CN110149990A

CN110149990A - 基于ZigBee的大棚植物生长环境调节系统

Info

Publication number: CN110149990A
Application number: CN201910508563.4A
Authority: CN
Inventors: 张润曦; 周洲; 石春琦
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2019-08-23

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的大棚植物生长环境调节系统，包括近距离ZigBee组网通信模块、电源管理模块、FPGA控制器、GPRS模块、手机终端、温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器、CO₂浓度传感器、土壤pH值变送器及土壤电导率传感器，近距离ZigBee组网通信模块由ZigBee终端节点模块和ZigBee协调器组成；FPGA控制器分别与ZigBee协调器、GPRS模块连接；GPRS模块与手机终端网络连接，FPGA控制器的输出端依次连接有排气扇、水泵、加湿器、制冷风扇、加热片、自动遮阳布及视频监控模块；所述Zigbee终端节点分别与温湿度传感器、土壤湿度传感器、光强度传感器、CO₂浓度传感器、土壤pH值变送器及土壤电导率变送器连接。本发明使农户无需到现场就可获取植物生长环境实时信息并自动进行调节。

Description

基于ZigBee的大棚植物生长环境调节系统

技术领域

本发明属于智能识别检测以及控制领域，适用于现代农业中的大棚技术领域。尤其涉及一种基于ZigBee的新型大棚植物生长环境调节系统，该系统中的大棚环境参数的测量，涉及到信号传感检测技术；系统中的自动温度控制和报警模块，涉及信号的处理技术；系统检测的信息通过GRPS模块可以传送到手机等终端设备，涉及到无线数据通信技术。

背景技术

随着人们生活质量的不断提高，对水果蔬菜的需求也不断增加，建设现代化的农业生产大棚成为满足人们日益增长的物质需要的必然。农业大棚中的温度湿度，光照强度，二氧化碳浓度以及土壤的盐分含量等等是影响农作物生长的重要指标。因此，要提高农作物的产量和质量，就需要实时对这些环境指标进行检测，并且能对相关的指标进行调整，使农作物能够在一个适宜的环境之中。

目前来讲，我国大部分的农业大棚监测系统采用的还是传统的有线传输，来实时获取相关的指标信息。这种方式，不能保证数据的有效性和实时性，并且线路容易损坏，效率也比较低，比较浪费人力和财力。同时，有线传输方式易受环境因素的影响，局限性相当明显。

目前，无线传感技术不断取得进步，已经在很多重要的领域中发挥着不可替代的作用。ZigBee是无线网络技术的一种，主要应用于近距离无线传输领域。它集成了单片机的内核，低成本，低功耗，网络容量大，安全性高，成为大棚无线传感的首选。而GPRS技术主要应用于远距离通信中，不受环境因素的影响，同时覆盖范围广，在大棚技术领域也有着重要的作用。

随着自动化技术的快速发展，目前很多的科研工作者尝试着在大棚监控系统中融入自动化技术，这样不但能够提高农业生产率，还能确保农作物拥有一个良好的品质，进而增加劳动者的收入。基于ZigBee无线网络的使用，可以实现对环境的实时监控，并可根据作物的成长需求设置合理的环境参数，智能地调控相关指标，使得农作物有良好的生长状态，提高农作物存活率，减少病虫危害，实现大棚技术的智能化，提高经济效益。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于ZigBee的新型大棚植物生长环境调节系统，该系统通过多种环境检测传感器采集大棚环境信息、环境自动调节和ZigBee和GPRS无线通信技术，可以有效地解决人力管理存在的不足，实现真正意义上的大棚管理全自动化。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于ZigBee的大棚植物生长环境调节系统，该系统包括近距离ZigBee组网通信模块、电源管理模块、FPGA控制器、远距离GPRS模块、手机终端、温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器、CO₂浓度传感器、土壤pH值变送器及土壤电导率传感器，所述近距离ZigBee组网通信模块由ZigBee终端节点模块和ZigBee协调器组成；所述FPGA控制器对应的输入端口与ZigBee协调器的两个串口相连接，所述FPGA控制器对应的输出端口与GPRS模块的两个输入串口连接；所述远距离GPRS模块与手机终端通过4G互联网络连接；所述电源管理模块的输出电压管脚与FPGA控制器的电源输入端口连接；所述FPGA控制器的输出端对应端口上依次连接有排气扇、水泵、加湿器、制冷风扇、加热片、自动遮阳布及视频监控模块；所述Zigbee终端节点对应的输出管脚分别与温湿度传感器、土壤湿度传感器、光强度传感器、CO₂浓度传感器、土壤pH值变送器及土壤电导率变送器连接；所述ZigBee协调器与ZigBee终端节点通过ZigBee数据传输协议进行通信；其中：

