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摘要：一直以来蔬菜的生长都是随着季节而生长，人们没有有效的方法大批量的改变蔬菜生长环境以及产量，随着科技的发展，通过科技来改变蔬菜生长季节及产量就成了一个有待解决的问题。在智慧蔬菜大棚中构建了以ZigBee为核心无线传感网络，本文主要讲述了无线传感器网络的蔬菜大棚智能控制系统的结构和采用的传感器。
关键词：ZigBee；智慧蔬菜大棚；传感器
1引言
传统的蔬菜大棚只能凭经验施肥，不仅浪费大量的人力物力还可能因控制不好而造成蔬菜的损失。该项目在了解蔬菜的生长特点及所需的营养情况下结合专门测试蔬菜生长环境所需的传感器来实时、动态的农作物种植环境信息采集，实现快速、多维、多尺度的实时监测，并在种植专家知识系统基础上实现作物种植的智能灌溉、智能施肥等自动控制。该项目的实施可实现科学合理的提高蔬菜的产量。
2系统设计
2.1 ZigBee网络中的设备类型：
ZigBee网络中有两种类型的设备分别
为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。FFD一般来说是承担网络协调者的作用。RFD只具有简单的功能如控制開关。ZigBee协议根据ZigBee设备在网络中的作用与功能要求，将ZigBee网络中的设备分成了三种类型： 协调器、路由器和终端设备。协调器是ZigBee网络的核心，能够保证整个网络中设备之间的正常通信。路由器主要起路由的作用，负责维护网络路径、搜索设备加入网络和数据传输。FFD和RFD都可作为终端设备，因为他们的结构简单，功能单一。ZigBee网络中主要有三种拓扑结构： 星型网络、树状网络和网状网络。每种网络结构中必须要有一个协调器建立和协调网络，每个ZigBee设备都具有一个64位的IEEE地址（一般称为长地址），这个64位长地址是在芯片生产时就被确定了的，而且各不相同，并且是全球唯一的。
2.2 传感模块
传感器模块由不同的传感器实现，包括温湿度传感器、光照度传感器、土壤湿度传感器和热释红外传感器。
温湿度传感器：温湿度数据采集节点采用SHT10采集农业大棚中的温度和湿度，工作电压24-25V，测湿精度为+-45%RH，足以满足大棚要求。SHT10采用SMD贴片封装，用两条串行线与处理器进行数据通信。数据采集完后ZigBee无线通信芯片将数据传输到协调器，完成了一次数据采集。
光照度传感器：光照度传感器实现光照数据采集功能，它采用光敏电阻采集环境的光照度信息，当光照度发生变化时，光敏电阻的阻值会减小。数据采集后转化为电压值送给CC2530单片机，并通过CC2530单片机的射频通信模块将数据经路由器传输到协调器，完成一次数据采集。
控制器模块：控制模块主要实现设备的开关控制，主要由继电器及控制电路组成。采用USB接口与外围设备连接。控制节点负责执行上协调器发送的开关设备的命令。
2.3 控制器芯片选择
控制器芯，选择TI 公司生产的CC2530，主要是利用CC2530的RF无线射频功能实现系统的自组网，即可进行数据的传输。
3系统的设计方案
方案设计上，主要设计三个子系统，分别是ZigBee网络传输子系统、视频监控子系统和数据处理子系统。
3.1 ZigBee网络传输子系统
本研究提出的智慧大棚系统中，环境感知模块的监测对象包括棚内的大气环境及土壤环境，主要通过CC2530的RF无线射频功能实现系统的自组网来实现，它具有传输功耗低、传输速率低、成本低的优势，主要包括感知节点、协调器节点，感知节点上所感知到的数据经过多条传输途径汇至协调器节点，再向上层系统传输，最终实现大棚环境的实时监测。在大棚内随机设置多个各种类型的传感器，可以实现湿度、温度、光照度、气体浓度、土壤PH值的监测：此外，该系统中还增加了若干个与感知节点功能类似的智能水泵控制节点。不过其传感器模块由两路工业级继电器开关控制模块取代，在可感知棚内环境数据及土壤数据的变化后，通过水泵的启停实时调整土壤的温湿度。
3.2 视频监控子系统
