温室大棚的无线控制策略研究－基于Zigbee技术

 周建稳

云南农业大学 昆明 黑龙潭 650201

文章已被石河子大学学报杂志社录用，石河子大学学报杂志投稿网址链接：http://www.zazhi114.cn/shihezidaxuexuebao 

 摘  要

温室大棚是农业精细化耕作的主要方式之一,传统的温室大棚中在采集模块通过在土壤中铺设大量线缆的方式采集环境参数，依靠经验对温室环境参数进行手动调节，如今很多大棚执行模块侧通过控制柜控制大棚的执行机构，也需人工去到控制柜现场操作，控制柜内包括各种继电器，容易老化、布线复杂等缺点，这种方式不够便捷、工作效率低、也无法保证采集数据的实时性。

为解决传统温室大棚中有线通信布线复杂、出现故障难以维护、安装设备不易改变等问题，引入Zigbee技术对温室内整个系统组网，对采集模块和执行机构模块提出改进措施，采集模块主要是无线传感器的选择，执行机构主要采用联入无线开关，让执行机构接收无线信号用手机就可无线控制，省去在控制柜对执行机构的操作，最终使得温室大棚进行监控和管理更加容易。

关键词：温室大棚控制现状；Zigbee技术；采集模块和执行机构改进策略

Research on wireless control strategy of greenhouse

Based on Zigbee Technology

Zhou jian wen

School of mechanical and electrical engineering, Yunnan Agricultural University，Heilongtan  Kunming 650201

Abstract

Greenhouse is one of the main ways of fine farming in agriculture. In the traditional greenhouse, the collection module collects the environmental parameters by laying a large number of cables in the soil, and manually adjusts the greenhouse environmental parameters by relying on experience. Nowadays, many greenhouse execution modules control the executing agencies of the shed through control cabinets. They also need to manually go to the control cabinets to operate on the spot. The control cabinets include various kinds of relays, which are easy to aging and complex in wiring. This method is not convenient enough. The working efficiency is low, and the real-time performance of the collected data can not be guaranteed.

In order to solve the problems of complex wired communication wiring, difficult maintenance and difficult to change installation equipment in traditional greenhouse, Zigbee technology was introduced to network the whole system in greenhouse, and the improvement measures were put forward for the collection module and executive mechanism module. The acquisition module is mainly the choice of wireless sensor. The executive organ mainly adopts the connected wireless switch, so that the actuator can be wirelessly controlled by the mobile phone when receiving the wireless signal, thus eliminating the operation of the executive mechanism in the control cabinet. Ultimately, the greenhouse is easier to monitor and manage.

目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室大棚及引进的国外设备都属于自动控制方式，通信方式落后，采集环境参数模块、监测系统通信和执行机构通信主要是有线方式，这种方式存在很多弊端，如布线复杂，由于空间的限制故障率高，维修维护复杂等。本文根据对Zigbee技术的介绍和对现有温室大棚里面各种传感器的应用现状和布局方式等的了解，利用Zigbee技术组建无线传感网络对上述问题进行改进，使其通讯方式变为无线传输，进而达到无线控制。^[1]

图1 本文研究重点

Figure. 1 the focus of this article

如图1所示，本文主要对温室大棚无线控制策略研究主要从三方面来进行探究：一、数据采集模块为了实现数据采集的实时高效，选用基于有无线射频的各种传感器；二、执行机构侧为了实现无线信号控制，分别在执行机构中加入无线智能开关，然后与手机配对，实现手机的远程控制；三、对于整个系统从监控中心到数据采集和执行机构，我们采用Zigbee技术来组网进行无线传输。

2 Zigbee技术

2.1 Zigbee技术概述

Zigbee技术是一种低速率、低成本、近距离、低功耗的双向无线通讯技术，通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。^[4]Zigbee数传模块类似于移动网络基站,Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。^[5]每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

2.2 Zigbee技术与其他无线技术的比较

2.2.1 基础比较

表1 Zigbee技术与其他无线技术的基础比较

Table1 Comparison of Zigbee technology with other wireless technologies

    从表1可以看出：Zigbee技术功耗最小，连接设备数最多，覆盖范围也比蓝牙广，另外主要应用在控制、监测方面。所以Zigbee技术比较适宜温室大棚的控制环境，应用Zigbee技术需要解决传输距离短的问题。

2.2.2 从四方面对Zigbee、BLE、Wi-Fi传输技术的比较

表2 Zigbee、BLE、Wi-Fi传输技术比较

Table2 Comparison of Zigbee, BLE, Wi-Fi transmission technology

BLE：蓝牙技术中的一种，叫做蓝牙低能耗，是低成本、短距离、可互操作的鲁棒性无线技术，工作在免许可的2.4GHz ISM射频频段，它从一开始就设计为超低功耗(ULP)无线技术。

