基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发

定弹性 ，用于夹持不 同直径 的茎秆 ，起到定位作用 。
（ａ ｏ ａｃｓ ｍｅ ｒ，Ｒ ｒｄｍ ｃｅｓ ｍｏ ｙ ＡＭ）存储可 以满足本课题数
据存储 的需求 ，而 不需要外部扩 展任何 的存储 空 间；此
外其还有 ２路 ｌ ２位 Ａ Ｄ转换 口，２路 １ 位 Ｄ ｌ Ａ转换 口，
２ 比较器 ， 路通用异步 收发器 （ ｖ ｒ ｌｓｎｈｏ ｏ ｓ 个 ２ ｔ ｅｓ ｙ ｃｒｎ ｕ ｍｉ ａ ａ ｒｃｉ ｒｒｎｍｉｅ，ＵＡ Ｔ ｅｅ ｅ／ａｓ ｔ ｒ ｖ ｔ ｔ Ｒ ）异步串 口及 ２ 路通 用 Ｉ 口 １ Ｏ （ ｅｅａ ｐ ｒｏｅ Ｏｐ ｒ ，Ｇ Ｉ ｇｎｒｌ ｕｐ ｓ Ｉ ｏｔ — ｓ ＰＯ）等丰 富的外部扩展接 口。利用 此芯片开发 的无线传感器 网络节 点成本 低 、功 耗小 ，适用于电池长期 供 电。Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ节点分为协调器和 子节点两种，协调器 是整个 Ｚｇ ｅ 无线 网络 的管理员 ， ｉＢ ｅ
图 １ 系统 结构 图
Ｆ ｇ １ Ｓ ｒ ｃｕ ｅ ｌ ｃ ｉｇ ａ ｉ． ｔ ｔ ｒ ｏ ｋ ｄ ａ ｍ ｕ ｂ ｒ
Ｅ ｉ ｗｅｗｅ８ ０ １ ＠ ｌ ３ｔ ｍ ｍａｌ ｉ ｉ１ ３ １ ６ ．ｏ ：
第 ３期
杨
玮 等 ：基 于 ｚｇ ｅ 技 术 的温 室 无 线 智 能控 制 终端 开 发 ｉＢ ｅ
１９ ９
１ １ 中心控制模块 ． 中心控制模块为 Ｊ １９ Ｎ５ ３ Ｎ５３ 。Ｊ １ ９是一款兼容 Ｉ Ｅ ＥＥ
８ ２１ ． ０ ． ４的低 功耗、低成本 的无线微型控制器 。该模块 内 ５
母 ２个组成 。其 中为了传感器的固定，安装时需用楔形 的工具将传 感器 固定件 中问的孔适 当张开 ，待传感 器位 置调整好 后将楔形 工具取下 即可实现 固定 。弧形铁 片有
杨 玮 ， 吕 科 ２ ，张 栋 ，吴 松 ，龙智 强 ，商守海
（ ．北京京鹏环球科技股份有限公司，北京 １０ ９ ； ２ １ ００４ ．北京农业机械研究所 ，北京 １０ ９ ） ０ ０ ６ 摘 要 ：针对温室农业控制 的需要 ，开发了温室无线智能控制 终端 。该系统基于 Ｚｇ ｅ 无线 网络 ，以 Ｊｎ ｉ ｉＢ ｅ ｅｎｃ公司生产 的
杨 玮 ，吕 科 ，张 栋 ， 基 于 ｚ ｇ ｅ 技 术的温室无线智能控制终端开发 ［］ 农业工程学报 ， ０ ０ ６ ３ ：１８ ２ ２ 等． ｉＢ ｅ Ｊ． ２ １ ，２ （） ９ － ０ ．
Ｙ ｎ ｉＬ ， ｈｎ ｏ ｇ ｅ ａ． ｅｅｏ ｍｅｔ ｆ ｉ ｌ ｓ ｎｅ ｉｅｔ ｏ ｔ ｌｅｍｉａ ｏ ｒｅｈ ｕ ｅ ａｅ ｎＺｇ ｅ［ ａ ｇＷｅ， ｆＫｅ Ｚ ａ ｇＤ ｎ ， ｔ １Ｄ ｖｌｐ ｎ ｒ ｅ ｔｌｇｎ ｎ ｏ ｔ ｎ ｌ ｆ ｅｎ ｏ ｓ ｓｄｏ ｉＢ ｅＪ ｉ ｏ ｗ ｅｓｉ ｌ ｃ ｒ ｒ ｇ ｂ 】 Ｔａ ｓｃ ｏ ｓ ｆｈ Ｓ Ｅ ２ １， ６３： ９ －２ ２ （ ｈｎｓ ｉ ｎ ｌｈａ ｓａｔ ｒｎａｔ ｎ ｔｅ Ａ ， ０ ０２ （）１ ８ ０ ．ｉ Ｃ ｉｅｅ ｔ Ｅ ｇｉ ｂｔ ｃ ｉ ｏ Ｃ ｎ ｗｈ ｓ ｒ ）
１ 系统硬件组成
通过分析 比较 已有 的分布式温室控制系统ｆ ， ６ 该系 １ 统采用 了数据 采集和实时控制 的硬件实现对温 室环境 因
