基于zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统设计.docx

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基于zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统设计

摘要

目前，ZigBee技术已经广泛应用于近距离传输的无线通信领域，尤其是在工农业控制、医疗卫生方面日益起着越来越重要的作用。

本设计意在通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采用树型网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度的数据进行采集和分析，将此应用于对农业里温室的环境检测和控制当中，避免了有线网络的布线问题和成本问题。

本设计利用了一个结构合理的Web应用程序，搭建Web服务器来动态显示传感终端所采集的温室数据。

关键词：

ZigBee；CC2430；无线传感器网络；温湿度采集

Abstract

Currently,ZigBeetechnologyhasbeenwidelyusedincloserangetransmissionofwirelesscommunicationsisincreasinglyplayinganincreasinglyimportantrole,especiallyintheagriculturalandindustrialcontrol,medicalprotection.Thisdesignisintendedtobuildawirelesssensornetwork（WSN）,theadoptionofZigBeewirelesscommunicationtechnology,theuseofatreenetworktopology,sensornodesjointhenetworktemperature,humidity,lightintensityandcarbondioxideconcentrationofthedatacollectionandanalysiswillthisappliedtothedetectionandcontroloftheenvironmentonagriculturalgreenhouse,toavoidthecablenetworkcablingproblemsandcostissues.ThisdesignusesarationalstructureoftheWebapplication,setupaWebservertodynamicallydisplaygreenhousedatacollectedbythesensorterminal.

Keywords:

ZigBee;CC2430;wirelesssensornetworks;temperatureacquisitio

前言

随着我国国民经济的发展人民生活水平日益提高,冬季大棚蔬菜市场日渐扩大。

在利用蔬菜大棚生产中,温度、湿度等因素直接关系到大棚作物的生长,因此,对大棚温湿度数据进行实时、精准的采集以及监测调节是实现大棚蔬菜生产优质、高效益的重要环节。

传统的环境参数系统使用有线监测设备,具有线路多、布线复杂、维护困难等缺点,在很多特定区域无法顺利使用。

基于此,本文介绍了一种基于Zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统,该系统利用无线通信技术,无需布设任何线路,自动组网,成本低廉,采集及监测节点数量大,有效地实现了对蔬菜大棚环境参数采集的实时无线监控,促进了蔬菜大棚的智能化、统一化管理。

1.绪论

1.1研究的背景和意义

21世纪是设施农业迅速发展的时期。

发达国家与发展中国家纷纷采取措施，加大投资.大力发展智能化设施农业。

设施农业是采用先进的科学技术和工厂化生产方式，把作物种植在一个相对封闭的空间，为作物的高效生产提供适宜的生长环境，并且在任何地区，一年四季均能种植任何作物的现代化农业。

设施农业是农业现代化的重要标志，其特点表现为高产量、高品质、环保、周年可持续生产。

设施农业的迅速发展加速了农业科学推广，对农业现代化水平的提高起到了积极的推动作用。

植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。

环境中昼夜的温度和湿度变化大，其对植物生长极为不利。

因此必须对环境的温度和湿度数据进行采集、监测和控制，使其适合植物的生长，提高其产量和质量。

本系统就是利用价格便宜的一般电子器件来设计一个参数精度高，控制操作方便，性价比高的应用于农业种植生产的蔬菜大棚温湿度采集测控系统。

温室内作物生长到一定时期，一方面对温室环境进行调控会影响作物的生长，另一方面作物光合作用、蒸腾作用的改变又对室内环境因子产生新的影响，从而产生了一种反馈作用机制，而在现有的温室环境控制系统并没有考虑到这种反馈作用机制。

如果能同时对没施内的温度、光照、二氧化碳浓度等进行智能调控，并能考虑到作物反馈作用机制，这种调控方式既节约资源又提高生产效率。

研究温室环境控制的现状及发展趋势，不仅可以提高作物的产量和降低温室能耗，而且对未来温室环境调控的发展具有重要的指导意义。

1.2国内外温室测控系统研究现状

1.2.1国内温室测控系统研究现状

目前温室环境控制系统主要针对温度和湿度控制进行研究。

卢佩等采用模糊控制方法，通过建立模糊控制系统模型和对模糊控制器的设计，引入解藕参数，实现系统的温湿度解耦控制，提高了温湿度控制的精度。

黄力栎等针对温室气候控制方法中温湿度之间的耦合作用，提出以温度控制为主、湿度控制为辅的控制策略，并建立两变量输入、三变量输出的控制主回路和补偿回路模糊控制系统，从而为温湿度控制提供了一种行之有效的方法。

邓璐娟采用逆系统方法对温室环境非线性系统进行了解耦和线性化，同时对随机的扰动进行补偿，采用PDF控制算法和Smith预估补偿对线性化后的系统进行了综合校正，在选择校正后闭环系统的参数时考虑了非线性系统解耦的要求。

朱虹通过对历史温室环境数据的合理分析，将温室的温度控制模型近似为一阶惯性加时滞环节。

基于该温度近似模型采用Zhuang等中提出的时间为权误差积到分指标最优的参数自整定公式来整定PID控制器参数，将整定后的PID控制器应用于温室控制。

杨泽林等通过数据挖掘，利用采集的温室内、外温度及室内湿度数据对温室状态进行分类，提出一种基于各类别中的温室温、湿度变化率相关性进行模糊解耦控制。

沈敏等考虑开关设备组合作用下温室测控系统的非线性动态特性，提出结构简单、不需复杂数值计算的离散预测模型，对设备组合进行滚动优化预测控制，大大简化温室测控系统预测控制算法的复杂性，缓解了测控系统分布大时滞问题。