    小结：通过Zigbee技术与其他技术从基础部分和传输方面的比较，得出Zigbee技术更具发展前景，所以本文选用Zigbee技术来组网。

3 无线传感器网络的需求分析和传感器选型

3.1 无线传感器网络组成

常用的无线传感器网络包括：移动通信网、无线局域网、蓝牙网以及Zigbee网络等,传感器网络技术也经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络三个阶段阶段，无线传感器网络通过将传感器技术和计算机技术、无线通信技术相结合，能够进行信息交换和协调控制能力，实现缩短人与自然之间的距离目标,无线传感器网络可分成两个组成部分：传感器节点和传感器网络。

传感器节点在无线传感器网络中能够作为数据中转站、数据采集者或簇头节点。作为数据中转站，节点出了完成数据采集之外，还需要接收邻居节点的数据，并且将这些数据转发给距离基站更近的邻居节点；作为数据采集者，数据采集节点可以收集周围环境的数据，通过通信路由协议直接或间接的将数据传输到远方的基站；作为簇头节点，节点主要负责收集该族内所有节点采集到的数据，经过数据融合发给基站。

传感器网络节点组成了无线传感器网络。无线传感器网络节点基本上是由处理器模块、传感器模块、无线通讯模块与能量供应模块四个单元组成，处理器模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供了运行所需要的能量，一般采用微型电池。

3.2 温室大棚无线传感网络的需求分析

农业温室基础设施发展迅速，但是在自动监控方面存在诸多问题，温室中有大量分散的传感器和执行机构，改变种植的作物这些设备也要随着改变，同时错综复杂的线缆也需要重新铺设，工作量较大。为了科学、合理地实现大面积温室环境参数的自动检测与控制，电子检测装置和执行机构的设置不仅数量大而且分布广，连接着各个装置与机构的线缆，也因此纵横交错。当温室内作物更替时，相应的电子检测装置和执行机构的位置常常需要调整，连接着各个装置与机构的线缆有时也需要重新布置，这不仅增大了温室的额外投资成本和安装与维护的难度，也影响了作物的良好生长。^[11]用无线传感器网络构建监控系统,具有部署方便、成本低廉等优势,可以有效实现环境信息的采集和传输,及时调整管理策略,保证作物生长处于最佳状态,为温室环境参数检测提供一种新颖的、低成本的解决方案。^[12]要实现无线控制，先得建立无线监控系统,无线监控系统主要涉及包括两个方面：环境参数采集和对温室环境参数的控制；这些参数主要是温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度；对大棚控制主要是温室的开关和喷灌等。为了实现采集模块的无线控制，我们选择无线传感器来组建无线传感器网络。

图2 无线传感器网络

Figure .2 Wireless Sensor Networks

    温室大棚中无线传感器网络组建如图 5所示：温室大棚内的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等参数采集完成后，将数据发送给Zigbee的子节点，子节点再将数据以无线方式传给主节点，主节点将数据处理后传输给单片机。

3.3传感器的选择

根据资料显示，同一基地各大棚在相同的采集方法下，所采集到的环境参数差别并不大，不可能也没必要在每个大棚内设多套系统，我们用一个总体适用的采集系统就行。对传感器型号的选择不但要考虑使用方便，变换电路简单，还要根据大棚内种植作物的生长所适宜的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度、pH值的范围和精度来选择传感器。

3.3.1 温度传感器

传统所用温度传感器一般是模拟温度传感器如热电偶传感器需要冷端补偿，热敏电阻需设计输入电桥和微弱信号放大器；集成模拟传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好等特点；常见的集成模拟传感器可分为电压型和电流型，根据温室大棚的环境指标和精度要求，我们选用温度传感器AD590采集大棚内的温度信息。

表3 AD590的主特性参数

Table3 main characteristic parameters of AD590

3.3.2 湿度传感器

温室大棚中的水分，主要利用空气中的湿度以及土壤湿度来表现的，因此，对温室大棚中的湿度进行有效控制非常重要，选择合适的湿度传感器来测量也尤为重要。^[1]日常生活中最常用的表示湿度的物理量是空气的相对湿度用%RH表示，湿敏元件是最简单的湿度传感器，湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。传统所用的湿度传感器为湿敏电阻，湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度；湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。现在国内市场电容式湿敏元件较为常见，电容式湿度传感器因其响应速度快、动态范围大，几乎没有零漂，适应性强的优点得到广泛应用。^[18]基于上述原因和大棚的环境参数，我们选择湿度传感器HS1101，它是基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构。

表4 HS1101特性参数

Table4 HS1101 characteristic parameters

相对于同类产品价格极低，适合用于低湿及露点测量需要的场合，如干燥箱、电缆充气设备中干燥气体湿；防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿，无需校准，年漂移量0.5%RH/年，长期稳定性和可靠性。

3.3.3 光照传感器

阳光为温室大棚内作物进行光合作用和温室的气候环境提供相关能量，但是许多太阳光线在射到温室大棚表面的时候，只有很少一部分能透射进大棚内部，而其余的则被大棚表面吸收或者反射。^[18]根据温室内作物对光照强度的要求，我们采用型号为BYT20YSCGJ的光照度传感器变送器，它是以(紫蓝硅光电池)为光照度传感器对温室大棚内的光照强度进行检测,它采用先进的电路模块技术开发变送器,用于实现对环境光照度的测量,输出标准的电压及电流信号。它体积小、线性度好、安装方便、传输距离长、防水性能好、抗干扰能力强等特点，特别适用于农业大棚、城市照明等场所。　

