CN105005234B - 基于zigbee的智能温室环境遥测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于zigbee的智能温室环境遥测与控制系统，其特征在于包括传感器部分、zigbee无线传感网部分、带有跨平台监控与数据库管理部分的上位机、wifi协议和多终端，zigbee无线传感网部分是由zigbee子节点组成的网格状目标区域、内置的z‑stack协议和协调器组成，传感器部分经I2C总线与zigbee无线传感网部分相连，通过传感器部分采集数据，由zigbee无线传感网部分传递转发数据，汇聚到协调器中，再通过协调器接收zigbee无线传感网部分发来的数据，并通过wifi协议与上位机进行通信，具有结构新颖、成本低、功耗低、设备维护简单、上位机界面简单、报警方案多样等优点。

Description

基于zigbee的智能温室环境遥测与控制系统

技术领域

本发明涉及远程控制系统技术领域，具体地说是一种基于zigbee的智能温室环境遥测与控制系统。

背景技术

众所周知，温室大棚技术以其良好的经济效益在我国得到了普遍推广。我国大棚的建设面积从20世纪90年代初的40多公顷发展到现在的近15.6万公顷，是世界上大棚建设面积最大的国家。然而，目前多数温室大棚是人工管理，由于管理不到位使大棚内温度不适宜、湿度不合适、光照强度不足等，引起多种病害交叉传播和蔓延，既加大了防治成本，也给无公害生产带来了很大的难度。由于我国农民文化水平较低，成型实用的相关配套设备较少，温室的一次性投资大以及对操作人员的素质要求比较高等因素，也限制了温室自动检测控制技术在我国的应用，因此开发低价位、低成本实用型的现代智能温室遥测与控制系统迫在眉睫。

经检索，CN201607286公开了一种基于ZigBee的无线植物生理生态监测系统的实用新型专利，包括有 ：用于提供系统工作的供电模块；用于采集、分析、处理植物生理生态信息的主计算机 ；一群组 ZigBee 子节点 ；每个ZigBee 子节点下连接一传感器，该传感器为温室室温传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、叶片温度传感器、光合作用传感器和茎秆生长速率传感器中的一种；用于汇集所有ZigBee子结点采集的植物生理生态参数的 ZigBee 中心主节点 ；

所述各 ZigBee 子节点将采集的各传感器信号经过处理后，利用消息发送给ZigBee 中心主节点 ；ZigBee 中心主节点同步或分步将采集到的所有ZigBee 子节点发送的传感器信息发送到主计算机，其实质性不足是：由于是单因子控制系统，软件开发上比较不成熟，成本高，功耗高；并且在节点布置方案上算法不成熟；上位机界面复杂，人机交互困难；报警方案单一，多采用手机app方式。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、成本低、功耗低、设备维护简单、上位机界面简单、人机交互方便、报警方案多样的基于zigbee的智能温室环境遥测与控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于zigbee的智能温室环境遥测与控制系统，其特征在于包括传感器部分、zigbee无线传感网部分、带有跨平台监控与数据库管理部分的上位机、wifi协议和多终端，所述zigbee无线传感网部分是由zigbee子节点组成的网格状目标区域、内置的z-stack协议和协调器组成，所述传感器部分经I2C总线与zigbee无线传感网部分相连，通过所述传感器部分采集数据，由zigbee无线传感网部分传递转发数据，汇聚到协调器中，再通过协调器接收zigbee无线传感网部分发来的数据，并通过wifi协议与上位机进行通信，所述上位机接收和存储数据并通过上位机中的跨平台监控与数据库管理部分与多终端无线连接，来控制控制设备。

本发明所述网格状目标区域中的zigbee子节点的分布是采用遗传算法和模拟退火算法相结合的方法对zigbee子节点的组网算法进行优化。

本发明所述网格状目标区域内的zigbee子节点上集成有传感器部分，使本发明工作在无线条件下，设备方便安装且后期维护较简单，在满足系统正常工作的条件下，最大程度的节省了zigbee子节点数量，实现了超低功耗、超低成本。