所述制冷风扇与加热片构成大棚温度的恒温控制；所述视频监控的输出对应端口与报警灯的输入端口连接；

本发明中所述FPGA控制器采用赛灵思公司的7系列FPGA控制器AX7035；

所述温湿度传感器型号为STH11；

所述土壤传感器型号为YL-69；

所述光强度传感器型号为BH1750；

所述CO₂浓度传感器型号为MG811；

所述土壤PH值变送器型号为RS485土壤PH值变送器；

所述土壤电导率变送器型号为YJ-SA602数字型土壤电导率变送器；

所述视频监控模块采用高精度摄像头OV5640；

所述报警模块采用SL-79型号的红色报警闪烁灯；

所述GPRS模块采用SIM900A模块；

所述电源模块采用LDO芯片BL8555-33PRA；

所述ZigBee终端节点和ZigBee协调器均连接有TI公司生产的CC2530芯片。

所述CO₂浓度传感器输出端口与ZigBee终端节点之间有温度补偿电路和阻抗变换电路。所述CO₂浓度传感器MG811输出端口与温度补偿电路的输入连接，所述阻抗变换电路的输出端口与终端节点输入连接；所述温度补偿电路和阻抗变换电路具体形式为：温感电阻R1一端与CO₂浓度传感器输出连接，另外一端与电源端VCC连接；电阻R2一端与CO₂浓度传感器输出连接，另外一端与GND连接；变换线圈U1一端与电源端VCC连接，另外一端与GND连接；变换线圈U1变换后的输出与阻抗转换运算放大器U2的脚3连接，阻抗转换运算放大器U2的脚4与GND连接；电阻R3的一端与阻抗转换运算放大器U2的脚2连接、另一端与GND连接；电阻R4一端与阻抗转换运算放大器U2的脚2连接、另一端与阻抗转换运算放大器U2的脚6连接；滑动变阻器R5一端与阻抗转换运算放大器U2的脚5连接，一端与阻抗转换运算放大器U2的脚1连接、滑动端与阻抗转换运算放大器U2的脚4连接；芯片U3的脚5与阻抗转换运算放大器U2的脚6连接，芯片U3的脚2为输出脚；滑动电阻器R6一端与GND连接、另一端与电源端VCC连接、滑动端与芯片U3的脚4连接；电容C1一端与芯片U3的脚5连接、另一端与GND连接；电容C2一端与芯片U3的脚2连接、另一端与GND连接。

所述CC2530芯片外部连接有RF射频天线。

所述AX7035控制器内写有排气扇、水泵、加湿器、制冷风扇、加热片、自动遮阳布及视频监控模块的控制程序以及与ZigBee协调器和GPRS模块的通信程序。

所述温湿度传感器、土壤湿度传感器、光强度传感器、CO₂浓度传感器、土壤PH值变送器、土壤电导率变送器分别用于测量大棚内空气的温度和湿度，大棚内土壤的湿度，大棚内的光照强度，大棚内的二氧化碳的浓度，大棚内土壤的PH值以及大棚内土壤的盐分这些物理参数。