表5 BYT20YSCGJ特性参数

Table 5 BYT20YSCGJ characteristic parameters

3.3.4 二氧化碳传感器

现代农业中的温室大棚，形成了一个相对封闭的环境，使得对二氧化碳浓度的控制成为可能；但是，空气中二氧化碳浓度的测量，是一个比较困难的问题，因为它涉及到测量方法、信号的获取和测量设备的成本，专业的二氧化碳浓度测量仪表的每台价格一般都要上万元，在一般用户中难以普及。就目前出现的CO2传感器来看，其种类主要有红外线式、电容式、电化学式、热传导度式等，其中以红外线式和电化学式CO2传感器应用的较为广泛，红外线式CO2传感器国内外生产厂家较多，红外线吸收式传感器一般具有灵敏度高、控制范围大、响应时间快等特点。我们选用采用技术成熟价格实惠的红外二氧化碳传感器T6004.它的结构紧凑，适合应用到相关控制器和检测仪可直接使用。

表6T6004主要参数

Table 6 main parameters of T6004

3.4传感器的布局

传统温室监控系统采用有线布线方式获取参数和实现控制，而有线布线带来很大的繁琐性和局限性,要实现温室环境的无线智能监控,那就需要在无线传感器网络中大量布置传感器节点，并且要求无线传感器网络的布置、安装和维护简单易行。^[21]具体需要则根据温室大小来布局传感器个数，基于上面所选择的的无线温度传感器、无线湿度传感器、无线光照传感器、无线二氧化碳传感器等，温度传感器又可分为无线空气温度传感器和无线土壤温度传感器，由于室内温度和湿度在水平和垂直方向上都不同，我们可以垂直距离布置2-3个，跨度方向布置3个，土壤的话根据需要可在5厘米处、10、15厘米处布置；湿度传感器在温室内放一两个就可以，一般放到距离地面1.2米到1.5米之间；光照传感器和二氧化碳传感器各布置1-2个；另外为了能远程监测到植物的生长情况，每个温室大棚中根据需要安装几个摄像头，保证能观察到整个大棚中的景象。

图3 大棚内传感器布局

Fig. 3 sensor layout in Greenhouse

4 温室大棚执行机构控制方面的改进策略

4.1 温室大棚执行机构控制现状

目前许多温室大棚的执行机构：风机、天窗和侧窗、加湿装置等都是经过控制柜来进行操作的，这种方式需要人工去控制柜现场，不仅浪费时间，而且控制柜里面的继电器时间长了容易氧化，接触不良、寿命短、耗电高，里面布线复杂，控制方式固定不能做到实时高效。

图4 执行机构控制现状流程图

Figure. 4 the flow chart of the control mechanism

4.2 执行机构的改进策略（以风机为例）

随着无线开关技术的发展，无线开关在家庭应用中比较广泛。它是把原有的老式开关替换为智能开关，需要控制的那边采用随意贴式面板，无需布线。随意贴相当于遥控器，能发出无线信号，控制智能开关。可以多个随意贴配一个开关。随意贴可以贴在床头，墙边等等，非常方便。遥控距离远，信号可穿墙。采用智能编码技术，互不干扰，适合多个房间使用。另外可通过无线主机实现用手机远程控制开关。

图5 灯光隔墙无线控制

Figure .5wireless control of light partition

无线开关使得控制更加方便灵活，我们把无线开关接入执行机构中，就可实现对机构的无线遥控。下面就以风机为例阐述这一策略。

图6 无线开关与风机相连

Figure .6 wireless switch connected to the fan

在每个温室大棚外部连接的风机线路中都连接上无线开关，在控制端可选择三种方式实现对风机的控制：一、在相对应合适的地方安装贴式面板可实现就近控制；二、手机通过无线主机与无线开关配对，可实现手机远程控制；三、遥控器和无线开关配对，用遥控器控制。对于其他执行机构也是用和风机一样的方法。

4.3 无线开关的选型和配对方法

4.3.1 无线开关的选型

从安全性、高强度性（抗冲击强度是普通玻璃的3-5倍）、热稳定性（可承受300℃温度变化）方面考虑，选择初冠智能无线触摸开关遥控面板86型随意贴遥控器双控免布线开关（CG-86RF）。

表7 初冠智能开关和随意贴参数

Table 7 initial smart switch and optional paste parameters

图7 CG-86RF型随意贴和开关

Figure .7 CG-86RF type random paste and switch

触摸开关使用可控硅电子式控制，使用寿命长、损耗小。控制贴片换电池方便，打开面板就能更换，一个随意贴可控制多个开关，也可多个随意贴控制一个开关。

4.3.2 无线开关的配对方法

为了实现随意贴、遥控器、手机的无线控制，先得进行配对，配对方法如下：随意贴和开关只需要两步就可配对，另外遥控器配对方法和随意贴配对方法一样。

图8 开关和随意贴配对

Figure. 8 switch and random stick pair

&