环境监控系统【基于ZigBee 温室环境监控系统的设计与实现】

王蕾唐山学院信息工程系河北唐山 063009

项目：2013 年唐山市科技支撑项目，项目编号：13120204a

【文章摘要】

智能温室技术在推动农业的现代化发展进程中起到了重要的作用，丰富着人们的日常生活。本文实现了基于ZigBee 技术的温室环境监控系统。系统采用STC 单片机作为主控芯片，下位机传感器采集温室内环境参数，通过无线传输ZigBee 模块传送到由LabVIEW 平台设计的上位机，通过GSM 模块进行远程报警，调节模式分为手动和自动模式，使环境适合作物生长。该系统通过现场测试，运行稳定，具有一定的推广性。

【关键词】

LabVIEW ；ZigBee ；GSM ；监控系统

科技的发展日新月异，带给人们更多的生活体验，逐渐丰富人们的生活，智能温室的迅速发展带给人们丰富多样的食物，打破了时间和空间的限制。智能生态系统的环境温湿度参数对农作物的生长起着至关重要的作用。对于现有的大多数智能温室系统的数据采集方法，人工实地记录方式难以保证数据的实时性和有效性；采用有线数据远距离检测方式容易受地理位置、物理线路和复杂环境因素的影响，系统可靠性降低，安装维护难度大，具有明显的局限性这两种方法，不仅耗费大量的人力物力，效率低，而且容易产生较大误差，准确性低，本系统设计正是基于这个原因，进行实现智能温室环境系统的监测与控制，从智能控制方面实现温室的高效率作业，采用ZigBee 技术实现本次设计的下位机和上位机无线通信，有效减少了地理位置、物理线路和复杂环境因素的影响，提高了传输效率。采用LabVIEW 软件设计人机交互界面，便于管理、运行稳定。

1 系统总体结构框图

农作物在成长过程中需要的环境因子很多，适宜的温度、湿度、光照强度以及二氧化碳浓度是作物实现健康生长的关键。因此，结合农作物的生长规律，对温室的环境进行监测和控制，实现检测与调节温室环境。

本设计主要分为数据采集系统、数据传输系统、上位机界面控制三大部分。数据采集系统包括数据的采集处理、显示和数据发送等功能。数据采集包括空气和土壤的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度，并将采集的数据发送给传输系统的ZigBee 终端节点。ZigBee 终端节点将收到的数据传输给ZigBee 网络协调器，ZigBee 网络协调器通过串口将数据传至PC 机，PC 上位机将采集的数值实时显示，并和设定阈值进行比较，当超过设定上下限值时，在上位机上会有红色指示灯直接显示出来，上位机操作界面调节机构包含自动调节和手动调节，自动模式下可以完成短信报警，并传递相应改善温室环境的措施指令至下位机进行调节，同时下位机蜂鸣器响起，表示调节机构正在进行，管理员在电脑前工作时，可以设定为手动调节方式，根据数据显示，点击相应调节措施按钮，执行相应调节机构。当管理员远离电脑时，开启自动调节模式，上位机自动向指定管理人员发送报警短信，并执行相应调节机构。管理人员可以连接网络，登录到管理界面进行实时监控，修改上下限值，调解处理等操作。总体设计框图包含三个场景，分别是现场、机房、移动终端，现场与机房之间通过ZigBee 无线传输，机房和移动终端通过GSM 网络进行通信。本设计总体框图如下图1 所示：

本文从硬件设计和上位机软件控制两个方面介绍系统的组成。用户通过该系统较便捷地监控温室环境参数。

2 下位机设计

本系统下位机使用STC 单片机作为控制芯片，下位机主程序包括温湿度采集模块、光照强度采集模块、二氧化碳采集模块、LCD 显示模块、复位电路、蜂鸣器电路、模数转换电路，将各模块联系起来，共同完成数据采集、发送和调节的功能。主流程图如图2 所示：

