基于ZigBee的智能温室远程监控系统设计_刘忠超.pdf

刘忠超 ， 范伟强 ， 常有周 基于 ZigBee 的智能温室远程监控系统设计 J 江苏农业科学 ， 2018， 46( 16) : 166 170doi: 1015889/j issn1002 1302201816042基于ZigBee的智能温室远程监控系统设计刘忠超1， 2， 范伟强3， 常有周1( 1 南阳理工学院电子与电气工程学院 ， 河南南阳 473004; 2 西北农林科技大学机械与电子工程学院 ， 陕西杨凌 712100;3 中国矿业大学 ( 北京 ) 机电与信息工程学院 ， 北京 100083)摘要 : 温室环境中温度 、湿度 、光照等环境因子是影响设施作物生产高产的关键 。课题以 ZigBee 技术为核心 ， 选用 STM32F103 作为网关微控制器 ， 结合以太网通信技术 ， 设计了一种智能温室远程监控系统 。系统中温室传感器采集的数据通过 ZigBee 组建的网络传输到网关中 ， 并由网关控制液晶模块就地显示温室状态 ， 同时利用 W5500 网络模块将温室数据通过以太网发送到上位机 ， 并基于 PHP 开发了上位机监控软件实现了温室的远程监控 。经实际测试表明 ， 该系统布线简单 、方便灵活 、实时性好 、能实现温室环境的远程无线监控 。关键词 : 智能温室 ; ZigBee; 以太网通信 ; 上位机监控 ; 监控系统 ; 系统测试中图分类号 : S24; TP273 文献标志码 : A 文章编号 : 1002 1302( 2018) 16 0166 05收稿日期 : 2017 07 17基金项目 : 国家自然科学基金 ( 编号 : 61504072) 。作者简介 : 刘忠超 ( 1979)， 男 ， 河南南阳人 ， 博士研究生 ， 副教授 ， 主要从事 农 业 机 器 人 、智能化检测与控制研究 。E mail:liuzhongchao2008 sina com。我国是人口大国 ， 人均耕地占有率排名较靠后 ， 占有世界近 22%人口的国家 ， 却依靠着占世界近 7% 的耕地来生存着 1。此外 ， 我国耕地质量呈下滑的趋势 ， 这对粮食产量有着较大的影响 ， 提高单位面积粮食产量和扩大粮食种植面积是农业发展迫在眉睫的要求 。温室栽培改变了传统农业生产模式 。打破了植物生长的地域和时空界限 ， 推动了农业生产和社会文明的发展 。现代温室越来越广泛地应用于设施农业生产中 ， 温室生产成为现代农业的标志 。随着现代农业的发展 ， 特别是随着农业人口向城市转移 ， 对农业自动化的要求越来越高 ， 温室技术也逐步向智能化方向发展 2。智能温室能将温度 、湿度 、光照度等环境量自动调节到农作物生长所需要的范围内 ， 从而可以不受自然环境的影响 ， 实现全年任何季节都能生产的需求 。传统的温室大多采用人工方式进行环境数据的测量 ， 费时费力 ， 在温室面积较大时更是增加了劳动量 3。当采用有线的方式进行监控时 ， 需要布设较多的线缆 ， 出现故障的可能性较大 ， 并且成本较高 ， 降低了温室的效益 4。针对传统温室存在的问题 ， 课题借助 ZigBee无线传感网络和以太网通信技术的优势 ， 设计了一种智能温室无线监控系统 ， 利用传感器自动采集温室环境参数 ， 实现对温室环境的智能化监控 。1 系统总体设计为了实现温室环境参数的远程自动监控 ， 系统主要由温室终端环境因子采集系统和远程网络传输系统组成 。终端通过温湿度传感器 、光照度传感器采集环境因子 ， 并通过 ZigBee组建的网络将温室环境量上传至协调器 ， 协调器和 STM32 控制器之间采用串口直连的方式进行数据间的双向传递 ， 单片机在收到数据后会在液晶屏上进行环境数据的就地显示及动态曲线的绘制 ， 同时通过网络模块将数据上传到基于 WEB的上位机上 ， 上位机会对温室内的环境量进行实时显示 。