基于ZigBee的大棚环境监测系统设计

基于ZigBee的大棚环境监测系统设计

作者：陈国绍 丁莉 王中生 来源：《物联网技术》2013年第10期

摘 要：针对当前农业发展的需要，通过采用ZigBee与串口通信技术将温室信息实时传输到监测系统，使种植者可以及时了解大棚环境，并根据接收到的数据对大棚环境进行控制。以VB.NET开发上位机程序，用传感器接收温湿度数据，并通过ZigBee无线通信模块将信息通过串口传送给上位机，再由上位机监测软件完成数据的存储。对大棚中每一个节点的温湿度进行实时显示，当超出系统预先设定的温湿度期望值区间时，发出报警声音。实验说明，基于ZigBee的无线传感网络监测系统有着低功耗、小体积、使用简单方便等特点，更加适合现代化的农业发展。

关键词：ZigBee；串口通信；无线传感网络；实时监测

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）10-0016-03 0 引 言

大棚环境监测系统实时地对大棚的温度、湿度等环境因素进行检测，减少了种植人员的工作量；及时地对不利环境进行报警，减少了因为人工疏忽而造成的农作物减产的情况；记录大棚各个时段的环境数据，方便农民对农作物的生长情况作出更全面的了解，方便农民控制大棚环境，使之利于农作物的生长。对大棚温室的控制与管理是农业自动化生产的重要领域。目前，绝大多数的温室控制系统的信号传播方式都是有线传输，大量的布线不可避免。有线传输布线复杂，布线成本高，大棚内的环境温湿度都比较高，使得系统的抗干扰性和可靠性降低，后期的维护难度比较大。而采用无线传输方式可以有效地解决以上问题。

本文设计的大棚环境监测系统，使用单片机和温湿度传感器组成数据采集节点，采用无线射频CC2530（ZigBee）技术进行数据传输，上位机开发则采用Visual Basic.NET和Access数据库系统，将无线节点所采集到的温湿度信息实时地显示到系统界面，从而达到对温度监测的目的。

1 ZigBee技术简介

ZigBee是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术[1]，它有可能运用于几乎所有行业的低速率、短距离的无线通信，近些年多应用于智能家居、工业应用、智能交通、智能建筑和医院应用等。ZigBee的显著特点就是低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑结构。由于ZigBee技术的传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间短；而在非工作模式中，ZigBee节点又处于休眠状态，所以ZigBee节点非常省电。由于ZigBee协议栈相对于其他无线传输技术要简单得多，降低了对控制器的要求，因此可以采用8位单片机和规模

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很小的存储器，很大程度上减小了系统开发的成本。在可通信的距离内，ZigBee通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入；节点设备可以随意地加入和退出，是一种自组织、自配置的组网方式。ZigBee有多重网络拓扑结构，可以根据不同的需求使用相应的拓扑结构，具有较强的灵活性[2]。 2 系统结构设计

本系统由终端节点、协调器（也称为ZigBee网关）和数据库管理系统组成。终端节点对温湿度实时采集，经过C51单片机处理后上传到ZigBee无线网络。其中，每个ZigBee模块还具有中继功能，以免因距离过远无法传输。数据库管理系统采用VB.NET开发人机界面。如图1所示，ZigBee模块负责收集大棚温度数据、湿度数据并进行无线发送，避免了布线的麻烦，与其配套的上位机软件是一个拥有良好界面的数据监控和存储中心。下位机主要完成数据的采集与发送，上位机完成数据的分析和存储。本系统中ZigBee终端节点上装有温湿度传感器，负责采集大棚温湿度数据，而ZigBee模块负责通过无线网络传输数据信息，ZigBee网关节点负责收集终端节点的信息并通过RS232传输给上位机，上位机系统需要实现温湿度数据的实时显示以及数据的存储、查询、删除等功能。 图1 系统总体结构图 3 系统硬件结构组成

环境监测系统硬件装置由终端节点和协调器两大部分组成，系统结构图如图2所示。通常一套装置只有一个协调器，其主要包括微控制器、射频收发单元、无线节点和电源模块以及接口单元。在系统的硬件选择上，主要从温湿度的精确度、检测范围和经济适用度方面进行考虑。笔者主要采用集成的温湿度传感器以及CC2530作为ZigBee模块。

本系统下位机终端节点包括温湿度传感器、单片机和ZigBee模块。将终端节点按用户要求放置到大棚中，温湿度传感器将大棚环境信息收集上来，通过IIC总线将数据传输到STC12LE5204AD单片机进行数据处理。因为STC12LE5204AD没有IIC接口，所以本系统采用IO接口进行模拟[3]。单片机将处理过的数据信息传输给ZigBee模块，该模块将数据在无线网络中按照ZigBee网络协议传输到作为ZigBee网关的协调器，再通过RS232串口传输到上位机，进行数据处理等操作。当终端节点距离协调器过远，无法将信息直接传送到协调器时，可以自主地转送到其他终端节点进行数据中继，进而传输到协调器中[4]。 图2 系统结构图 4 系统软件设计