所述手机终端是用JAVA程序编程的上位机软件APP。

本发明的的优点是：

1．本发明采用的是可编程逻辑器件FPGA作为主控芯片，有着强大的并行处理能力，同时控制器的功耗低。

2．与现有技术相比，本发明的检测可以做到全天时全天候，并且系统有着很强的抗干扰能力，检测指标可靠性高。

3. 本发明自动控制水平高，调控精确，特别是结合制冷风扇与加热片，使得大棚能处于恒温的状态，效率高，可以做到实时控制。

4. 本发明采用短距离无线通信方式ZigBee和远距离无线通信方式GPRS结合的方法，检测覆盖范围广，且有完善的上位机系统，方便查阅相关指标和进行远程控制。

5. 本发明功能丰富，智能化，性能可靠，操作简单，同时系统具有很高的集成度。

附图说明

图1为本发明系统结构框架图；

图2为本发明ZigBee终端节点组成图；

图3为本发明ZigBee组网流程图；

图4为温度补偿电路和阻抗变换电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行详细描述。

为了使大棚农业生产中的工作人员不用亲自去现场就可以获取植物生长环境实时信息并自动调节大棚环境，同时结合ZigBee技术适用于数据采集系统的特点，设计了本发明。本发明采用具有8051内核的CC2530芯片采集大棚环境信息，将信息通过ZigBee网络传输到协调器，最终通过串口传输到FPGA控制器，再通过GPRS模块传输到手机APP端；系统一旦检测到环境异常，开启自动调节模式改善大棚环境。实验结果表明本发明不仅能够有效地采集各项参数，而且能够自动调节环境。

实施例1

参阅图1，本实施例包括近距离ZigBee组网通信模块、电源管理模块、FPGA控制器、远距离GPRS模块、手机终端上位机、温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器、CO₂浓度传感器、土壤pH值变送器、土壤电导率传感器。所述近距离ZigBee组网模块，由ZigBee终端节点模块和ZigBee协调器组成。所述FPGA控制器对应的输入端口与ZigBee协调器的两个串口相连接。所述FPGA的对应输出端口与GPRS模块的两个输入串口连接。所述GPRS模块与手机终端通过4G互联网络连接。所述电源模块的输出电压管脚与FPGA控制的电源输入端口连接。所述FPGA控制器的输出端对应端口上依次连接有排气扇、水泵、加湿器、制冷风扇、加热片、自动遮阳布、视频监控模块。所述制冷风扇与加热片构成大棚温度的自动温度PID控制。所述视频监控的输出相关端口与报警灯的输入端口连接。参阅图2，所述Zigbee终端节点有6个，每个终端节点对应的输出管脚分别与SHT11温湿度传感器、土壤湿度传感器YL-69、光强度传感器BH1750、CO2浓度传感器MG811、土壤PH值变送器、土壤电导率变送器连接。所述ZigBee协调器与ZigBee终端节点通过ZigBee数据传输协议进行通信。

本实施例中，所述SHT11温湿度传感器、土壤湿度传感器YL-69、光强度传感器BH1750、CO₂浓度传感器MG811、土壤pH值变送器、土壤电导率变送器分别用于测量大棚内空气的温度和湿度，大棚内土壤的湿度，大棚内的光照强度，大棚内的二氧化碳的浓度，大棚内土壤的pH值以及大棚内土壤的盐分这些物理参数。ZigBee终端节点负责采集相关信息，通过ZigBee无线通信网路，将相关信息传输到ZigBee协调器，再通过串口通信的方式，传输给FPGA控制器。FPGA根据设定的各参数阈值，从而控制排气扇，水泵，加湿器，制冷风扇，加热片，自动遮阳布是否工作。同时FPGA将数据传送给GPRS模块，GPRS借助4G无线互联网，将数据信息发送到手机上位机上，手机终端也可以控制上述模块是否工作。

所述视频监控模块采用高精度摄像头OV5640，所述报警模块采用的是SL-79型号的红色报警闪烁灯。当检测到有陌生人进入大棚时，报警灯就会闪烁，与此同时，SIM900A模块也会向大棚经营者的手机发送报警短信，将陌生人的照片传送到手机终端上位机。

本系统工作时，首先各节点操作系统初始化，协调器建立网络成功后，终端节点申请加入协调器的网络。终端节点成功加入网络后，进入休眠状态，三分钟后唤醒处理任务事件，然后再次以最新要发生的一件事件的时间作为休眠时间。终端任务处理事件中，终端节点将传感器采集得到的数据经过ZigBee发送到协调器，协调器再通过串口通信将数据传到FPGA控制器，再通过GPRS无线通信将数据传到手机APP端。FPGA控制器将接收到的数据与阈值进行比较，若环境参数合理，则终端一直发送数据，直至环境参数出现异常。环境参数出现异常后，人机交互端发送控制命令给协调器，协调器再经对应路由器节点发送给终端节点，终端节点打开环境调节系统，直至环境参数合理，环境调节系统关闭。