本发明所述网格状目标区域的组网算法具体方法为：将目标区域划分成若干网格，每个网格用网格点表示，若网格点被覆盖时，认为此区域被覆盖，用矢量的方式来表示网格点的覆盖，为达到目标区域的全覆盖，目标区域中的每个点都至少被一个传感器节点所覆盖，即能量矢量汇总至少有一位为1，将初始种群设置为均匀分布，在普通遗传算法中引入模拟退火机制，采用METROPOLIS准则随机接受适应值降低的解，当遗传算法当代解可以使全部传感器节点得到覆盖并且满足成本要求时，认为是最优解，当适应值在几代都保持不变或超过最大进化代数式，也认为算法收敛，最终产生的效果是能够在任意形状，任意面积的区域上产生节点布置方案，通过对于网格疏密的划分来找到一个最优方案，以实现最少节点最大面积的覆盖，大大节省了成本，降低了功耗。

本发明所述上位机的跨平台监控与数据库管理部分可采用app应用程序报警方式，也可采用物联网云服务器，以利于实现多种报警方式；通过所述上位机的物联网云服务器的高并发接入服务器和云存储方案，达到同时完成海量的传感器数据接入和存储任务，确保数据能够安全的保存在上位机的物联网云服务器上，并且，通过物联网云服务器内设有的事件触发机制，当数据达到某个设定预值的时候，会自动调用预先设定的规则，发送短信或微博，或邮件，方便用户访问并在云端设置异常检测，如果传感器状态异常或数据不在允许范围内，用户可以设置电子邮件、或POST微博推送、或app等多种警告方式，还可以充分利用平台的计算能力，定期将统计分析数据发送到邮箱内；并通过所述物联网云服务器的双向传输和控制功能模块，将数据网络与社交网络融合，将存储在云端的数据，能够快速的被API取回，放置到个人博客上，或者根据规则自动转发到指定的微博。

本发明所述传感器部分包括湿度传感器、温度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器。

本发明所述协调器是由cc2530射频模块和stm32单片机组成，cc2530射频模块用于接收zigbee子节点发来的数据，stm32单片机用于在wifi条件下与上位机进行通信，以使上位机结合数据库的信息对温室信息做出分类、分析、处理，最后给出控制，并将数据及时传输到上位机并由上位机处理后传送到云服务器上，所述上位机中的信息可以通过多终端查询，所述上位机控制可以采用自动控制，所述自动控制是通过对环境因子设置阈值，在环境参数偏离阈值时能够自动对控制设备进行调控，使温室内的环境几乎稳定在预设的环境下，大大提高了温室的自动遥测与控制技术。

本发明所述多终端可以是手机、也可以是平板，还可以是笔记本，还可以是其它移动设备，通过多终端的多种方式可以实时查询上位机中的数据库或接收上位机中数据异常的报警信息，达到远程监测方便的作用。

