基于ZigBee的农业大棚监测系统设计_钱宗斌.pdf

2023 年 4 月下南方论坛1South Forum基于 ZigBee 的农业大棚监测系统设计*钱宗斌1，孙杰2（1.安徽工业经济职业技术学院，安徽 合肥 230051；2.合肥荣事达电子电器集团有限公司，安徽 合肥 230001）摘要：为解决农业大棚环境数据采集不方便、不准确的问题，课题组以物联网技术为基础，集成传感器、无线通信网络、嵌入式系统、组态控制等多种技术，设计了一套基于ZigBee的农业大棚监测系统，实现对大棚内农作物生长数据的精准采集和对大棚内数据的实时监测，并通过数据融合和滤波算法进行了数据优化。测试结果表明：通过功能测试和数据分析可以验证系统功能模块均能够平稳、有效地运行；通过监控界面可以监测农业大棚的实际运行状况，提高农业管理人员的工作效率，监测效果良好。证明该系统可以实现对农业数据的精准采集和显示，能给农业从业者提供准确的决策依据。关键词：农业大棚；ZigBee；物联网；STM32；组态软件中图分类号：TP277 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.001Design of Agricultural Greenhouse Monitoring System Based on ZigBee*Qian Zongbin1,Sun Jie2(1.Anhui Technical College of Industry and Economy,Anhui Hefei 230051;2.Hefei Rongshida Electronics Group Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230001)Abstract:In order to solve the problem of inconvenient and inaccurate collection of agricultural greenhouse environmental data,the research team has designed a set of agricultural greenhouse monitoring system based on ZigBee based on the Internet of Things technology,integrating sensor,wireless communication network,embedded system,configuration control and other technologies,to achieve accurate collection of crop growth data in the greenhouse and real-time monitoring of data in the greenhouse.The data is optimized by data fusion and filtering algorithm.The test results show that the functional modules of the system can run smoothly and effectively through functional test and data analysis;through the monitoring interface,the actual operation of agricultural greenhouses can be monitored,and the work efficiency of agricultural management personnel can be improved,and the monitoring effect is good.It is proved that the system can achieve accurate collection and display of agricultural data,and can provide accurate decision-making basis for agricultural practitioners.Keywords:agricultural greenhouse;ZigBee;internet of things;STM32;configuration software农作物生长的好坏与自然环境紧密相关，一般与土壤和空气的温度与湿度、空气中的CO2浓度、外界的光照强度等紧密相关1。现代农业温室大棚是让农作物生长在可控环境下的主要方式之一2，可以有效地调控植物生长的环境要素，有利于农作物的生长。目前，国内基于物联网技术的农业温室大棚得到了一定的应用，但是存在测量精度不足、数据冗余、网络通信不稳定、抗干扰能力弱、传感器网络不稳定等问题。课题组设计的农业温室大棚监测系统通过部署在大棚不同位置的农业传感器来采集农作物生长的环境数据，通过无线传感网络将数据传输至数据处理单元，再由上位机进行显示。系统以ZigBee无线传感网络为基础，集成了嵌入式技术、计算机技术、组态技术等，利用数据融合算法提高农业数据采集的精准性，通过大棚子区域的数据融合处理减少通信数据冗余。本系统可以实时监测农业温室大棚内的环境数据，提高现代农业大棚的管理水平。1 系统总体方案设计系统总体架构包括环境感知层、网络通信层、监控层等。环境感知层通过各类传感器来采集大棚内农作物生长的光照强度、温湿度、CO2浓度等环境数据信息，发送给终端节点。网络通信层采用ZigBee技术将数据发送到网关节点，再通过串口交给嵌入式平台，一方面负责接收传感网络的基础数据并对数据进行分析和处理，另一方面负责与应用层进行通信。监控层提供系统和用户之间的交流接口，负责对农业大棚信息进行显示，并接收用户指令。