本实施例中，所述FPGA控制器内写有排气扇、水泵、加湿器、制冷风扇、加热片、自动遮阳布及视频监控模块的控制程序以及与ZigBee和GPRS模块的通信程序。

实施例2

以上海周边城镇农业蔬菜大棚基地中的番茄大棚为例，该番茄生态大棚的长为40米，宽30米，高1.8米，面积为1200平方米。所述电源模块，FPGA控制器，ZigBee协调器，以及GPRS模块放置于中央控制室中。所述SHT11温湿度传感器置于番茄大棚内，所述土壤湿度传感器YL-69置于土壤中，深度大概10cm，所述光照强度传感器BH1750置于番茄大棚内，所述CO₂浓度传感器MG811置于番茄大棚内，所述土壤pH变送器插入土壤10cm深度左右，所述土壤电导率变送器插入土壤10cm深度左右。所述排气扇均匀排布在大棚中，左右对称，每隔10米一个，一边4个，一共八个，所述水泵置于距离土壤20cm的高度，所述加湿器置于番茄大棚室内，所述制冷风扇位于大棚室内，所述加热片位于大棚室内，所述自动遮阳布位于大棚的四周，所述视频监控和报警模块置于大棚的进口。

1、首先，给系统上电，各个模块处于正常的供电状态

此时ZigBee协调器开始组建ZigBee网络，自动扫描可用的信道，选择合适的信道。确定信道以后，协调器就会设置一个网络标识符 PANID，以确保该网络不会和其他网络发生冲突，此时协调器成功建立了网络，接下来等待节点的入网请求。

终端节点找到网络协调器后会向协调器发出入网请求，网络协调器收到节点连接请求后作出响应，如果接受入网请求，就会分配一个网络短地址给终端节点，此时入网成功，终端节点与协调器之间可以开始通信。其中，终端节点需要将入网成功后得到的网络地址发送给协调器节点，协调器才能接收到终端节点的数据，完成无线传输。等到6个终端节点加入到网络后，整个ZigBee通信网络便组建完成了。

2、接着，与6个终端节点分别采集当前实时的空气温湿度，番茄大棚的土壤湿度，番茄大棚室内的光照强度，番茄大棚内的二氧化碳浓度，番茄大棚的土壤酸碱度，以及番茄大棚的电导率这些环境物理量。

3、然后，上述的环境物理量通过ZigBee通信网络，由ZigBee终端节点传送到ZigBee协调器。ZigBee协调器与FPGA控制器是有线连接，通过串口通信的方式，将环境物理量传送至FPGA控制器。4、FPGA控制器与GPRS也是有限连接的，通过有线的连接方式。此时，远在外地的番茄大棚农户，打开手机终端的APP上位机，可以查阅此时番茄大棚的相关环境物理量。GPRS模块与手机上位机是通过4G联网来交互数据的。

5、为了保证番茄良好的生产状态，番茄大棚的相关环境物理量是有着特殊的需求的。番茄生长需要充足的水分，当FPGA控制器检测到土壤湿度传感器传送的数据低于设定的阈值时候，就会控制水泵自动抽水，进行灌溉，直到土壤湿度到设定的阈值才停止。在夜间，番茄的呼吸作用需要适量的氧气，当FPGA控制器检测到CO₂浓度高于设定的阈值时候，就会驱动排气扇工作，降低CO₂的浓度。在白天时候，番茄的光合作用需要充足的光照，当FPGA检测到光照强度低于设定值时候，就会升起自动遮阳布，保证大棚内充足的光照强度；而在夜间，自动遮阳布就会降落。番茄的生长过程中，空气也要保证合适的湿度，不能过于干燥，当FPGA控制器检测到大棚内的湿度低于阈值时候，就会开启加湿器，使得湿度达到设定的阈值。番茄喜温，白天适宜的温度为25℃～28℃，夜间16℃～18℃。低于15℃，番茄种子发芽、授粉受精及番茄转红受到影响：低于10℃，生长缓慢，生殖发育受到抑制，5℃时茎叶停止生长，高于35℃生殖发育受到影响，高于40℃生理紊乱而热死。当FPGA控制器检测到温度低于16度时候，就会开启加热片，提高大棚内的温度，当检测到高于28度时，就会开启制冷风扇，降低大棚的温度。在夜间时候，当视频检测检测到有陌生人闯入番茄大棚时候，就会闪烁报警灯，并会在手机上位机上提醒大棚农户。