同时上位机开启自动控制功能 ， 如果温室内温湿度 、光照度高于或低于设定值 ， 则会自动发送相应的命令给下位机 ， 终端会对收到的命令进行解析 ， 控制风扇 、加热器 、除湿器 、风机的开和关 ， 以此来实现温室的智能调节 。系统总体架构如图 1 所示 。2 系统硬件设计21 微控制器选择STM32 系列单片机是意法半导体公司推出的高性能 、低成本 、低功耗的嵌入式微处理器 ， 该芯片的配置非常强大 ， 片上资源 十 分 丰 富 。结合系统的功能需求 ， 系 统 选 用STM32F103ZET6 作为 ZigBee 网关的微控制器 ， 通过 2 路串口与协调器和电脑进行数据传输 ， 并借助 1 路 SPI 接口和网络模块相连 ， 实现与上位机之间的以太网通信 5。22 温湿度传感器电路设计系统选用 DHT11 传感器来测量温湿度 ， 该传感器已经对661 江苏农业科学 2018 年第 46 卷第 16 期输出的数字信号进行了校准 ， 可靠性与稳定性极高 。传感器采用单总线的串行通信方式 ， 使硬件连线变得简单 ， 使用起来较为方便 6。DHT11 传感器电路如图 2 所示 。23 光照度传感器电路设计光照度的测量通常简便的方法是采用光敏电阻 。它是一种光照度与其阻值成反比的元器件 ， 在强光条件下 ， 光敏电阻的阻值仅有数百欧姆 ， 在暗光条件下 ， 它的阻值最大可达10 M。BH1750FVI 是一种采用 I2C 总线来进行通信的数字式光照度传感器 ， 这种传感器具有很高的分辨率 ， 能够检测的光照度变化范围较大 ， 并且受红外线 、温度的影响很小 7。光照度检测电路如图 3 所示 。24 液晶显示电路设计为了在现场实时监控温室里的温湿度 、光照度等环境量 ，显示界面必不可少 。常用的显示方式有数码管 、液晶屏和点阵等 。本系统要显示的数据比较多 ， 数码管只能显示单一数字 ， 不能显示出数据的变化趋势 ， 而 TFT LCD 液晶屏不仅能显示不同颜色的汉字和数字 ， 而且还能绘制出温湿度 、光照度的变化曲线 ， 作为温室监控的显示界面较为合适 8。系统采用尺寸为 32 英寸 、分辨率为 240 320 像素的液晶屏 ， 液晶显示电路如图 4 所示 。25 继电器输出电路设计智能温室不仅需要实时监视温湿度 、光照度等环境量 ， 而且还需要对风扇 、加热器 、除湿器 、风机等进行控制 。终端节点带负载能力有限 ， 输出信号不足以驱动这些大功率器件 ， 因此采用继电器的方式来控制 9。选用松乐直流 5 V 继电器 ，最大承受 10 A/30 V 的直流电 ， 能满足系统设计要求 。考虑到风机等大功率器件启动时电流的影响 ， 加入光耦来对信号进行隔离 。继电器输出电路如图 5 所示 。26 ZigBee 网关硬件设计ZigBee 网关数据传输的核心就是网络模块 。STM32 单片机一般有 2 种方式接入以太网 : 即软件 TCP/IP 协议栈和硬件 TCP/IP 协议栈的方式 。系统采用 W5500 以太网芯片来实现硬件协议栈方案 ， 采用硬件协议栈能减轻单片机处理的数761江苏农业科学 2018 年第 46 卷第 16 期据量 。W5500 是 Wiznet 公司设计的全硬件协议栈芯片 ， 具有超高的性价比 。在使用过程中 ， 不需要再植入软件协议栈 ， 大大降低了代码量 ， 同时具有较高的安全性 10。用 STM32 控制 W5500网络模块 ， 用 TCPClient的方式来接入互联网 。W5500 硬件电路如图 6 所示 。27 直流稳压电源电路设计系统中 ZigBee 芯片 、传感器 、STM32 单片机工作电压均为 33 V， 而单片机对电压要求较高 ， 因此单独采用稳压芯片为其供电 。选择 2 节锂电池串联来为系统提供电能 ， 由于系统正常工作的电流不是太大 ， 选择常用的 AMS1117 3 3 V线性稳压芯片来转换成需要的电压 11。AMS1117 3 3 V 电源电路如图 7 所示 。3 系统软件设计软件系统包括两大部分 : 第一部分是由 ZigBee 无线传感网络构成的温室数据采集软件系统 ， 第二部分是以 ZigBee 网关为核心的数据监控软件系统 。