实施例1: 一种基于zigbee的智能温室环境遥测与控制系统，其特征在于包括传感器部分、zigbee无线传感网部分、带有跨平台监控与数据库管理部分的上位机、wifi协议和多终端，所述传感器部分包括湿度传感器、温度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器，所述zigbee无线传感网部分是由zigbee子节点组成的网格状目标区域、内置的z-stack协议和协调器组成，所述协调器是由cc2530射频模块和stm32单片机组成，cc2530射频模块用于接收zigbee子节点发来的数据，stm32单片机用于在wifi条件下与上位机进行通信，以使上位机结合数据库的信息对温室信息做出分类、分析、处理，最后给出控制，所述网格状目标区域中的zigbee子节点的分布是采用遗传算法和模拟退火算法相结合的方法对zigbee子节点的组网算法进行优化，所述传感器部分集成在网格状目标区域内的zigbee子节点上，所述网格状目标区域的组网算法具体为：可根据区域大小设置节点布置方案，并确定网格的疏密度；当目标区域大，网格可以划分的相对稀疏，当目标区域小，可以划分的密度较大，划分的越密越好；考虑到越密，计算量越大，所以可自行调整疏密度；将目标区域划分成若干网格，最初在每个格点上放置zigbee子节点，按照组网算法对每个zigbee子节点进行判断，若该节点去掉后目标区域仍然被其他节点所覆盖，则去掉该节点，否则保留，然后按顺序对每个格点进行编号，在每个zigbee子节点上集成有湿度传感器、温度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器，每个zigbee子节点由一组矢量表示，当目标区域中的一个节点接收信号，即这个节点就能覆盖到其周围临近的其它zigbee子节点上，这些被覆盖的zigbee子节点对应的矢量分量数值均为1，目标区域中没有覆盖的zigbee子节点的矢量分量数值即为0，当所有的节点用矢量的方式表示完毕后，在普通遗传算法中引入模拟退火机制，采用METROPOLIS准则随机接受适应值降低的解，当遗传算法当代解可以使全部传感器节点得到覆盖并且满足成本要求时，认为是最优解，当适应值在几代都保持不变或超过最大进化代数式，也认为算法收敛，最终产生的效果是能够在任意形状，任意面积的区域上产生节点布置方案，通过对于网格疏密的划分来找到一个最优方案，以实现最少的zigbee子节点最大面积的覆盖目标区域，大大节省了成本，降低了功耗，本发明所述zigbee子节点只具有信息采集和传递功能，不具备智能性，通过所述湿度传感器、温度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器采集数据，经通过I2C总线和无线传感网执行内部的z-stack协议来传递转发数据，汇聚到协调器中，再通过协调器中的cc2530射频模块接收zigbee子节点发来的数据，通过stm32单片机在wifi条件下与上位机进行通信，上位机结合数据库的信息对温室信息做出分类、分析、处理，最后给出控制，再通过物联网云服务器内设有的事件触发机制传递给多终端，再通过继电器控制补光设备和浇水设备，以实现低价位、低成本的远程遥测和控制的功能，当数据达到某个设定预值的时候，会自动调用预先设定的规则，发送短信或微博，或邮件，方便用户访问并在云端设置异常检测，如果传感器状态异常或数据不在允许范围内，用户可以设置电子邮件、或POST微博推送、或app等多种警告方式，还可以充分利用平台的计算能力，定期将统计分析数据发送到邮箱内，也可根据物联网云服务器中设有双向传输和控制功能模块，将数据网络与社交网络融合，将存储在云端的数据快速的被API取回，放置到个人博客上，或者根据规则自动转发到指定的微博，使本发明工作在无线条件下，设备方便安装且后期维护较简单，在满足系统正常工作的条件下，最大程度的节省了zigbee子节点数量，实现了超低功耗、超低成本。

本发明所述组网算法具体实施步骤为：首先将每个节点被zigbee子节点的覆盖情况进行编码：

初始值如图1所示，每个节点均为1111111111111111作为群体1，经过遗传算法运算去掉一个zigbee子节点（去掉的节点不会使任意一个编码为全0）作为群体2，判断群体2是否满足：每个节点只有一个zigbee子节点覆盖，即每个节点的12位编码中有且只有一位为1，或者节点成本已经降到预设成本或者群体2与群体1相同这个条件，若不满足条件，则群体2作为群体1，参加上述的运算，直到满足条件，输出最后的每个节点的编码，按照编码确定最后zigbee子节点的位置；

如图2所示，第一个节点被两个zigbee子节点覆盖，则它的编码为0100100000000000，所有zigbee子节点的传输范围能覆盖到节点1的所对应的编码位为1，zigbee子节点传输范围不能覆盖到节点1的对应编码位为0。

本发明由于采用上述结构，具有结构新颖、成本低、功耗低、设备维护简单、上位机界面简单、人机交互方便、报警方案多样等优点。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的初始预设节点布置示意图。