子 （ 土壤温 度、叶片温度 ，光照 、茎秆 生长 、土壤水 分 等 ）的有效控制，可以独立地完成温 室环境信息的采集、 处理 、显示和语音提示功能 （ 如图 １ 所示 ） 。
ｃ 茎秆传感器侧视 图 １ ． ｄ 茎秆传感器 懊视 图 ２ ． ４
图 ２ 茎秆传感 器工作示意 图
Ｆ ｇ２ Ｓ ｈ ｍａｉ ｆｓｅ ｓ ｎ ｏ ｆ ｌｎ ｉ． ｃ ｅ ｔｃｏ ｍ ｅ ｓ ｒ ａ ｔ ｔ ｏ ｐ
为采集温室 内的环境 因子 ，系统采 用 了土壤温度 传 感器 、叶片温度 传感器 、土壤水分传感 器 、光照传 感器
以及茎秆 生长传感器 ，传感器具体参数如表 １所 示。传 感器采集环境 因子信息之后经过 ＡＤ 转换成标准 的 电压 ／ １ ３ 语音发音模块 ． 为方便 用户使 用 ，系统增 加 了真人 语音发声功 能， 在系统检 测温室参 数超过 正常范 围时，能够及 时准确 的 以语音方式提醒用户进行调控 。 Ｍ６ Ｐ ０智能语音芯片 由专 用的语音单片机和 Ｆ Ａ Ｈ Ｒ Ｌ Ｓ ＡＭ 存储 器集合构成，如图 ３ 所示 。它既有 １５ ０ 的多段 语音播放 功能，也有 ２ ￣４ ０ ０ Ｓ
技术 中的一种主要技术 ，它是一种近距离 、低功耗 、低 成本 、高可靠性 的无线传 感器 网络技术 。因此 ，笔者开 发了一种基于 Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ的作物生长生理生态参数的无线温
室智 能终端系统， 它能够将分布在温室中的环境参数 （ 土 壤温 度、叶片温度 ，光照 、茎秆 生长、土壤水分等 ）通 过 Ｚｇ ｅ 无线 网络进行集中监控和管理并提供语音功能 ｉ ｅ Ｂ 进行提示管理 。系统 的语音报警 功能使用户能够及早而 且准确地发现 问题 ，进行通风 、降温 、加湿 ，补光等有 效措施 ，改善温 室环境 ，提高农作物 的产量 。
Ｏ 引 言 白 “ 五” 以来 ，国内设施农业经过 工厂化高效农 九 业 示范工程等项 目的实施 ，取得 了长足进 步，大型连栋 温 室 己基本实现 国产化 ，温室 内相关配套 设备也有一定 程度 的开发和应用 ，初步形成 了设施农业综 合技术体系 ， 带动了相关产业的发展 。农业 自动化有 了很大进步 ，环 境监控 技术 也趋 于成熟 ，但是植物 生长调控的技术还不 是很成 熟。因此近年来 ，农业特别是温室 行业的发展更 加重视植物 生理信息 的采集和监控 ，即根据植物 的生长 情况调 节其 生长环境 ，并可 以检测到环境 变化 后植物的 生长状 况，以便使调控功能更科学 。国内对这方 面的需 求也逐渐 多起来 ，针 对上述 问题 ，提 出了温室环 境与信 息综合监控系 统的开发研究 。将作物生长规律 、生长形 态 及不 同 时期农 艺特 点与 环境 控制 系 统紧密 结 合在 一 起 ，能完成温室 内温 、光、湿气 、水 、肥等环境 因子综 合调控及作物 叶片温度 、茎叶流量 、茎秆直径等无线综 合监控 ，实现温室生产精准 控制和无人化管理 ，达 到增 产、增效及规模化生产 的 目地 。 无线传感器 网络 （ ｉ ｌ ｓ ｅｓｒ ｅ ｒ ， Ｎ）是 ｗ ｒ ｅ ｎｏ ｔ ｋ ＷＳ ｅ ｓｓ ｎ ｗｏ 近年发展迅速 的现代信 息技术 ，它 由部署在监测 区域 内 大量的廉价微型传感器节 点组成 ，通过无线通信方式形 成的一个多跳 的 白组织 的网络 系统 ，其 目的是协作地感 知、采集和处理 网络覆盖 区域 中被 感知对象 的信息 ，并 发送给观察者。与传统 网络相 比，ＷＳ Ｎ是一种 以数据为 中心的 自组织无线 网络 ，集成 了监 测、控 制 以及无线通
