基于ZigBee 溫室環境監控系統的設計與實現
【文章摘要】
智能溫室技術在推動農業的現代化發展進程中起到了重要的作用，豐富著人們的日常生活。本文實現了基于ZigBee 技術的溫室環境監控系統。系統采用STC 單片機作為主控芯片，下位機傳感器采集溫室內環境參數， 通過無線傳輸ZigBee 模塊傳送到由LabVIEW 平臺設計的上位機，通過GSM 模塊進行遠程報警，調節模式分為手動和自動模式，使環境適合作物生長。該系統通過現場測試，運行穩定，具有一定的推廣性。
【關鍵詞】
LabVIEW ；ZigBee ；GSM ；監控系統
科技的發展日新月異，帶給人們更多的生活體驗，逐漸豐富人們的生活，智能溫室的迅速發展帶給人們豐富多樣的食物， 打破了時間和空間的限制。智能生態系統的環境溫濕度參數對農作物的生長起著至關重要的作用。對于現有的大多數智能溫室系統的數據采集方法，人工實地記錄方式難以保證數據的實時性和有效性；采用有線數據遠距離檢測方式容易受地理位置、物理線路和復雜環境因素的影響，系統可靠性降低，安裝維護難度大，具有明顯的局限性這兩種方法，不僅耗費大量的人力物力，效率低，而且容易產生較大誤差，準確性低，本系統設計正是基于這個原因，進行實現智能溫室環境系統的監測與控制，從智能控制方面實現溫室的高效率作業， 采用ZigBee 技術實現本次設計的下位機和上位機無線通信，有效減少了地理位置、物理線路和復雜環境因素的影響，提高了傳輸效率。采用LabVIEW 軟件設計人機交互界面，便于管理、運行穩定。
1 系統總體結構框圖
農作物在成長過程中需要的環境因子很多，適宜的溫度、濕度、光照強度以及二氧化碳濃度是作物實現健康生長的關鍵。因此，結合農作物的生長規律，對溫室的環境進行監測和控制，實現檢測與調節溫室環境。
本設計主要分為數據采集系統、數據傳輸系統、上位機界面控制三大部分。數據采集系統包括數據的采集處理、顯示和數據發送等功能。數據采集包括空氣和土壤的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度，并將采集的數據發送給傳輸系統的ZigBee 終端節點。ZigBee 終端節點將收到的數據傳輸給ZigBee 網絡協調器，ZigBee 網絡協調器通過串口將數據傳至PC 機，PC 上位機將采集的數值實時顯示，并和設定閾值進行比較，當超過設定上下限值時，在上位機上會有紅色指示燈直接顯示出來，上位機操作界面調節機構包含自動調節和手動調節，自動模式下可以完成短信報警，并傳遞相應改善溫室環境的措施指令至下位機進行調節，同時下位機蜂鳴器響起，表示調節機構正在進行，管理員在電腦前工作時，可以設定為手動調節方式，根據數據顯示，點擊相應調節措施按鈕，執行相應調節機構。當管理員遠離電腦時，開啟自動調節模式，上位機自動向指定管理人員發送報警短信，并執行相應調節機構。管理人員可以連接網絡，登錄到管理界面進行實時監控，修改上下限值，調解處理等操作�？傮w設計框圖包含三個場景，分別是現場、機房、移動終端，現場與機房之間通過ZigBee 無線傳輸，機房和移動終端通過GSM 網絡進行通信。本設計總體框圖如下圖1 所示：
本文從硬件設計和上位機軟件控制兩個方面介紹系統的組成。用戶通過該系統較便捷地監控溫室環境參數。
2 下位機設計
本系統下位機使用STC 單片機作為控制芯片，下位機主程序包括溫濕度采集模塊、光照強度采集模塊、二氧化碳采集模塊、LCD 顯示模塊、復位電路、蜂鳴器電路、模數轉換電路，將各模塊聯系起來， 共同完成數據采集、發送和調節的功能。主流程圖如圖2 所示：
圖2 下位機主流程圖