图3是本发明节点布置方案示意图。

图4是本发明优化的上位机界面示意图。

图5是本发明数据库历年数据示意图。

图6是本发明中组网算法的流程图。

附图标记：湿度传感器1、温度传感器2、光照传感器3、土壤湿度传感器4、上位机5、zigbee子节点6 、z-stack协议7、协调器8 、wifi协议9、多终端10、11、12。cc2530射频模块13、stm32单片机14、物联网云服务器15、网格状目标区域16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如附图所示，一种基于zigbee的智能温室环境遥测与控制系统，其特征在于包括传感器部分、zigbee无线传感网部分、带有跨平台监控与数据库管理部分的上位机5、wifi协议和多终端，所述zigbee无线传感网部分是由zigbee子节点6组成的网格状目标区域16、内置的z-stack协议7和协调器8组成，所述传感器部分经I2C总线与zigbee无线传感网部分相连，通过所述传感器部分采集数据，由zigbee无线传感网部分传递转发数据，汇聚到协调器8中，再通过协调器8接收zigbee无线传感网部分发来的数据，并通过wifi协议9与上位机5进行通信，所述上位机5接收和存储数据并通过上位机5中的跨平台监控与数据库管理部分与多终端10、11、12无线连接，来控制控制设备。

本发明所述网格状目标区域中的zigbee子节点6的分布是采用遗传算法和模拟退火算法相结合的方法对zigbee子节点6的组网算法进行优化。

本发明所述网格状目标区域内的zigbee子节点6上集成有传感器部分，使本发明工作在无线条件下，设备方便安装且后期维护较简单，在满足系统正常工作的条件下，最大程度的节省了zigbee子节点6数量，实现了超低功耗、超低成本。

本发明所述网格状目标区域的组网算法具体方法为：将目标区域划分成若干网格，每个网格用网格点表示，若网格点被覆盖时，认为此区域被覆盖，用矢量的方式来表示网格点的覆盖，为达到目标区域的全覆盖，目标区域中的每个点都至少被一个zigbee子节点6所覆盖，即能量矢量汇总至少有一位为1，将初始种群设置为均匀分布，在普通遗传算法中引入模拟退火机制，采用METROPOLIS准则随机接受适应值降低的解，当遗传算法当代解可以使全部zigbee子节点6得到覆盖并且满足成本要求时，认为是最优解，当适应值在几代都保持不变或超过最大进化代数式，也认为算法收敛，最终产生的效果是能够在任意形状，任意面积的区域上产生节点布置方案，通过对于网格疏密的划分来找到一个最优方案，以实现最少节点最大面积的覆盖，大大节省了成本，降低了功耗。

本发明所述上位机5的跨平台监控与数据库管理部分可采用app应用程序报警方式，也可采用物联网云服务器，以利于实现多种报警方式；通过所述上位机5的物联网云服务器15的高并发接入服务器和云存储方案，达到同时完成海量的传感器数据接入和存储任务，确保数据能够安全的保存在上位机5的物联网云服务器上，并且，通过物联网云服务器内设有的事件触发机制，当数据达到某个设定预值的时候，会自动调用预先设定的规则，发送短信或微博，或邮件，方便用户访问并在云端设置异常检测，如果传感器部分的状态异常或数据不在允许范围内，用户可以设置电子邮件、或POST微博推送、或app等多种警告方式，还可以充分利用平台的计算能力，定期将统计分析数据发送到邮箱内；并通过所述物联网云服务器的双向传输和控制功能模块，将数据网络与社交网络融合，将存储在云端的数据，能够快速的被API取回，放置到个人博客上，或者根据规则自动转发到指定的微博。

本发明所述传感器部分包括湿度传感器1、温度传感器2、光照传感器3和土壤湿度传感器4。

本发明所述协调器8是由cc2530射频模块13和stm32单片机14组成，cc2530射频模块13用于接收zigbee子节点6发来的数据，stm32单片机14用于在wifi条件下与上位机5进行通信，以使上位机5结合数据库的信息对温室信息做出分类、分析、处理，最后给出控制，并将数据及时传输到上位机5并由上位机5处理后传送到云服务器上，所述上位机5中的信息可以通过多终端10、11、12查询，所述上位机5控制可以采用自动控制，所述自动控制是通过对环境因子设置阈值，在环境参数偏离阈值时能够自动对控制设备进行调控，使温室内的环境几乎稳定在预设的环境下，大大提高了温室的自动遥测与控制技术。

本发明所述多终端10、11、12可以是手机、也可以是平板，还可以是笔记本，还可以是其它移动设备，通过多终端10、11、12的多种方式可以实时查询上位机中的数据库或接收上位机5中数据异常的报警信息，达到远程监测方便的作用。