一
置 一 款 ３ 位 精 简 指 令 集 （ ｅｕ ｅ ｎｔ ｃ ｏ ｅ ２ ｒｄ ｃｄ ｉｓ ｕｔ ｎ ｓｔ ｒ ｉ
ｃｍｐ ｔ ｇ ＩＣ）处理器 ，并集成有 ２ Ｈ ｏ ｕｉ ，Ｒ Ｓ ｎ ． Ｇ ｚ频段 的 ４ ＩＥ ８２１ ．标准 的无线收发器 。微控制器 内置 ６ 的 Ｅ Ｅ ０． ４ ５ ４Ｋ 只读存储器 （ｅｄｏ ｌ ｍｅ ｒ，Ｒ Ｍ）存储集成 点对 点 ｒａ ｎ ｍｏｙ Ｏ ｙ 通讯与 网状通讯的完整协议栈 ；９ 的随机存取存储器 ６Ｋ
Ｚｇ ｅ 无线微型控制器 Ｊ １ ９Ｍ０ 模块为核心，整个无线传感器 网络 由无线 生理生态监测节点、Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ Ｎ５ ３ ． １ ｉＢ ｅ温室无线智 能
控制终端和智能语音模块组成 。 无线传感器节 点分布于温室的各个测量 点执行各数据的采集 、 预处理和无线发送等工作， 温 室无线智能控 制终端 负责处理所有无线传感器节 点采集的数据信 息。智 能语音模块能够根据采集到的信息及 时提供生
收 稿 日期 ：２０ —２１ ０９１．１ 修 订 日期 ：２ １．２１ ０ ００．０
信 ，具有可快速 临时组网、网络拓扑结构可动态变化 、
抗毁性强 、无需架 设网络 基础 设施 ，无通信 费用等诱人 的特 点。基于 以上特点，ＷＳ Ｎ技术在农业领域也得到越 来越广泛 的应用ｌ Ｊ ｉ ｅ 是 目前众多无线传感器 网络 】 。Ｚｇ ｅ Ｂ
ａ 茎秆传感器俯视图 ． ｂ 茎秆传感器轴侧图 ，
负责管理子节点 以及与上位 机通讯。Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ子节 点负责 数据的实时采集 发送 ，之后 Ｚｇ ｅ 主节点可 以将采集到 ｉＢ ｅ 的所有子 节点数据上传至 上位机 ，用 于对植物生 长周期
内综合生长环境 的跟踪 记录 、查询 、分析 。 １ ２ 传
第 ３期
３月
农 业 工 程 学 报
Ｔ ａ ｓ ｃｉ ｎ ｆ ｈ ＡＥ ｒ ｎ ａ ｔｏ ｓ ｔ ｅＣＳ ｏ
Ｖ １ ６ Ｎｏ ３ ０２ ｌ． ．
Ｍ ａ． ｔ ２０ｌ ０
基 于 Ｚｇ ｅ 技术 的温室无线智能控制终 ｌ ｉＢ ｅ ＆ 开发 Ｉ 而 Ｌ
信 号送入 Ｚ ｇ ｅ ｉ ｅ控制 器进行数据分析处理 。 Ｂ
表 １ ５ 传感器技术参数 种
１ ｂ ｅ １ Ｔ ｃ ｎ ｃ ｌ ｎ ｅ ｅ ｆ ｖ ｅ ｓ ｒ １ ｅ ｈ ｊ ａ ｄ ｘ ｓｏ ｅｓ ｎ ｏ ｓ ｉ ｉ ｆ
传 感 器种类 茎秆 生长 速率传 感 器
产 指导建议 。温 室无线智 能控制终端实现了对温室环境 因子 （ 土壤温度 、叶片温度 ，光照、茎秆生长、土壤 水分等 ）的 数据采集和有效控制 。通过试验验证，该系统运行稳定 ，并且操 作简单 ，使用方便。 关键词 ：温室，智能控制 ，无线传感器网络 ，Ｚｇ ｅ ，环境 因子 ，语 音模块 ｉ ｅ Ｂ ｄ ｉ ０３ ６￣ｉ ｎ１ ０— ８９２ １． ． ３ ｏ：１ ． ９ ．ｓ． ２ ６ １． ００ ０ ９ ｓ ０ ０ ３３ 中图分类号：Ｓ ２ ，Ｔ ２ １６ Ｐ ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０ ８ ９２ １）０— １８ ０ ０ ２ ６ １（０ ０一 ３ ０ ９ — ５