基于ZigBee的大棚环境监测系统设计
基于ZigBee的智能农业温室大棚系统的设计
基于ZigBee的智能农业温室大棚系统的设计作者：刘雪飞来源：《经济技术协作信息》 2018年第20期一、背景及意义我国是一个农业大国，农业的发展备受国家和社会重视。
近年来，农业温室基础设施发展迅速，但是在自动监控方面仍存在着诸多问题。
例如大棚覆盖区域较大，就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空气湿度、光照度、温度、土壤湿度、pH值、EC值等信息。
传统的温室监测与控制系统多采用有线连接或众多节点互相独立，这种传统方式布线复杂，使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。
无线传感器技术满足温室应用需求可以代替有线连接。
在物联网高速发展的今天，众多智能家居已经将物联网技术推向了一个高潮，那么农业技术领域也可以承载物联网的高速列车得到长足的发展。
利用ZIGBEE无线技术，可以将传感器整合到无线传送网络中：通过在农业大棚内不同位置布置多个温度、湿度、光照、等传感器，对棚内环境进行检测，数据整合、预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，更好的感知到农作物的环境，达到高度自动化生产状态，提高资源利用率和生产力水平。
二、现存问题1．首先是成本较高。
一套智能化的控制系统成本主要包括硬件成本、运行成本和维护成本。
硬件成本包括各仪器仪表、通信线缆等。
2．其次是布线复杂。
温室中有大量分散的传感器和执行控制机构，这些装置的设置不仅数量大而且分布广，当温室内生产的果蔬作物更替时，可能需要改变这些装置的物理位置，而错综复杂的线路也需要重新铺设，工作量较大，任务繁琐。
3第三，故障解决难。
当数据处理中心无法正常接收数据时，很难知道是线路问题还是节点故障。
另外，目前的控制系统多采用基于现场总线的分布式模式，当总线出现故障时，虽然各控制节点尚能正常工作，但是上位机却无法正常管理整个网络。
三、实现方案1ZIGBEE技术。
ZIGBEE技术是IEEE（美国电子和电气工程师协会）研发的新一代无线通讯技术。
基于Zigbee的智能温室大棚管理系统开发设计方案
第一届山东省物联网应用设计大赛设计方案文档基于Zigbee的智能温室大棚管理系统Intelligent Greenhouse Control System based on Zigbee设计方案参赛学校：青岛农业大学作者：王文刚张增伟孙琳指导教师：王蕊2014年06月20日目录摘要 (I)A BSTRACT............................................................................................................................................ I I 第1章快速说明.. (1)1.1智能大棚系统总体设计 (1)1.2硬件系统模块与器件选用 (3)1.3软件系统结构 (8)1.4中间件系统结构 (9)第2章方案立项 (11)2.1立项背景与意义 (11)2.2项目核心技术概述 (12)2.3项目研究目的与内容 (15)第3章硬件系统的设计与实现 (17)3.1智能大棚硬件系统结构 (17)3.2传感模块与数据存储模块电路设计 (18)3.3无线通信模块设计 (21)3.4显控模块电路设计 (25)3.5电源模块电路设计 (26)第4章软件系统的设计与实现 (28)4.1驻场管理系统 (28)4.2远程控制系统 (30)第5章中间件系统的设计与实现 (32)5.1中间件系统功能 (32)5.2中间件系统软件开发 (33)第6章作品成果展示 (35)第7章方案创新 (37)参考文献 (1)摘要我国是农业大国，人口总数占世界总人口的1/5，因此，农作物的优质高产对国民经济的意义重大。
目前，国内对农业大棚的管理主要采用传统的人工管理方式，即管理人员根据生产经验周期性地手动调节光照、温度、湿度等作物生长指标，并进行人工灌溉、施肥等培植操作。
这种方式需要较高的管理成本，还会带来生产效率低下、资源浪费以及环境污染等一系列问题。
基于ZigBee技术的环境监控系统设计
基于ZigBee技术的环境监控系统设计作者：高百惠来源：《电子技术与软件工程》2016年第15期摘要本文设计了一种基于ZigBee技术的农作物生长环境监控系统，选用ZigBee片上系统CC2530完成对影响农作物生长的空气温湿度、光照强度、土壤温湿度等环境参数的实时监控，实现了系统的自动化。
试验表明：本监控系统运行稳定可靠、采集数据精度高、控制稳定准确，达到目标要求。
