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摘要：
為提高溫室大棚生產過程的自動化、信息化水平，設計一種基于ZigBee技術的日光溫室環境監控系統。由監測和控制兩部分組成。監測部分采用ArduinoMega2560板對傳感器監測的環境參數進行實時采集、處理；控制部分采用ArduinoMega2560板，通過控制繼電器來控制被控設備以改變環境因子。同時該系統采用ZigBee無線透傳模塊TB0106構建ZigBee通訊網絡，各采集節點和控制節點采用星型組網方式。我們介紹了系統總體設計流程圖，軟件采用模塊化設計，該該系統具有良好的穩定性和較高的通信效率，可以滿足溫室大棚環境監控對無線通信網絡的傳輸和組網要求，具有較高的推廣價值和應用前景。
關鍵詞：
ZigBee；無線傳感網絡；溫室環境監測系統
我國是一個農業大國，但是隨著農村外出務工人員的增多以致務農人數的不斷減少，原先的個體小規模種植模式也將會被大規模的現代化的種植業所替代。農業種植將向規?；l展。我國的農業主要面臨下面兩個方面的現狀：農業的信息化低，智能化程度低。我國現在大部分的地方依然依靠傳統的農業生產方式，先進的科學技術在農業生產方面的應用很少。因此急需科技人員在農業的信息化，智能化，規?；矫娴难芯浚荒壳拔覈鞯囟紦碛写罅康霓r業大棚，如何對農業大棚中的作物生長環境進行監控將直接影響作物的生長及產量，而對作物來說，空氣溫度濕度，光照強度，二氧化碳濃度，土壤濕度和通風狀況是影響作物生長的主要因素。本課題研究的是無線通訊在農業大棚的監控系統，采用Arduino作為主控制板ZigBee無線通訊模塊組建通訊網絡還有各種傳感器（溫度，濕度，光照強度，二氧化碳濃度等傳感器）搭建整個系統以實現對農業大棚的智能化管理。
1該系統主要硬件的介紹
1.1arduino
Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環境，通過控制燈光、馬達和其他裝置來反饋、影響環境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件燒錄進微控制器[1]。
1.2zigBee模塊
ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗區域網絡協議。根據這個協議規定ZigBee技術是一種短距離，低功耗的無線通信技術。其特點是近距離，低復雜度，自組織，低功耗，低數據速率，低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。ZigBee可以工作在2.4GHZ，868MHZ和915MHZ三個頻段上，分別具有最高250kb/s，20kb/s和40kb/s的傳輸速率它的傳輸距離在10到75m的范圍內。ZigBee節點所屬類型主要有三種，分別是協調器，路由器，終端。同一個網絡中至少有一個協調器負責各個節點地址分配理論上可以連65536個節點[2]。
2系統總體設計
無線傳感器采集節點能夠通過大量的傳感器節點的相互協作，實時采集監測對象的信息，然后將采集到的信息用無線模塊發送出去，并以自組多跳的網絡形式傳送到服務器，最后客戶可以通過手機電腦等設備遠程查看和控制。傳感器采集節點主要是Arduino作為底板和ZigBee無線模還有各個傳感器組成傳感器采集節點。本系統采用ZigBee協議進行優化配置[3]:實現ZigBee網絡中的四種節點（協調器節點，路由器節點，終端節點，控制節點）應用程序與ZigBee協議鑲嵌，從而完成節點之間的成功組網和數據的無線傳輸，最終為設備實時監測與控制系統提供基礎通訊平臺。
3采集節點設計
采集節點可以采集空氣濕度，土壤濕度，溫室光照強度及二氧化碳濃度等環境因子。大氣溫濕度和光照強度以及二氧化碳濃度是影響作物生長的最主要因素，因此，將空氣的溫濕度，光照以及二氧化碳濃度傳感器作為系統的基本裝備元件，其余傳感器可以根據不同的溫室環境需求來進行擴展。采集節點選用Arduino作為微處理器，為了實現監測參數的擴展我們采用了Arduino和Arduino擴展板連用已達到增加I/O口，主板主要實現數據處理，無線傳輸等功能。大棚內的環境參數主要是通過無線傳感器網絡終端節點進行采集。由于系統采用模塊化設計，各模塊之間的設計基本相同，因此每個數據采集節點對環境信息的采集過程是相通的。
4控制節點設計