整个农业大棚系统的架构如图1所示。2 系统硬件设计系统的硬件模块设计分为三个单元，分别是现场采集端、数据处理端和现场控制端。现场采集端实时采集环境数据，由环境采集传感器和ZigBee终端节基金项目：2021年安徽省高校自然科研项目“基于无线传感网络的农业温室大棚检测系统研究”（2021zk05）作者简介：钱宗斌（1986），男，安徽巢湖人，硕士研究生，讲师，研究方向为物联网技术。南方论坛22023 年 4 月下South Forum点组成。设计内容包括传感器的设备选型和接口设计，CC2530单片机的最小工作电路、供电模块、天线电路设计，CC2530单片机的I/O口资源分配等。数据处理端负责接收各个节点的环境数据，按照一定的周期存储到SD卡中，根据数据做出相应状态的响应，同时还负责将数据发送给监控端。数据处理端的硬件设计主要由ZigBee协调器和STM32单片机模块组成，其中，协调器的硬件设计与终端节点相同，STM32 单片机模块设计包括电源电路、晶振电路、SD卡设计、LED和蜂鸣器电路等。现场控制端实现对环境的实时监控，由MCGS组态屏和通信接口模块组成，主要包括24 V电源电路和通信接口电路设计。农业大棚监测系统的整体硬件框架如图2所示。数据库监控平台嵌入式网关响应模块监控层环境感知层网络通信层Modbus协议串口ZigBee协调器ZigBee节点ZigBee节点ZigBee节点ZigBee节点温度传感器湿度传感器光照传感器CO2传感器图1农业大棚系统的架构2.1 STM32单片机模块设计STM32单片机是环境数据处理的核心单元，一方面负责ZigBee网络与上位机平台之间的通信，另一方面也对大棚的环境数值进行分析加工。STM32单片机在硬件设计上采用稳定的 3.3 V 电源模块为STM32单片机供电；除最小工作电路外，单片机还外接蜂鸣器、LED状态指示灯、复位按钮等资源作为执行模块，对环境状态进行显示。单片机通过串口与ZigBee协调器进行通信，接收协调器传来的光照强度、CO2浓度、温度、湿度等数据，然后对数据进行存储，采用W25Q128存储芯片，采用SPI通信协议实现对存储芯片的存取。根据系统设定的阈值，对环境数值进行分析，并控制外围模块执行报警、闪烁等动作。同时，STM32模块还负责与组态触摸屏进行通信，通信协议采用Modbus协议，利用触摸屏实现对农业大棚环境信息的监测与控制。2.2 ZigBee模块设计ZigBee模块在农业大棚控制系统中的功能有三个：一是负责读取传感器数据，二是建立无线传感网络并实现无线数据传输，三是与STM32单片机进行数据交换。考虑到ZigBee百米级的通信距离能够满足小型农业大棚的应用需求，本系统采用终端节点直接连接协调器的星型结构。其中，读取传感器数据和发送数据的功能主要由ZigBee终端节点完成，建立ZigBee网络和与STM32单片机交换数据的功能由协调器完成。2.3 数据采集模块硬件设计温湿度数据是农业大棚最基本的环境数据之一3，温湿度数据采集采用AM2320型号的温湿度传感器，以单总线方式与单片机通信，光照强度采集采用BH-1750型号的数字环境光照传感器，该传感器工作电压范围在3 V5 V之间，内部集成了A/D转换器，测量精度为16位4。CO2浓度采集采用MH-Z14A型号图2农业大棚监测系统整体硬件框架终端节点温度传感器湿度传感器CO2传感器光照传感器电源天线协调器STM32单片机晶振SD卡蜂鸣器指示灯电平转换模块MCGS组态触摸屏电源电源ZigBee网络天线串口现场采集端数据处理端现场控制端2023 年 4 月下南方论坛3South Forum的气体传感器，采用串口输出的模式。3 系统软件设计3.1 ZigBee无线传感网络首先要建立起农业大棚数据通信网络，该网络通过ZigBee协调器创建，其在启动时负责网络的建立、参数配置、网络维护、节点管理等5。为了让网络更全面地覆盖大棚，尽量将其安装在大棚的中间区域，同时，该设备作为节点和数据处理平台的中转站，需要长时间工作，因此采用有线电源供电。在Z-Stack协议栈中，协调器设备在完成硬件资源的初始化后，调用Z-Stack协议栈的原语创建网络。接下来设备的介质访问控制层开始进行信道扫描，根据扫描结果确定合适的信道进行组网，若没有扫描到可用信道，则进程中止。如果找到合适的信道，则根据代码中设定的参数设定PAN ID，确定好PAN描述符后，则协调器的网络地址被设置为0 x0000，就可以启动网络，完成ZigBee网络创建。ZigBee节点在完成硬件资源初始化之后，就可以加入网络。协调器建立ZigBee网络的流程图如图3所示。开始硬件资源初始化能量检测信道是否空闲？分配网络ID是否加入其他网络？结束是是否信道扫描设置网络地址启动网络，等待节点加入否图3协调器组网流程3.2 STM32数据处理单元设计数据处理单元是核心模块，通过STM32单片机实现，负责接收协调器发来的数据，并对数据进行处理，通过串口与监测平台通信，根据环境监测单元各个节点的位置、编号、传感器类型、时间、数值、所在区域等信息进行分类存储，设置对应的状态标记。对农业大棚各个节点的数据进行融合处理，对不同子区域的环境状态进行描述。能够根据上位机的报警阈值要求，对接收的数据进行判断，若达到报警状态，则通过指示灯、蜂鸣器等器件进行报警状态提示。能够通过Modbus协议实现与上位机的通信，将数据发送给上位机或接收上位机的指令。根据数据采集结果，对数据进行滤波和优化，提高数据的精准度。在系统启动之初，STM32单片机首先进行硬件资源的初始化，包括选择晶振源，确定工作频率，开启 I/O 口、定时器、串行接口和 SPI 的时钟，做好初始状态的配置，设置好中断模块，再对LED灯、蜂鸣器、SD卡等外围模块进行初始状态设置，接下来等待操作指令。当条件满足时，与ZigBee模块进行通信，接收环境数据，存储至SD卡，同时根据数据值控制LED灯和蜂鸣器显示状态，在单片机工作时，可以接收上位机操作的指令，根据不同的指令码来发送对应的响应数据。STM32单片机工作流程