【关键词】ZigBee 监控无线传感器网络1 系统整体设计方案图1所示的是农作物生长环境监控系统的整体架构示意图。
网络终端平台、监控平台以及网关平台这三部分共同组成了整套监控系统。
在温室大棚内，分布着土壤湿度从传感器、光照传感器、空气温湿度传感器，用以实时采集棚内的各个环境参数，即系统的网络终端平台；ZigBee无线网络作为信息传递媒介，上传终端节点采集的参数信息到第二部分——网关平台，也就是协调器节点，数据汇总后统一传给监控平台。
通过上位机界面，用户可以实时查看各个环境参数值，查看相关调控设备的工作状态，根据实际情况对设备实现自动控制。
2 系统硬件设计2.1 无线射频模块本文监控系统为了实现ZigBee网络无线传输功能，故无线射频模块选择CC2530。
CC2530因其低功耗的特点，故而能够实现4种电源模式，并且这4种运行模式间的转换耗时短暂，这是其在众多ZigBee芯片中独特的地方。
CC2530模块具有诸多优良性能，其融合了RF收发器，可以编写系统闪存，运用增强型业界标准8051CPU。
2.2 电源模块本设计的供电系统选择太阳能供电模式，考虑其不存在污染，没有安全隐患，故为可再生资源。
选用此种供电模式，既避免了供电端突发状况而停电或电池电量不足带来的不便，也免除了电缆布线的不便。
2.3 感知模块2.3.1 土壤温湿度传感器本系统土壤温湿度传感器最终选择SHT 10-P型号，该传感器采用土壤专用温湿度探头，能够完全互换，具有极高一致性。
基于ZigBee的温室花房环境监测系统设计
基于ZigBee的温室花房环境监测系统设计赵媛;杜坚;芦澍【摘要】为了实现温室花房环境的实时监测,提出了一种基于ZigBee技术的环境监测系统,并对系统的整体设计进行了研究.通过对ZigBee技术的分析和对CC2430芯片的研究,利用ZigBee技术设计环境监测系统,运用该系统对温室花房的温度、湿度等进行监测,达到实时远程监测的目的.%In order to achieve real-time monitoring of greenhouse environment, a design of environment monitoring system based on ZigBee technology is presented. The study of Zigbee technology network topology and CC2430 chip are conducted emphatically. The greenhouse environment monitoring system based on ZigBee technology was achieved for remote monitoring.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)011【总页数】3页(P37-39)【关键词】温室花房;ZigBee;CC2430;环境监测【作者】赵媛;杜坚;芦澍【作者单位】西南石油大学,四川成都610500;西南石油大学,四川成都610500;中国石油管道局投产运行公司,河北廊坊065000【正文语种】中文【中图分类】TN931.3-340 引言温室花房的环境温湿度控制与管理是影响植物生长过程的重要因素。
目前,实际使用的各类环境监测系统普遍存在网络布线困难、成本高及实时性差等问题，本文针对上述问题，提出了基于ZigBee[1]无线传感器网络的温室花房环境监测系统。
ZigBee无线传感器网络的温室大棚环境测控系统设计
本科毕业论文( 2014 届)题目：基于Zigbee无线传感器网络的温湿大______棚环境测控系统设计__________ 学院：信息工程学院____________ 专业：电子信息工程____________ 学生姓名：卫彬学号：21006021074____ 指导教师：蒋军职称（学位）：副教授合作导师：职称（学位）：__ 完成时间：2014 年5月19日_____ 成绩：_________________________________黄山学院教务处制学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。
本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。
本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。