智慧大棚的视频监控模块包括无线智能摄像头、视频数据分析处理及终端信息系统等三个部分，其中无线智能摄像头可360度水平连续旋转、90度垂直旋转，具有防雷、防浪涌等室外防护能力，在不同的室外工作温度环境中支持分级管理，可更好的适应大棚内外的工作环境。在传统的视频监控系统中，一个管理人员需要监视多路视频，由于其工作负担大、需要管理的范围广，很容易出现疏漏，甚至会错过最佳的事故处理时机： 并且传统的视频监控系统存在大量未经处理的视频原始数据，很多都是无用的片段，不仅占用了大量的存储空间，而且事后查询历史视频也较困难。面智能视频监控不仅大大提高了视频监控的时效性及可靠性，而且减少了人工监控管理的工作量，改善了工作效率及效果。
3.3 数据处理子系统
数据处理模块是整个智慧大棚系统的信息处理中心，其包括数据库服务器、视频应用服务器、信息交换设备等硬件部分，以及各种应用系统组成的软件部分。具体组成包括系统配置管理模块、感知数据存贮及处理模块、监控视频存储及处理模块、报表处理模块、信息远程服务模块等。系统可针对不同的用户设置对应的管理权限，通过系统配置及管理模块设置大棚感知信息处理指令，调整视频监控及无线宽带网络参数，保证系统正常的存储感知数据、接收数据，还可进行数据的实时存贮及随机检索调用。此外，数据处理系统还要根据数据分析结果向各子系统发送控制信息，包括水系的启停、温湿度的调控。病虫害防治的告警信息等，针对各种感知信息生成处理图表、打印报表。数据处理系统具备移动终端访问功能，用户可以通过智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动智能设备随时随地的获取大棚监测数据信息，大大提高了管理控制的灵活性。
4总结
本文主要通过ZigBee自主网络来连接各种传感器来实时监测温室蔬菜大棚内的土壤温湿度、光照强度、ph值、CO2浓度等，实时监控温室蔬菜大棚内的情况方便用户随时查看蔬菜的成长，本项目完成后大大提高了工作效率也能随时满足人们吃新鲜蔬菜的需求。
参考文献
[1]王奎.基于Zigbee和Arm9的温室大棚智能控制关键技术研究. MS thesis.江苏科技大学， 2017.
[2]毛潭.基于无线传感技术的农业大棚智能控制系统设计.科技视界7（2017）：51-52.
[3]付克兰.基于物联网的温室大棚智能监测控制系统.科技资讯15.11（2017）：143-144.
*项目基金：2017年国家级大学生创新创业训练计划项目（项目名称：基于无线传感器网络的蔬菜大棚智能控制系统的研究，项目编号：201713324174）
指导老师：王红，副教授，研究方向物联网工程。
关键词：ZigBee；智慧蔬菜大棚；传感器
1引言
传统的蔬菜大棚只能凭经验施肥，不仅浪费大量的人力物力还可能因控制不好而造成蔬菜的损失。该项目在了解蔬菜的生长特点及所需的营养情况下结合专门测试蔬菜生长环境所需的传感器来实时、动态的农作物种植环境信息采集，实现快速、多维、多尺度的实时监测，并在种植专家知识系统基础上实现作物种植的智能灌溉、智能施肥等自动控制。该项目的实施可实现科学合理的提高蔬菜的产量。
2系统设计
2.1 ZigBee网络中的设备类型：
ZigBee网络中有两种类型的设备分别
为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。FFD一般来说是承担网络协调者的作用。RFD只具有简单的功能如控制開关。ZigBee协议根据ZigBee设备在网络中的作用与功能要求，将ZigBee网络中的设备分成了三种类型： 协调器、路由器和终端设备。协调器是ZigBee网络的核心，能够保证整个网络中设备之间的正常通信。路由器主要起路由的作用，负责维护网络路径、搜索设备加入网络和数据传输。FFD和RFD都可作为终端设备，因为他们的结构简单，功能单一。ZigBee网络中主要有三种拓扑结构： 星型网络、树状网络和网状网络。每种网络结构中必须要有一个协调器建立和协调网络，每个ZigBee设备都具有一个64位的IEEE地址（一般称为长地址），这个64位长地址是在芯片生产时就被确定了的，而且各不相同，并且是全球唯一的。
2.2 传感模块
传感器模块由不同的传感器实现，包括温湿度传感器、光照度传感器、土壤湿度传感器和热释红外传感器。
温湿度传感器：温湿度数据采集节点采用SHT10采集农业大棚中的温度和湿度，工作电压24-25V，测湿精度为+-45%RH，足以满足大棚要求。SHT10采用SMD贴片封装，用两条串行线与处理器进行数据通信。数据采集完后ZigBee无线通信芯片将数据传输到协调器，完成了一次数据采集。