实施例1: 一种基于zigbee的智能温室环境遥测与控制系统，其特征在于包括传感器部分、zigbee无线传感网部分、带有跨平台监控与数据库管理部分的上位机、wifi协议和多终端，所述传感器部分包括湿度传感器1、温度传感器2、光照传感器3和土壤湿度传感器4，所述zigbee无线传感网部分是由zigbee子节点6组成的网格状目标区域、内置的z-stack协议7和协调器8组成，所述协调器是由cc2530射频模块和stm32单片机组成，cc2530射频模块用于接收zigbee子节点发来的数据，stm32单片机用于在wifi条件下与上位机进行通信，以使上位机结合数据库的信息对温室信息做出分类、分析、处理，最后给出控制，所述网格状目标区域中的zigbee子节点的分布是采用遗传算法和模拟退火算法相结合的方法对zigbee子节点的组网算法进行优化，所述传感器部分集成在网格状目标区域内的zigbee子节点上，所述网格状目标区域的组网算法具体为：可根据区域大小设置节点布置方案，并确定网格的疏密度；当目标区域大，网格可以划分的相对稀疏，当目标区域小，可以划分的密度较大，划分的越密越好；考虑到越密，计算量越大，所以可自行调整疏密度；将目标区域划分成若干网格，最初在每个格点上放置zigbee子节点，按照组网算法对每个zigbee子节点进行判断，若该节点去掉后目标区域仍然被其他zigbee子节点所覆盖，则去掉该zigbee子节点，否则保留，然后按顺序对每个格点进行编号，在每个zigbee子节点上集成有湿度传感器、温度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器，每个zigbee子节点由一组矢量表示，当目标区域中的一个节点接收信号，即这个节点就能覆盖到其周围临近的其它zigbee子节点上，这些被覆盖的zigbee子节点对应的矢量分量数值均为1，目标区域中没有覆盖的zigbee子节点的矢量分量数值即为0，当所有的节点用矢量的方式表示完毕后，在普通遗传算法中引入模拟退火机制，采用METROPOLIS准则随机接受适应值降低的解，当遗传算法当代解可以使全部传感器节点得到覆盖并且满足成本要求时，认为是最优解，当适应值在几代都保持不变或超过最大进化代数式，也认为算法收敛，最终产生的效果是能够在任意形状，任意面积的区域上产生节点布置方案，通过对于网格疏密的划分来找到一个最优方案，以实现最少的zigbee子节点最大面积的覆盖目标区域，大大节省了成本，降低了功耗，本发明所述zigbee子节点只具有信息采集和传递功能，不具备智能性，通过所述湿度传感器、温度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器采集数据，经通过I2C总线和无线传感网执行内部的z-stack协议来传递转发数据，汇聚到协调器中，再通过协调器中的cc2530射频模块接收zigbee子节点发来的数据，通过stm32单片机在wifi条件下与上位机进行通信，上位机结合数据库的信息对温室信息做出分类、分析、处理，最后给出控制，再通过物联网云服务器内设有的事件触发机制传递给多终端，再通过继电器控制补光设备和浇水设备，以实现低价位、低成本的远程遥测和控制的功能，当数据达到某个设定预值的时候，会自动调用预先设定的规则，发送短信或微博，或邮件，方便用户访问并在云端设置异常检测，如果传感器状态异常或数据不在允许范围内，用户可以设置电子邮件、或POST微博推送、或app等多种警告方式，还可以充分利用平台的计算能力，定期将统计分析数据发送到邮箱内，也可根据物联网云服务器中设有双向传输和控制功能模块，将数据网络与社交网络融合，将存储在云端的数据快速的被API取回，放置到个人博客上，或者根据规则自动转发到指定的微博，使本发明工作在无线条件下，设备方便安装且后期维护较简单，在满足系统正常工作的条件下，最大程度的节省了zigbee子节点数量，实现了超低功耗、超低成本。