声明人（签名）：年月日目录摘要 (1)英文摘要. (2)1 引言 (3)1.1课题背景 (3)1.2温湿度对植物的影响 (3)2 系统总体方案设计 (3)2.1系统设计思路 (3)2.2硬件分项选择 (3)2.2.2 温湿度传感器的选择 (3)2.2.3 数据传输方案选择 (4)2.2.4 显示模块的选择 (4)2.3软件部分选择 (4)3 主芯片的硬件资源 (4)3.1单片机的概念 (4)3.1.1 STC12C5A60S2单片机的结构特点 (4)3.1.2 STC12C5A60S2的芯片引脚 (5)3.2STC12C5A60S2中断系统 (5)3.2.1 中断概念 (5)3.2.2 中断系统结构 (5)3.2.3 中断源 (5)3.2.4 中断的控制 (6)3.2.5 中断响应 (7)4 系统总体设计 (7)4.1系统总体设计电路图 (7)4.2单片机最小系统电路 (8)4.3温湿度采集电路与原理 (8)4.3.1 DHT11温度采集原理 (8)4.3.2 温湿度采集部分电路图 (8)4.4Z IG B EE协调器 (9)4.5显示电路 (10)5 系统设计 (10)5.1系统设计流程图 (11)5.2系统主函数软件设计 (11)5.3DHT11温湿度采集软件设计 (11)5.4Z IG B EE协议栈软件设计 (11)5.5诺基亚5110显示软件设计 (12)6 测试 (12)6.1分布测试 (12)6.2整体测试 (12)7 设计总结 (13)参考文献 (14)致谢 (15)附录A 系统实物图 (16)附录B 部分程序代码 (17)基于ZigBee无线传感器网络的温室大棚环境测控系统设计信息工程学院电子信息工程卫彬指导老师蒋军摘要：介绍了一种利用ZigbeeCC2530传输、STC12C5A60S2单片机、DHT11温湿度传感器、和诺基亚5110液晶显示器构成基于Zigbee的无线传感网络温室大棚测控系统，讨论了系统的硬件电路设计和软件编程，主要解决了利用STC12C5A60S2型单片机作为核心器件，利用ZigbeeCC2530作为传输介质、DHT11温湿度读取模块实时检测环境的温湿度和利用诺基亚5110显示屏显示实时温湿度的关键技术。
基于LabVIEW和ZigBee的温室大棚环境监控系统的设计
基于LabVIEW和ZigBee的温室大棚环境监控系统的设计伦志新【摘要】本系统应用LabVIEW软件和ZigBee技术设计了温室大棚环境参数监控系统。
系统以CC2530为控制核心，对传感器终端节点和协调器节点进行了软硬件设计；使用LabVIEW设计了上位机控制系统，其分为自动和手动两种控制模式，并实现了远程监控功能。
该系统通过现场测试，运行稳定，提高了环境参数控制精度，具有一定的推广性。
%The system using LabVIEW software and ZigBee technology to design the environment parameters in greenhouse monitoring system.The system uses CC2530 as the control core,the sensor terminal nodes and coordinator node for the design of the hardware and software;uses LabVIEW to design the computer control system,which is divided into two types of automatic and manual control mode,and realizes the function of remote monitoring.This system through the field test,stable operation,improve the environment parameter control precision,has certain promotion.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2014(000)024【总页数】3页(P1-2,7)【关键词】LabVIEW;ZigBee;无线传感器网络;监控系统【作者】伦志新【作者单位】唐山学院计算机中心，河北唐山，063009【正文语种】中文随着科技不断进步，我国农业发展正在朝着农业强国行列迈进。
基于ZigBee的温室大棚的温湿度检测系统共3篇
基于ZigBee的温室大棚的温湿度检测系统共3篇基于ZigBee的温室大棚的温湿度检测系统1温室大棚是一种在室内环境下控制温度和湿度，提供适宜生长条件的一种设备。
温室大棚以保证植物生长发育需要的温湿度条件为主要目标，而这些条件的测量则必须要通过传感器来实现。
在传统温室大棚的温湿度检测中，往往采用温度计和湿度计。
这种方法虽然简单且可靠，但由于人工测量的误差度较大，不能准确地反映实际的温湿度值。
同时，这也会带来一些问题，例如温度计和湿度计需要频繁的人工校正、无法实时监测温湿度等。
