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。

可应用在固定、便携或移动设备上的，是一种低成本、低功耗的低速率无线连接技术；2001年8月，美国HONEYWELL等公司发起成立了ZigBee联盟，他们提出的ZigBee技术被确认
为IEEE 802.15 4标准；现联盟内有众多的成员企业。

ZIGBEE属于微波段2.4GHZ频率，可实现远距离(0—1000米)传送给路由器；一般由3部分组成：ZIGBEE传感器标签、ZIGBEE路由器、ZIGBEE协调器组成，需外接2 4～3.7V的电源，
当标签检测到现场的数据后，通过电磁波的传导，远距离的无线传输给路由器，路由器在已同
样的原理传输给协调器，协调器一方面可以将数据通过串口传送给电脑，以供系统分析控制，
一方面可以通过内置的单片系统处理、分析、控制所接受的数据。

整个传输过程均通过无线传输，传送速率在250K/s,且在传送过程中对数据的加密保护，实现了快速、安全的现场数据采集。

ZIGBEE在无线传输的过程中，可以自动的实现自组网、多跳、就进识别的功能，当现场的
单个路由出现问题时，其他路由会自动的寻找其他的线路，不会耽误系统的运行。

2系统实现。

系统结构分为三层：数据采集层、通讯层、处理层。

数据采集层使用大量的无线传感器进行温室内各种数据的收集，通讯层对采集层采集到的
数据利用ZigBee无线网络传送到上位机程序。

上位机监控数值变化当超出设定的阈值就发送相关命令控制执行装置的运作。

温室大棚对环境的要求非常高，温度、湿度、光照、C02、等一系列的参数均对其影响重大。

优秀的温室大棚管理，应对以上环境变量进行严格监控管理。

在本系统中，我们采用不同的传感器来实现对环境的监控，像无线光照度传感器、无线温
度传感器、无线湿度传感器、C02传感器等。

以无线温度传感器为例，该传感器采用3大模块
组成：l、温度传感器模块；2、单片机系统模块；3、无线发送模块。

温度传感器模块实时监测现场的温度数据，利用无线传感模块将数据发送给ZigBee协调器，ZigBee协调器将数据整理
通过串口与上位机通信，上位机收到相关数据后进行分析，与额定温度值比较若超出标准值则
控制温室内窗户的通风系统的运转和这样保温幕的开闭，使温度回复正常水平。

3数据传输。

数据传输部分：Zigbee终端结点设备、Zigbee无线协调器、无线路由器
无线协调器：识读中继器，接收中继传送过来的信息，并将数据用串口上传控制机；识别
距离0—300米可调；微波24—25GHz频段；吊挂式或固定支架安装，串口通信，防尘防水。

协调器是最终连接电脑的设备，它前端采集路由数据，后端向电脑传送数据。

当现场数据较大，
较多时，亦不会产生数据的拥堵。

4数据管理。

数据管理采用mysql数据库组织和管理。

利用智能云计算将海量数据进行动
态组织和管理提高物联网的联网信息处理能力。

云计算可以充分利用网络中的计算能力实现对
资源的共享和服务，他具有虚拟化，定制灵活，高可靠性和安全性以及强大的计算能力和存储
能力等优点。

可以对海量数据进行有效的管理，提高资源的利用率和服务质量。

5应用决策。

温湿度控制部分：在温室内安放多个温湿度无线传感器，利用zigbee组网发送数据传感器内有D号，代表该传感器的身份。

传感器安放好后开始监测工作，传感器的D号、采集的数据、所在位置等信息会一并传给中继路由。

如：ID号为“2749000”的传感器，检测到现场的湿度数据为7 0%RH时，数据经由无线路由，无线协调器，最终将数据上传给上位机。

系统为保证该湿度值是一段时间内的平均值，会在每次接收到该ID号的数据后延时0—90秒，再取值比较，借以准确的判断该值是一个趋势值得出趋势折线图。

系统会将得出的均值与预设标准值60%RH，并与现场数据比对，判断比现场的温度高10%RH，则会控制除湿设备开启。

侧窗：分段开启侧窗通风系统，进行除湿，依此原理，直至侧开窗系统为100%。

除湿机控制：开启除湿机进行除湿。

报警：判断温度降不到目标值，则计算机会开启湿度过高报警，提示用户需增加除湿设备。