前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的日光温室环境监控系统设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：
为提高温室大棚生产过程的自动化、信息化水平，设计一种基于ZigBee技术的日光温室环境监控系统。由监测和控制两部分组成。监测部分采用ArduinoMega2560板对传感器监测的环境参数进行实时采集、处理；控制部分采用ArduinoMega2560板，通过控制继电器来控制被控设备以改变环境因子。同时该系统采用ZigBee无线透传模块TB0106构建ZigBee通讯网络，各采集节点和控制节点采用星型组网方式。我们介绍了系统总体设计流程图，软件采用模块化设计，该该系统具有良好的稳定性和较高的通信效率，可以满足温室大棚环境监控对无线通信网络的传输和组网要求，具有较高的推广价值和应用前景。
关键词：
ZigBee；无线传感网络；温室环境监测系统
我国是一个农业大国，但是随着农村外出务工人员的增多以致务农人数的不断减少，原先的个体小规模种植模式也将会被大规模的现代化的种植业所替代。农业种植将向规模化发展。我国的农业主要面临下面两个方面的现状：农业的信息化低，智能化程度低。我国现在大部分的地方依然依靠传统的农业生产方式，先进的科学技术在农业生产方面的应用很少。因此急需科技人员在农业的信息化，智能化，规模化方面的研究；目前我国各地都拥有大量的农业大棚，如何对农业大棚中的作物生长环境进行监控将直接影响作物的生长及产量，而对作物来说，空气温度湿度，光照强度，二氧化碳浓度，土壤湿度和通风状况是影响作物生长的主要因素。本课题研究的是无线通讯在农业大棚的监控系统，采用Arduino作为主控制板ZigBee无线通讯模块组建通讯网络还有各种传感器（温度，湿度，光照强度，二氧化碳浓度等传感器）搭建整个系统以实现对农业大棚的智能化管理。
1该系统主要硬件的介绍
1.1arduino
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件烧录进微控制器[1]。
1.2zigBee模块
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗区域网络协议。根据这个协议规定ZigBee技术是一种短距离，低功耗的无线通信技术。其特点是近距离，低复杂度，自组织，低功耗，低数据速率，低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee可以工作在2.4GHZ，868MHZ和915MHZ三个频段上，分别具有最高250kb/s，20kb/s和40kb/s的传输速率它的传输距离在10到75m的范围内。ZigBee节点所属类型主要有三种，分别是协调器，路由器，终端。同一个网络中至少有一个协调器负责各个节点地址分配理论上可以连65536个节点[2]。
2系统总体设计
无线传感器采集节点能够通过大量的传感器节点的相互协作，实时采集监测对象的信息，然后将采集到的信息用无线模块发送出去，并以自组多跳的网络形式传送到服务器，最后客户可以通过手机电脑等设备远程查看和控制。传感器采集节点主要是Arduino作为底板和ZigBee无线模还有各个传感器组成传感器采集节点。本系统采用ZigBee协议进行优化配置[3]:实现ZigBee网络中的四种节点（协调器节点，路由器节点，终端节点，控制节点）应用程序与ZigBee协议镶嵌，从而完成节点之间的成功组网和数据的无线传输，最终为设备实时监测与控制系统提供基础通讯平台。
3采集节点设计
采集节点可以采集空气湿度，土壤湿度，温室光照强度及二氧化碳浓度等环境因子。大气温湿度和光照强度以及二氧化碳浓度是影响作物生长的最主要因素，因此，将空气的温湿度，光照以及二氧化碳浓度传感器作为系统的基本装备元件，其余传感器可以根据不同的温室环境需求来进行扩展。采集节点选用Arduino作为微处理器，为了实现监测参数的扩展我们采用了Arduino和Arduino扩展板连用已达到增加I/O口，主板主要实现数据处理，无线传输等功能。大棚内的环境参数主要是通过无线传感器网络终端节点进行采集。由于系统采用模块化设计，各模块之间的设计基本相同，因此每个数据采集节点对环境信息的采集过程是相通的。
4控制节点设计