光照度传感器：光照度传感器实现光照数据采集功能，它采用光敏电阻采集环境的光照度信息，当光照度发生变化时，光敏电阻的阻值会减小。数据采集后转化为电压值送给CC2530单片机，并通过CC2530单片机的射频通信模块将数据经路由器传输到协调器，完成一次数据采集。
控制器模块：控制模块主要实现设备的开关控制，主要由继电器及控制电路组成。采用USB接口与外围设备连接。控制节点负责执行上协调器发送的开关设备的命令。
2.3 控制器芯片选择
控制器芯，选择TI 公司生产的CC2530，主要是利用CC2530的RF无线射频功能实现系统的自组网，即可进行数据的传输。
3系统的设计方案
方案设计上，主要设计三个子系统，分别是ZigBee网络传输子系统、视频监控子系统和数据处理子系统。
3.1 ZigBee网络传输子系统
本研究提出的智慧大棚系统中，环境感知模块的监测对象包括棚内的大气环境及土壤环境，主要通过CC2530的RF无线射频功能实现系统的自组网来实现，它具有传输功耗低、传输速率低、成本低的优势，主要包括感知节点、协调器节点，感知节点上所感知到的数据经过多条传输途径汇至协调器节点，再向上层系统传输，最终实现大棚环境的实时监测。在大棚内随机设置多个各种类型的传感器，可以实现湿度、温度、光照度、气体浓度、土壤PH值的监测：此外，该系统中还增加了若干个与感知节点功能类似的智能水泵控制节点。不过其传感器模块由两路工业级继电器开关控制模块取代，在可感知棚内环境数据及土壤数据的变化后，通过水泵的启停实时调整土壤的温湿度。
3.2 视频监控子系统
智慧大棚的视频监控模块包括无线智能摄像头、视频数据分析处理及终端信息系统等三个部分，其中无线智能摄像头可360度水平连续旋转、90度垂直旋转，具有防雷、防浪涌等室外防护能力，在不同的室外工作温度环境中支持分级管理，可更好的适应大棚内外的工作环境。在传统的视频监控系统中，一个管理人员需要监视多路视频，由于其工作负担大、需要管理的范围广，很容易出现疏漏，甚至会错过最佳的事故处理时机： 并且传统的视频监控系统存在大量未经处理的视频原始数据，很多都是无用的片段，不仅占用了大量的存储空间，而且事后查询历史视频也较困难。面智能视频监控不仅大大提高了视频监控的时效性及可靠性，而且减少了人工监控管理的工作量，改善了工作效率及效果。
3.3 数据处理子系统
数据处理模块是整个智慧大棚系统的信息处理中心，其包括数据库服务器、视频应用服务器、信息交换设备等硬件部分，以及各种应用系统组成的软件部分。具体组成包括系统配置管理模块、感知数据存贮及处理模块、监控视频存储及处理模块、报表处理模块、信息远程服务模块等。系统可针对不同的用户设置对应的管理权限，通过系统配置及管理模块设置大棚感知信息处理指令，调整视频监控及无线宽带网络参数，保证系统正常的存储感知数据、接收数据，还可进行数据的实时存贮及随机检索调用。此外，数据处理系统还要根据数据分析结果向各子系统发送控制信息，包括水系的启停、温湿度的调控。病虫害防治的告警信息等，针对各种感知信息生成处理图表、打印报表。数据处理系统具备移动终端访问功能，用户可以通过智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动智能设备随时随地的获取大棚监测数据信息，大大提高了管理控制的灵活性。
4总结
本文主要通过ZigBee自主网络来连接各种传感器来实时监测温室蔬菜大棚内的土壤温湿度、光照强度、ph值、CO2浓度等，实时监控温室蔬菜大棚内的情况方便用户随时查看蔬菜的成长，本项目完成后大大提高了工作效率也能随时满足人们吃新鲜蔬菜的需求。
参考文献
[1]王奎.基于Zigbee和Arm9的温室大棚智能控制关键技术研究. MS thesis.江苏科技大学， 2017.
[2]毛潭.基于无线传感技术的农业大棚智能控制系统设计.科技视界7（2017）：51-52.
[3]付克兰.基于物联网的温室大棚智能监测控制系统.科技资讯15.11（2017）：143-144.
*项目基金：2017年国家级大学生创新创业训练计划项目（项目名称：基于无线传感器网络的蔬菜大棚智能控制系统的研究，项目编号：201713324174）
指导老师：王红，副教授，研究方向物联网工程。