计算机上位机监测软件在Microsoft Visual Studio 2008环境下开发，系统将下位机收集到的温湿度信息交给Access数据库进行标准化管理。种植者可以通过计算机监测软件查询大棚

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环境历史信息，通过监测界面监测到大棚温湿度的实时变化，能够设置大棚环境的报警阈值和下位机匹配的硬件参数等。 4.1 数据接收模块

为了使下位机采集到的数据可以传输到上位机，需要编写串口通信程序进行串口通信。在Microsoft Visual Studio 2008中编写串口通信程序，一般都使用Microsoft Communication Control（简称MSComm）的通信控件，只要通过对此控件的属性和事件进行相应编程操作，就可以轻松地实现串口通信。但是，Visual Studio.Net没有将此控件加入控件库，所以人们采用了其他方法在Visual Studio.Net来编写串口通信程序，本系统利用SerialPort类进行串口编程。本系统需要实现下位机参数可以灵活匹配的功能，可以通过编写相应程序得以实现。 设计时，应首先打开串口连接；判断下位机参数是否已正确选择，下位机参数有五个，都需要进行判断；之后便可与下位机参数进行匹配，设置串口参数；再建立串口通信事件；最后接收数据信息。下面是其部分代码：

Private Sub SerialPort1_DataReceived（ByVal sender As System.Object， ByVal e As System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs） Handles SerialPort1.DataReceived '引入SerialPort类，接收数据HOneData（第一个节点的湿度）等三组六个数据 Dim byteToRead As Int16 = SerialPort1.BytesToRead（） If byteToRead = 21 Then Dim ch（byteToRead） As Byte Dim bytesRead As Int16 = 0

bytesRead = SerialPort1.Read（ch， 0， byteToRead） '用来存放接收到的数据 If ch（0） = 170 And ch（1） = 85 Then ' 判断读取下位机数据的长度是否为有效的 HOneData = CLng（\"&H\" & Hex（ch（2） & ch（3））） / 10

………'十六进制转成十进制（前面的），并且小数点向左进一位（除以10） 图3 所示是其数据接收模块流程图。

图3 数据接收模块流程图 图4 数据处理模块流程图 4.2 数据处理模块

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环境数据信息从下位机通过RS232串口传输到上位机系统，需要进行分析、转换等操作。数据按照规定的帧格式传输，每帧包含3个数据，分别为节点编号、温度数据、湿度数据，均以十六进制形式表示。上位机接收到数据后，分离其中的数据位，依次取出节点编号、温度数据、湿度数据中的值，进行十六进制数据转换成十进制数据的操作后，保存到数据库中。数据处理模块的流程图如图4所示。下面是其部分代码： Imports System.Data.OleDb '引用access控件

Public LHGconn As New OleDb.OleDbConnection（\"provider=microsoft.jet.oledb.4.0；\" & \"data source=\" & My.Application.Info.DirectoryPath & \"＼NewData.mdb；\"） '打开数据库，路径为相对路径

Public Sub LHconnopen（） Try

If LHGconn.State ConnectionState.Closed Then LHGconn.Close（） LHGconn.Open（）

Call RAlarm（）'数据库连接，错误则报警 4.3 数据显示模块

数据显示模块是整个监测系统中最重要的模块，需要将接收到的下位机数据以实时波动曲线的形式展示给种植者，该模块使用.NET Framweork构架中提供的GDI+类库进行绘图。系统界面中设计两个坐标轴，分别用来显示温度数据和湿度数据。系统获取从下位机接收到的数据在坐标轴中进行绘图，获取到的十六进制数据信息通过分析处理转化为十进制数据，再通过数学计算，确定该数据信息在坐标轴上的坐标值。将相邻两个坐标点用画线的方法连接起来，则形成了实时显示的曲线。使用Bitmap类，用来封装 GDI+ 位图，此位图由图形图像及其属性的像素数据组成。Bitmap 是用于处理由像素数据定义的图像的对象，相当于定义画布。使用Graphics对象所提供的Graphics.FromImage方法从指定的Image创建新的Graphics，相当于定义了一个画笔，使用picturebox控件来显示所绘制的图形和图像。 5 结 语

基于ZigBee的大棚环境监测系统实现的是温度和湿度数据的无线检测，具有数据传输可靠、组网简单灵活、设备成本低等特点。本系统能够实时采集环境数据，将大棚环境信息及时地传递给用户，用户可以及时地掌握大棚环境，从而对环境进行调节与控制，避免因为人为疏忽造成的农作物减产等不良影响，符合农业现代化发展的需求，具有一定的应用价值。

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参 考 文 献

[1]瞿雷，刘盛德，胡咸斌. ZigBee技术及应用[M]. 北京：北京航天航空大学出版社，2007. [2]高守玮，吴灿阳. ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航天航空大学出版社，2009. [3]张毅刚. 单片机原理及接口技术（C51编程）[M]. 北京：人民邮电出版社，2011. [4]徐世武，王平，黄晞，等.基于ZigBee节点的自组织网络设计[J].电子测量技术，2011，21（12）：250-253.

[5]黄震坤，曹伟.ZigBee技术在温控系统中的应用[J]. 现代电子技术，2009，32（17）： 203-205.