socket 提供的函數(shù)接口來實(shí)現(xiàn)兩者間的通信 。上位機(jī)登錄界面如圖 12 所示 。4 系統(tǒng)功能測(cè)試系統(tǒng)軟硬件測(cè)試完成后在南陽(yáng)某溫室大棚放置 2 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)整體功能進(jìn)行測(cè)試 。終端液晶屏就地顯示結(jié)果如圖 13 所示 ， 紅線代表溫度 ， 綠線代表濕度 ， 藍(lán)線代表光照度 ，在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示了終端采集節(jié)點(diǎn) 1、2 的溫濕度和光照度 ， 并且改變溫濕度和光照度時(shí)曲線有相應(yīng)的變化 ， 能反映出961江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 年第 46 卷第 16 期變化的趨勢(shì) 。從系統(tǒng)整體測(cè)試結(jié)果來看 ， 液晶屏能準(zhǔn)確反映出溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化趨勢(shì) 。通過遠(yuǎn)端 WEB 頁(yè)面登錄上位機(jī)成功后可以查看不同時(shí)間的溫度 、濕度和光照度的變化趨勢(shì) ， 溫度 、濕度曲線 、光照度曲線分別如圖 14 至圖 16 所示 。5 結(jié)論借助于 ZigBee 技術(shù) ， 網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心 ， 把溫室內(nèi)的環(huán)境因子無線發(fā)送到上位機(jī) ， 實(shí)現(xiàn)了溫室的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控功能 ， 系統(tǒng)具有布線簡(jiǎn)單 、結(jié)構(gòu)合理 、使用方便的特點(diǎn) 。利用 DHT11 溫濕度傳感器和 BH1750FVI 光照傳感器采集終端所在溫室的環(huán)境因子 ， 并實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境因子的無線遠(yuǎn)距離傳送 。基于 PHP 和以太網(wǎng)開發(fā)了溫室環(huán)境人機(jī)交互界面 ， 實(shí)現(xiàn)了能通過 Web 遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù) 。參考文獻(xiàn) : 1 孫婷婷 探討北方玉米機(jī)收農(nóng)機(jī)化技術(shù)的新亮點(diǎn) J 農(nóng)民致富之友 ， 2016( 11): 212 2 劉永華 基于 PLC 與 WinCC 組態(tài)軟件的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)科技與裝備 ， 2014( 10): 20 22 3 彭改麗 物聯(lián)網(wǎng)在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究 D 鄭州 : 鄭州大學(xué) ， 2012 4 周素茵 ， 章 云 ， 曾 斌 無線通信技術(shù)在我國(guó)現(xiàn)代溫室中的應(yīng)用綜述 J 傳感器與微系統(tǒng) ， 2012， 30( 12): 14 17 5 李俊斌 ， 胡永忠 基于 CC2530 的 ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì) J 電子設(shè)計(jì)工程 ， 2011( 16): 108 111 6 孟立凡 ， 藍(lán)金輝 傳感器原理與應(yīng)用 M 北京 : 電子工業(yè)出版社 ， 201112: 57 62 7 王 媛 基于 ZigBee 的雞舍光照監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 D 保定 : 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) ， 2013 8 楊 萍 ， 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