6、大棚农户可以在远处，通过手机上位机，来设定大棚的环境阈值，以及开启或者大棚的各个设备。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术的方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于ZigBee的大棚植物生长环境调节系统，其特征在于，该系统包括近距离ZigBee组网通信模块、电源管理模块、FPGA控制器、远距离GPRS模块、手机终端、温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器、CO₂浓度传感器、土壤pH值变送器及土壤电导率传感器，所述近距离ZigBee组网通信模块由ZigBee终端节点模块和ZigBee协调器组成；所述FPGA控制器对应的输入端口与ZigBee协调器的两个串口相连接，所述FPGA控制器对应的输出端口与GPRS模块的两个输入串口连接；所述远距离GPRS模块与手机终端通过4G互联网络连接；所述电源管理模块的输出电压管脚与FPGA控制器的电源输入端口连接；所述FPGA控制器的输出端对应端口上依次连接有排气扇、水泵、加湿器、制冷风扇、加热片、自动遮阳布及视频监控模块；所述Zigbee终端节点对应的输出管脚分别与温湿度传感器、土壤湿度传感器、光强度传感器、CO₂浓度传感器、土壤pH值变送器及土壤电导率变送器连接；所述ZigBee协调器与ZigBee终端节点通过ZigBee数据传输协议进行通信；其中：

所述制冷风扇与加热片构成大棚的恒温控制；所述视频监控的输出与报警模块的输入连接。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的大棚植物生长环境调节系统，其特征在于，所述CO₂浓度传感器输出端口与ZigBee终端节点之间设有温度补偿电路和阻抗变换电路；所述CO₂浓度传感器输出与温度补偿电路的输入连接。

3.根据权利要求2所述的基于ZigBee的大棚植物生长环境调节系统，其特征在于，所述温度补偿电路和阻抗变换电路具体形式为：温感电阻R1一端与CO₂浓度传感器输出连接，另外一端与电源端VCC连接；电阻R2一端与CO₂浓度传感器输出连接，另外一端与GND连接；变换线圈U1一端与电源端VCC连接，另外一端与GND连接；变换线圈U1变换后的输出与阻抗转换运算放大器U2的脚3连接，阻抗转换运算放大器U2的脚4与GND连接；电阻R3的一端与阻抗转换运算放大器U2的脚2连接、另一端与GND连接；电阻R4一端与阻抗转换运算放大器U2的脚2连接、另一端与阻抗转换运算放大器U2的脚6连接；滑动变阻器R5一端与阻抗转换运算放大器U2的脚5连接，一端与阻抗转换运算放大器U2的脚1连接、滑动端与阻抗转换运算放大器U2的脚4连接；芯片U3的脚5与阻抗转换运算放大器U2的脚6连接，芯片U3的脚2为输出脚；滑动电阻器R6一端与GND连接、另一端与电源端VCC连接、滑动端与芯片U3的脚4连接；电容C1一端与芯片U3的脚5连接、另一端与GND连接；电容C2一端与芯片U3的脚2连接、另一端与GND连接。

4.根据权利要求1所述的基于ZigBee的大棚植物生长环境调节系统，其特征在于，所述ZigBee终端节点和ZigBee协调器外部均连接有RF射频天线。

5.根据权利要求1所述的基于ZigBee的大棚植物生长环境调节系统，其特征在于，FPGA控制器内写有排气扇、水泵、加湿器、制冷风扇、加热片、自动遮阳布及视频监控模块的控制程序以及与ZigBee协调器和GPRS模块的通信程序。