数据采集软件系统主要有ZigBee 组网 、无线通信 、传感器采集 、I/O 输出控制 4 个模块组成 。数据监控软件系统主要有 MCU、以太网通信 、LCD 显示 、上位机监控 4 个模块组成 12。软件系统总体框架如图 8所示 。31 温湿度程序设计终端节点上的 DHT11 温湿度传感器与 ZigBee 进行通信的方式为串行单总线 ， 通信 1 次的时间需要约 4 ms， 开始时主机发送 1 个下降沿启动信号 ， 传感器响应该信号并从低功耗模式 变为高速模式 。DHT11将在启动信号结束后输出一个861 江苏农业科学 2018 年第 46 卷第 16 期响应脉冲信号同时发送包含需要的 5 个字节的温湿度数据 ，完成一次信号采样过程 13。读出完整的一帧数据格式为 1个字节的湿度整数 ， 1 个字节的湿度小数 ， 1 个字节的温度整数 ， 1 个字节的温度小数 ， 最后 1 个字节是校验和 。温湿度程序流程如图 9 所示 。32 光照度程序设计光照度程序流程如图 10 所示 。33 网关主程序设计网关与协调器之间以串行方式进行数据传输 ， 单片机每收到 1 字节的数据都会进入中断进行判断 、读取 ， 直至完成 1帧数据的接收并将其放在数据缓冲区 。单片机通过 W5500模块将收到的 1 帧完整数据转换成 TCP/IP 协议的数据格式并发送到 WEB 上 ， 并在 LCD 上实时显示数据及曲线 ， 实现了本地和远程可以同时监控温室环境因子的功能 。网关主程序流程如图 11 所示 。34 上位机监控设计根据系统需求 ， 温室环境因子在上位机上以 WEB 的形式实时显示数据和曲线 。PHP 是一种适合 WEB 开发的开源脚本语言 ， 因此采用 PHP 作为上位机的编程语言 。ZigBee 网关与上位机之间使用 TCP 协议进行通信 ， 网关 TCP 通信用 C语言进行编程 ， 上位机 TCP 通信用 PHP 语言进行编程 ， 两者编程语言不同 ， 网关设备作为 TCP Client， 调用 Connect 函数接口 ， 上位机作为 TCP Server， 调用 Listen 函数接口 ， 通过调用Socket 提供的函数接口来实现两者间的通信 。上位机登录界面如图 12 所示 。4 系统功能测试系统软硬件测试完成后在南阳某温室大棚放置 2 个终端节点对系统整体功能进行测试 。终端液晶屏就地显示结果如图 13 所示 ， 红线代表温度 ， 绿线代表湿度 ， 蓝线代表光照度 ，在液晶屏上实时显示了终端采集节点 1、2 的温湿度和光照度 ， 并且改变温湿度和光照度时曲线有相应的变化 ， 能反映出961江苏农业科学 2018 年第 46 卷第 16 期变化的趋势 。从系统整体测试结果来看 ， 液晶屏能准确反映出温室内环境参数的变化趋势 。通过远端 WEB 页面登录上位机成功后可以查看不同时间的温度 、湿度和光照度的变化趋势 ， 温度 、湿度曲线 、光照度曲线分别如图 14 至图 16 所示 。5 结论借助于 ZigBee 技术 ， 网关作为数据转换中心 ， 把温室内的环境因子无线发送到上位机 ， 实现了温室的智能远程监控功能 ， 系统具有布线简单 、结构合理 、使用方便的特点 。利用 DHT11 温湿度传感器和 BH1750FVI 光照传感器采集终端所在温室的环境因子 ， 并实现了温室环境因子的无线远距离传送 。基于 PHP 和以太网开发了温室环境人机交互界面 ， 实现了能通过 Web 远程监控温室环境参数 。参考文献 : 1 孙婷婷 探讨北方玉米机收农机化技术的新亮点 J 农民致富之友 ， 2016( 11): 212 2 刘永华 基于 PLC 与 WinCC 组态软件的智能温室控制系统设计 J 农业科技与装备 ， 2014( 10): 20 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