控制節點主要是用來接受上位機發來的控制命令并執行命令，以控制設備的啟動與停止?？刂乒濣c通過控制固態繼電器來控制交流接觸器，最終控制設備的啟動與停止。設備狀態信息通過繼電器的常開觸點采集，觸點閉合表明設備啟動，觸點斷開表明設備停止?？刂乒濣c可以控制風機，遮陽簾，加濕器，加熱器等被控設備。并采集設備狀態信息?？刂乒濣c正常啟動時，打開串口，設置好ZigBee協調器的信道和ID號，初始化協調器，節點加入網絡成功后，當串口接收到來自處理器的相關命令時微處理器同樣通過指令來控制該節點的被控設備?？刂乒濣c有5V和3.3V兩個電壓等級。節點的主要供電方式為5V，由太陽能供電系統提供。Arduino控制板和固態繼電器需要5V電壓，ZigBee模塊需要3.3V電壓。由于控制節點是強電與弱電的結合使用，為防止強電與弱電之間相互干擾，供電部分設計了穩壓電路，此電路一方面將強電與弱電隔離，另一方面將弱電電壓穩定在5V。
5太陽能供電設計
溫室大棚要實現準確控制作物生長情況，就需要檢測節點較多，如采用常規的的電源供電方式需要架設電線，由于溫室內環境的影響，電纜在高溫高濕度的環境中極其容易腐蝕因此使用周期短效果差。溫室的結構特點決定了其內部光輻射量強，有利于采用太陽能供電方式來提供電力供給，從而避免大量電纜架設，采用該供電方式有利于能源節約[4]。太陽能供電系統，由太陽能電池板，太陽能控制器，蓄電池組成，太陽能電池板將光能轉換成電能儲存在蓄電池中以提供檢測節點和控制節點的電力供給其結構框圖。
6顯示節點設計
為了更好的人機交流本系統設計了顯示節點，該節點采用Arduino為底板即微處理系統，以協調器的身份加入網絡，用戶可以通過顯示節點查詢各個采集節點的實時參數即通過鍵盤輸入命令經過微處理器處理后向各個采集節點發出請求命令在由無線模塊將請求命令發送出去，這時各個采集節點收到請求命令后做出響應并將實時采集到的環境參數發送到顯示節點，經過微處理器的分析處理后由液晶顯示模塊反應給用戶。該顯示節點具有最值分析功能，均值分析功能，不僅可以實現特定監測點的實時監測，還能對整個監測區域進行總體監測。對單個特定監測點的監控是指對這個特定監測點的所有監測參數進行分析處理然后通過函數圖像的形式顯示該節點的參數變化趨勢使得用戶可以更直觀的了解溫室的環境變化[5]。
7網關設計
由于用戶不能隨時的近距離觀察溫室的環境狀況為了解決這一不便利因素該系統設計了網關就使得無論用戶在哪里只要有網絡的地方用戶都可以通過移動通訊設備（手機，平板電腦和其他無線設備）登上網關所綁定的網頁實時的對溫室環境參數的監控和管理。網關通過ZigBee協議從傳感器節點接收到數據，經過應用層與串口轉以太網模塊進行通信，次模塊與PC機通過英特網口相連，PC機通過訪問模塊的網址來訪問環境參數。從而實現了ZigBee信號向TCP/IP的轉換。PC機通過模塊IP地址，將數據發送給該模塊，以太網模塊與Arduino-uno進行串口通信，實現TCP/IP向ZigBee的轉換。
8結論
溫室環境監控系統能實現的基本功能：1）可24小時實時對溫室的溫度，濕度，光照強度，二氧化碳濃度進行檢測并可以通過ZigBee無線模塊實時傳給主控。經過主控分析處理之后以數字和字母方式由液晶顯示器顯示監控信息；2）由于傳統的供電方式采用連線方式由此造成了走線復雜維修困難，該系統采用太陽能電池板供電白天由于光照充足，由太陽能電池板發電一部分供給各采集節點一部分供給蓄電池充電以提供夜間工作做時供電。在此由于光照強度是變化的所以太陽能電池板提供的電壓是不穩定的因此我們設計了自己的穩壓器以提供穩定的工作電壓；3）由于用戶不能隨時的近距離觀察和監控溫室的環境狀況為了解決這一不便利因素該系統設計了網關，使得無論用戶在哪里只要有網絡的地方用戶都可以通過移動通訊設備（手機，平板電腦和其他無線設備）登上網關所綁定的網頁實時的對溫室環境參數進行監控和管理。
作者：段鵬偉 王俊學 單位：天津農學院工程技術學院
參考文獻：
[1]李海建.基于農田的無線傳感器網絡路由協議的研究[D].楊凌:西北農林科技大學,2008.
[2]渠淼,牛國鋒,冒張霄,等.基于Arduino的智能環境監控系統設計[J].微型機與應用,2014,(20):83-85.
[3]樂佳琪.基于ZigBee無線傳感網絡的分布式氣象信息數據采集系統設計[D].上海:上海交通大學,2014.
[4]過彩虹.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室大棚監控系統[D].南京:南京理工大學,2013.
[5]肖乾虎,翁紹捷,賀芳.基于RS485串口的作物生長環境因子監測無線網絡的設計[J].湖北農業科學,2014,(10):2421-2423．