本发明所述组网算法具体实施步骤为：首先将每个节点被zigbee子节点的覆盖情况进行编码：

初始值如图5所示，每个节点均为1111111111111111作为群体1，经过遗传算法运算去掉一个zigbee子节点（去掉的节点不会使任意一个编码为全0）作为群体2，判断群体2是否满足：每个节点只有一个zigbee子节点覆盖，即每个节点的12位编码中有且只有一位为1，或者节点成本已经降到预设成本或者群体2与群体1相同这个条件，若不满足条件，则群体2作为群体1，参加上述的运算，直到满足条件，输出最后的每个节点的编码，按照编码确定最后zigbee子节点的位置；

如图6所示，第一个节点被两个zigbee子节点覆盖，则它的编码为0100100000000000，所有zigbee子节点的传输范围能覆盖到节点1的所对应的编码位为1，zigbee子节点传输范围不能覆盖到节点1的对应编码位为0。

本发明由于采用上述结构，具有结构新颖、成本低、功耗低、设备维护简单、上位机界面简单、人机交互方便、报警方案多样等优点。

Claims (1)

1.一种基于zigbee的智能温室环境遥测与控制系统，其特征在于包括传感器部分、zigbee无线传感网部分、带有跨平台监控与数据库管理部分的上位机、wifi协议和多终端，所述zigbee无线传感网部分是由zigbee子节点组成的网格状目标区域、内置的z-stack协议和协调器组成，所述传感器部分经I2C总线与zigbee无线传感网部分相连，通过所述传感器部分采集数据，由zigbee无线传感网部分传递转发数据，汇聚到协调器中，再通过协调器接收zigbee无线传感网部分发来的数据，并通过wifi协议与上位机进行通信，所述上位机接收和存储数据并通过上位机中的跨平台监控与数据库管理部分与多终端无线连接, 所述上位机的跨平台监控与数据库管理部分采用app应用程序报警方式，或采用物联网云服务器，所述网格状目标区域中的zigbee子节点的分布是采用遗传算法和模拟退火算法相结合的方法对zigbee子节点的组网算法进行优化，网格状目标区域内的zigbee子节点上集成有所述传感器部分，所述传感器部分包括湿度传感器、温度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器，所述协调器是由cc2530射频模块和stm32单片机组成，cc2530射频模块用于接收zigbee子节点发来的数据，stm32单片机用于在wifi条件下与上位机进行通信，所述网格状目标区域的组网算法具体方法为：将目标区域划分成若干网格，每个网格用网格点表示，若网格点被覆盖时，认为此区域被覆盖，用矢量的方式来表示网格点的覆盖，为达到目标区域的全覆盖，目标区域中的每个点都至少被一个传感器节点所覆盖，即能量矢量汇总至少有一位为1，将初始种群设置为均匀分布，在普通遗传算法中引入模拟退火机制，采用METROPOLIS准则随机接受适应值降低的解，当遗传算法当代解可以使全部传感器节点得到覆盖并且满足成本要求时，认为是最优解，当适应值在几代都保持不变或超过最大进化代数式，也认为算法收敛，最终产生的效果是能够在任意形状，任意面积的区域上产生节点布置方案，通过对于网格疏密的划分来找到一个最优方案，以实现最少节点最大面积的覆盖，通过所述湿度传感器、温度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器采集数据，并通过I2C总线和无线传感网执行内部的z-stack协议来传递转发数据，汇聚到协调器中，再通过协调器中的cc2530射频模块接收zigbee子节点发来的数据，通过stm32单片机在wifi条件下与上位机进行通信，上位机结合数据库的信息对温室信息做出分类、分析、处理，最后给出控制，再通过物联网云服务器内设有的事件触发机制传递给多终端，再通过继电器控制补光设备和浇水设备，当数据达到某个设定预值的时候，会自动调用预先设定的规则，发送短信或微博，或邮件，方便用户访问并在云端设置异常检测，如果传感器状态异常或数据不在允许范围内，用户设置电子邮件、或POST微博推送、或app警告方式，或充分利用平台的计算能力，定期将统计分析数据发送到邮箱内，或根据物联网云服务器中设有双向传输和控制功能模块，将数据网络与社交网络融合，将存储在云端的数据快速的被API取回，放置到个人博客上，或者根据规则自动转发到指定的微博。