控制节点主要是用来接受上位机发来的控制命令并执行命令，以控制设备的启动与停止。控制节点通过控制固态继电器来控制交流接触器，最终控制设备的启动与停止。设备状态信息通过继电器的常开触点采集，触点闭合表明设备启动，触点断开表明设备停止。控制节点可以控制风机，遮阳帘，加湿器，加热器等被控设备。并采集设备状态信息。控制节点正常启动时，打开串口，设置好ZigBee协调器的信道和ID号，初始化协调器，节点加入网络成功后，当串口接收到来自处理器的相关命令时微处理器同样通过指令来控制该节点的被控设备。控制节点有5V和3.3V两个电压等级。节点的主要供电方式为5V，由太阳能供电系统提供。Arduino控制板和固态继电器需要5V电压，ZigBee模块需要3.3V电压。由于控制节点是强电与弱电的结合使用，为防止强电与弱电之间相互干扰，供电部分设计了稳压电路，此电路一方面将强电与弱电隔离，另一方面将弱电电压稳定在5V。
5太阳能供电设计
温室大棚要实现准确控制作物生长情况，就需要检测节点较多，如采用常规的的电源供电方式需要架设电线，由于温室内环境的影响，电缆在高温高湿度的环境中极其容易腐蚀因此使用周期短效果差。温室的结构特点决定了其内部光辐射量强，有利于采用太阳能供电方式来提供电力供给，从而避免大量电缆架设，采用该供电方式有利于能源节约[4]。太阳能供电系统，由太阳能电池板，太阳能控制器，蓄电池组成，太阳能电池板将光能转换成电能储存在蓄电池中以提供检测节点和控制节点的电力供给其结构框图。
6显示节点设计
为了更好的人机交流本系统设计了显示节点，该节点采用Arduino为底板即微处理系统，以协调器的身份加入网络，用户可以通过显示节点查询各个采集节点的实时参数即通过键盘输入命令经过微处理器处理后向各个采集节点发出请求命令在由无线模块将请求命令发送出去，这时各个采集节点收到请求命令后做出响应并将实时采集到的环境参数发送到显示节点，经过微处理器的分析处理后由液晶显示模块反应给用户。该显示节点具有最值分析功能，均值分析功能，不仅可以实现特定监测点的实时监测，还能对整个监测区域进行总体监测。对单个特定监测点的监控是指对这个特定监测点的所有监测参数进行分析处理然后通过函数图像的形式显示该节点的参数变化趋势使得用户可以更直观的了解温室的环境变化[5]。
7网关设计
由于用户不能随时的近距离观察温室的环境状况为了解决这一不便利因素该系统设计了网关就使得无论用户在哪里只要有网络的地方用户都可以通过移动通讯设备（手机，平板电脑和其他无线设备）登上网关所绑定的网页实时的对温室环境参数的监控和管理。网关通过ZigBee协议从传感器节点接收到数据，经过应用层与串口转以太网模块进行通信，次模块与PC机通过英特网口相连，PC机通过访问模块的网址来访问环境参数。从而实现了ZigBee信号向TCP/IP的转换。PC机通过模块IP地址，将数据发送给该模块，以太网模块与Arduino-uno进行串口通信，实现TCP/IP向ZigBee的转换。
8结论
温室环境监控系统能实现的基本功能：1）可24小时实时对温室的温度，湿度，光照强度，二氧化碳浓度进行检测并可以通过ZigBee无线模块实时传给主控。经过主控分析处理之后以数字和字母方式由液晶显示器显示监控信息；2）由于传统的供电方式采用连线方式由此造成了走线复杂维修困难，该系统采用太阳能电池板供电白天由于光照充足，由太阳能电池板发电一部分供给各采集节点一部分供给蓄电池充电以提供夜间工作做时供电。在此由于光照强度是变化的所以太阳能电池板提供的电压是不稳定的因此我们设计了自己的稳压器以提供稳定的工作电压；3）由于用户不能随时的近距离观察和监控温室的环境状况为了解决这一不便利因素该系统设计了网关，使得无论用户在哪里只要有网络的地方用户都可以通过移动通讯设备（手机，平板电脑和其他无线设备）登上网关所绑定的网页实时的对温室环境参数进行监控和管理。
作者：段鹏伟 王俊学 单位：天津农学院工程技术学院
参考文献：
[1]李海建.基于农田的无线传感器网络路由协议的研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2008.
[2]渠淼,牛国锋,冒张霄,等.基于Arduino的智能环境监控系统设计[J].微型机与应用,2014,(20):83-85.
[3]乐佳琪.基于ZigBee无线传感网络的分布式气象信息数据采集系统设计[D].上海:上海交通大学,2014.
[4]过彩虹.基于ZigBee无线传感器网络的温室大棚监控系统[D].南京:南京理工大学,2013.
[5]肖乾虎,翁绍捷,贺芳.基于RS485串口的作物生长环境因子监测无线网络的设计[J].湖北农业科学,2014,(10):2421-2423．