STC 單片機P2 口包含P2.0 至P2.7， 引腳21 至28，外接LCD 顯示，其中引腳24、25、26 分別控制顯示器的數據命令控制、讀寫、使能功能。P3 口P3.0 至P3.7，外接串口、蜂鳴器、溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度等電路，是實現功能最多的部分。P0 口P0.0 至P0.7，連接排阻，外接LCD 顯示，控制顯示器顯示內容部分。P1 口P1.0 至P1.7，引腳2 到8 外接七個LED 燈，分別代表不同的調節機制，引腳2 控制風機、引腳3 控制加熱、引腳4 控制加濕、引腳5 控制灌溉、引腳6 控制頂窗、引腳7 控制遮光、引腳8 控制補光的繼電器開關。系統選用DHT11 作為空氣中溫濕度數采集模塊，輸出端與單片機P3.5 引腳相連，土壤環境中的溫濕度數據通過DHT11 的數據口與單片機P3.7 引腳相連接，將數字信號送入單片機進行處理。
3 ZigBee 網絡組建與串口控制
ZigBee 是IEEE 802.15.4 協議的代名詞。ZigBee 協議棧是指網絡中各層協議的總和，其形象的反映了一個網絡中文件傳輸的過程：由上層協議到底層協議，再由底層協議到上層協議。本設計采用的CC2530 是CC2530F256，具有256KB 的閃存。CC2530F256 結合了ZigBee 協議棧， 提供了一個很好的ZigBee 開發平臺。本系統設計使用ZigBee 技術作為無線傳輸部分，用兩個CC2530 模塊實現點對點通信，一個為協調器，與上位機相連，另外一個為終端設備，與下位機相連。ZigBee 協調器是啟動和配置網絡的一種設備。協調器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關聯，在使用過程中，先打開協調器，再打開終端設備。
位機收到字符后，向上位機傳送6 個數值，并根據字符是否是控制字符從而進行相應的控制。這種設計的好處，一方面不會出現上下傳輸數據相沖突，使系統更穩定；另一方面節省下位機和傳輸系統的資源。
串口發送6 個數據值，兩個監測點的溫濕度值、光照強度和二氧化碳濃度，發送前要先對串口初始化，設置波特率等參數。對SCON 選工作方式，對PCON 設波特率加倍位“SMOD”( 缺省值=0)，采用中斷方式，要打開 ES 串口中斷允許位和總中斷EA 位。串口和控制程序流程圖3 所示：
圖3 串口和控制子程序流程圖
4 用戶GUI 界面設計
LabVIEW 本身是功能較完整的軟件開發環境，但它是作為替代常規的Basic 或C 語言被設計的，并且不僅僅是個軟件開發環境。作為編寫應用程序的語言，除了編程方式不同外，LabVIEW 具備編程語言的所有特征，因此被稱為G（Graph） 語言。使用G 語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。本系統的上位機界面采用LabVIEW 編程制作，完成的主要功能有：用戶名密碼登陸界面；監測空氣和土壤的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度的顯示；歷史收集數據查看，波形顯示；對應點的瞬時數據值和上下限值的比較報警；調節機構對下位機的控制；對GSM 模塊的控制。
主界面包括串口選擇部分，管理員電話號碼以及收到短信內容部分，采集數據實時顯示以及上下限部分，自動手動控制部分，歷史數據記錄部分，實時波形數據顯示部分。LabVIEW 主界面前面板如圖4 所示。登錄系統的設計是基于LabVIEW 軟件平臺的，實現的主要作用是保證用戶和測試數據的安全性。登錄界面VI 前界面如圖5 所示。
圖4 LabVIEW 主界面前面板
5 結束語
本系統的設計可實時監測空氣和土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度的數值；采用新興的ZigBee 技術實現遠距離的無線數據傳輸，更加符合現代溫室的使用要求，節省了物力人力，對溫室環境的監測控制更加科學；上位機具有良好的界面，實現了串行通信，顯示功能，報警功能，發短消息功能，顯示接收短消息功能，自動和手動控制以及短信控制功能，能夠實時的遠程監測溫室環境，自動與手動模式的良好結合，給整個系統增添了良好的靈活性，不受地點的限制。系統經過現場測試，功耗較低，運行穩定良好，用戶操作簡便，適用性較廣。
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