随着科学技术的不断进步，越来越多的科技设备被应用到温室大棚的生产和管理中。
在本文中，我们将介绍一种基于ZigBee无线通信技术的温室大棚温湿度检测系统，从而实现对温室大棚内部温湿度的实时监测和管理。
首先，我们需要了解一下ZigBee技术。
ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信技术，传输距离较远，低功耗、适用于低速数据传输的应用，工作频率为2.4GHz。
该技术适用于传感器网络，可以用于传输温湿度、光照、气压等等各类环境数据，并实现设备之间的互联互通。
接下来是系统的组成。
我们需要准备一些传感器和基站。
传感器包括温度传感器和湿度传感器。
基站需要采集传感器信息，并将数据传输给上位机进行处理。
为了简化系统，我们可以使用Arduino单片机作为基站。
Arduino可以用于存储数据并进行数据处理，在实际应用中使用普遍。
在本具体实现中，我们需要使用两个传感器分别测量温度和湿度，并将这些数据发送给基站。
在组成了所需硬件之后，我们需要进行系统安装。
温度传感器和湿度传感器被安装在温室大棚内，通常安装在植物的底部或者中间位置，这样可以保证测量的数据更加准确。
这些传感器会发送温度和湿度数据，基站会通过ZigBee模块将这些数据传输到上位机。
当数据传输到基站后，Arduino会对数据进行预处理。
由于我们使用的是数字传感器，它可以直接输出温度和湿度的数字值。
基于ZIGBEE技术的温室环境远程监测系统
农 机 化 研 究
第 ７期
基 于 ＺＧＢ Ｅ 技 术 的 温 室 环 境 远 程 监 测 系 统 Ｉ Ｅ
米海 涛 ，付 立思
（ 阳农 业 大学 信 息 与 电气 工 程 学 院 ，沈 阳 １ ０ ６ ） 沈 １ １ １
摘
要 ： 对 ＺＧ Ｅ Ｉ Ｂ Ｅ网络 搭 配 Ｇ Ｒ Ｐ Ｓ网络 架构 的温 室 环境 信 息 远 程监 测 系 统进 行 了设计 ， 着重 讨 论 了适 合 温 室 现
功耗 、 数据 速 率 、 成 本 的无 线 网络 技 术 ， 低 低 主要 适 用 于控 制 和传 感方 面 的应 用 。 相 比其他 无线 传 输 技 术 ，Ｉ Ｂ Ｅ的 优 势 在 于 ： ＺＧ Ｅ 功
收 稿 日期 ：２０ ０ ９—１ ０—１ ９
网络及上位机 的协议和软件设计不作为本文重点 。
数 据 中心 统一 观 察 。 为 了实 现 这 些 功 能 ， 要 解 决 的 需
近 年来 ， 于 ＩＥ ８２ １ ． 议 标 准 的 ＺＧ Ｅ 基 Ｅ Ｅ ０ ．５ ４协 ＩＢ Ｅ
技术 日渐成熟 ， 极大地推动 了无线传感器 网络走 向实
用 ， 无线 传 感器 网络 技 术 应 用 于农 业 自动 控 制 也 具 把
提 供 了三 级 安 全 模 式 ， 够 灵 活 确 定 其 安 全． 性 ； 能 属 高
容 量 ， 多可 组 成 ６ ０ 最 ５ ０个节 点 的 大 网 ； 执照 频段 。 ０ 免
上第一个无线葡萄园， 并获得 了成功。不过 由于技术 上的局 限、 技术规 范的不统一 、 大规模 应用上 存在瓶
成 本 低 ， 于实 施 ， 以满 足要 求 。 易 可 本 文将 着 重讨 论 ＺＧ Ｅ Ｉ Ｂ Ｅ网 络 部分 的设 计 ， Ｐ Ｓ ＧＲ
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龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 基于ZigBee的大棚环境监测系统设计 作者：党磊 倪旭光 来源：《现代信息科技》2018年第08期
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龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 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标准的增强型芯片，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 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 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，首先由协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龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 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。