1.1.2国外温室测控系统研究现状

国外的温室环境起步较早，温室环境控制经过多年的发展，控制技术和理论发展到较高水平。

随着用于温室环境控制的作物模型的研究，研究人员将温室物理模型和作物模型结合起来，以实现温室的高效生产。

Seginer等进行模拟研究确定温室二氧化碳施肥的优化措施，其方法是在建立一系列函数（作物生长函数、温室函数、设备函数及成本函数）之后，进行数值寻优得到不同温光水平下最优的二氧化碳施肥量，并给出一系列图表用于指导实际二氧化碳施肥操作管理；Van-Straten等利用作物的光合作用和蒸腾作用进行温室内短期的优化与控制，利用有效积温的原理进行温室的长期的优化与控制，将短期优化和长期优化相结合，实现了以经济最优为目标的温室环境控制。

Aaslyng等利用作物的光辐射吸收、叶片的光合作用和呼吸作用预测模型建立了温室环境控制系统，根据自然光照来控制温室内的温度，系统在节省能源和由于光照减弱而导致的作物产量降低之间取得了很好的平衡。

基于作物与环境的动态响应时间尺度不同，前人把温室作物生产优化控制问题分成慢速子问题和快速子问题2个子问题。

Seginer等只考虑慢速子问题，Hwang只考虑快速子问题。

VanHenten是第一位解决整个优化控制问题的科学家，提出把系统分解为2个时间尺度的方法，根据该方法首先解决长期问题，然后用长期问题的结果来计算短期问题的轨迹并把该方法应用到生莱生产的优化控制中。

从以上文献可以看出，国外进行温室环境控制时已经考虑到作物与环境的相互作用机制，同时考虑到作物动态响应与环境动态响应的时间尺度不一致性，但应用到黄瓜生长的优化控制中较少。

2.系统分析

2.1系统总体架构

无线传感器网络终端节点主要由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块组成。

数据采集模块负责通过各种类型的传感器采集物理信息；数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、功耗管理以及任务管理等；数据通信模块负责与其他节点进行无线通信，它通过ZigBee无线电波将数据传送到路由节点或主协调器节点，路由节点再将数据转送到主协调器节点或经过上级路由节点转给主协调器节点，主协调器节点通过RS232串口将所有信息汇集传至PC机或服务器。

本系统的模型主要分为四块:

温湿度的数据采集节点、负责从节点接收数据并向主机发送数据的系统节点、主机（服务器）以及最终的用户。

该系统的总体架构图如图2-1所示：

图2-1系统总体架构图

该系统由上位机（PC）监控端和下位机ZigBee网络两部分组成。

下位机ZigBee网络系统负责采集温室大棚内的温湿度数据，上位机负责显示温湿度数据并进行实时监控。

下位机ZigBee网络系统由温湿度传感器模块、路由器模块和协调器模块组成。

温湿度传感器模块主要负责采集、存储和上传温湿度信息。

路由器模块主要负责转发温湿度信息。

协调器模块主要完成温湿度数据的汇聚。

下位机ZigBee网络系统和上位机之间通过RS-232串口进行通信。

当监测大棚温湿度信息时，首先通过上位机端监控软件设置好波特率和串口号等参数，然后协调器开始组建ZigBee网络，这时路由器节点和温湿度传感器节点开始加入ZigBee网络。

分布在各个大棚内的温湿度传感模块开始采集温湿度信息，并存储在Flash中，通过单跳或者多跳的方式发送到上位机，上位机监控端接收到温湿度信息后，把各个大棚内的温湿度信息显示出来。

当温湿度信息异常时，在监控端会有异常提示，以便及时处理。

各个传感器节点每隔一定的时间采集一次它周围的温湿度，并将温湿度数据通过临近节点或直接传给基站核心板上；基站核心板负责收集从各个几点上传来的数据，并通过串口转传到服务器端上；远程主机将建立数据库来存储这些数据，为用户提供查询操作，主机也可以实现报警等功能。

以下是对这几部分功能的详细介绍：

1、温湿度传感器数据采集节点：

本系统中该环节主要是通过CC2430集成的暴露在空气中的温湿度传感器来采集菜蔬大棚里空气的温湿度，将其转化成数字信号，并通过Zigbee无线网络将这些采集到的数据发送到基站节点。

数据采集节点并不是多对一的传输关系，每个节点都有路由转发功能，也可以接受来自邻近节点的数据，并将其转发给基站节点，从而扩大了测量的距离，解决了无线测量范围有限的难题。

2、基站：

基站作为本系统的核心环节，它需要完成收集从自己网内各个数据采集节点发来的数据，并将这些数据通过串口发送到计算机（也可以称作服务器上）进行存储，从而为上层用户提供查询等服务提供了数据依据。

基站也是一块CC2430的增强型工业标准的嵌入式核心板，它在组网中的序号必须是01号，否则将接受不到数据。

3、服务器端：

服务器端通过串口线将从基站收到的数据存储在数据库中，并通过GPRS网络传输给远程主机端，从而为上层软件的设计、用户的使用提供了数据依据。

本系统的一个重点是在服务器端建立一个软件系统来管理这些数据。

4、远程用户端：

该部分主要负责从服务器端收集数据，并存储在自己的数据库中，并以此为数据基础为用户提供数据。

本系统在该软件设计中实现数据接收的控制、温湿度数据的显示、历史数据的查询、删除、温湿度的自报警以及系统用户等的管理。

2.2系统设