图2 下位机主流程图

STC 单片机P2 口包含P2.0 至P2.7，引脚21 至28，外接LCD 显示，其中引脚24、25、26 分别控制显示器的数据命令控制、读写、使能功能。P3 口P3.0 至P3.7，外接串口、蜂鸣器、温湿度、光照强度和二氧化碳浓度等电路，是实现功能最多的部分。P0 口P0.0 至P0.7，连接排阻，外接LCD 显示，控制显示器显示内容部分。P1 口P1.0 至P1.7，引脚2 到8 外接七个LED 灯，分别代表不同的调节机制，引脚2 控制风机、引脚3 控制加热、引脚4 控制加湿、引脚5 控制灌溉、引脚6 控制顶窗、引脚7 控制遮光、引脚8 控制补光的继电器开关。系统选用DHT11 作为空气中温湿度数采集模块，输出端与单片机P3.5 引脚相连，土壤环境中的温湿度数据通过DHT11 的数据口与单片机P3.7 引脚相连接，将数字信号送入单片机进行处理。

3 ZigBee 网络组建与串口控制

ZigBee 是IEEE 802.15.4 协议的代名词。ZigBee 协议栈是指网络中各层协议的总和，其形象的反映了一个网络中文件传输的过程：由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。本设计采用的CC2530 是CC2530F256，具有256KB 的闪存。CC2530F256 结合了ZigBee 协议栈，提供了一个很好的ZigBee 开发平台。本系统设计使用ZigBee 技术作为无线传输部分，用两个CC2530 模块实现点对点通信，一个为协调器，与上位机相连，另外一个为终端设备，与下位机相连。ZigBee 协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，在使用过程中，先打开协调器，再打开终端设备。

本系统采用一问一答的形式实现上下位机的通讯。上位机发送指令字符，下

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位机收到字符后，向上位机传送6 个数值，并根据字符是否是控制字符从而进行相应的控制。这种设计的好处，一方面不会出现上下传输数据相冲突，使系统更稳定；另一方面节省下位机和传输系统的资源。

串口发送6 个数据值，两个监测点的温湿度值、光照强度和二氧化碳浓度，发送前要先对串口初始化，设置波特率等参数。对SCON 选工作方式，对PCON 设波特率加倍位“SMOD”( 缺省值=0)，采用中断方式，要打开 ES 串口中断允许位和总中断EA 位。串口和控制程序流程图3 所示：

图3 串口和控制子程序流程图

4 用户GUI 界面设计

LabVIEW 本身是功能较完整的软件开发环境，但它是作为替代常规的Basic 或C 语言被设计的，并且不仅仅是个软件开发环境。作为编写应用程序的语言，除了编程方式不同外，LabVIEW 具备编程语言的所有特征，因此被称为G（Graph）语言。使用G 语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。本系统的上位机界面采用LabVIEW 编程制作，完成的主要功能有：用户名密码登陆界面；监测空气和土壤的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度的显示；历史收集数据查看，波形显示；对应点的瞬时数据值和上下限值的比较报警；调节机构对下位机的控制；对GSM 模块的控制。

主界面包括串口选择部分，管理员电话号码以及收到短信内容部分，采集数据实时显示以及上下限部分，自动手动控制部分，历史数据记录部分，实时波形数据显示部分。LabVIEW 主界面前面板如图4 所示。登录系统的设计是基于LabVIEW 软件平台的，实现的主要作用是保证用户和测试数据的安全性。登录界面VI 前界面如图5 所示。

图4 LabVIEW 主界面前面板

5 结束语

本系统的设计可实时监测空气和土壤温湿度、光照强度、二氧化碳浓度的数值；采用新兴的ZigBee 技术实现远距离的无线数据传输，更加符合现代温室的使用要求，节省了物力人力，对温室环境的监测控制更加科学；上位机具有良好的界面，实现了串行通信，显示功能，报警功能，发短消息功能，显示接收短消息功能，自动和手动控制以及短信控制功能，能够实时的远程监测温室环境，自动与手动模式的良好结合，给整个系统增添了良好的灵活性，不受地点的限制。系统经过现场测试，功耗较低，运行稳定良好，用户操作简便，适用性较广。

【参考文献】

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[5] 丁元杰. 单片机原理及应用[M]. 北京: 机械工业出版社,2005:16- 30

[6] 彭伟. 单片机C 语言程序设计实训100 例[M]. 北京: 电子工业出版社,2009:126-183

【作者简介】

王蕾(1980-)，女，讲师，硕士学位，研究方向为控制工程。