运用ZigBee和GPRS技术构建温室远程控制系统

　　引言

　　玻璃温室是指以玻璃为采光材料的温室，在栽培设施中，其透光率最高，使用寿命最长，适合在多种地区和气候条件下使用。同时，玻璃温室也是一个人工农业生产系统，温室内的环境因子共同影响作物产量与品质，用多种控制设备来调节室内环境，以满足作物生长最佳要求，提高温室生产率和利用率。

　　目前，大部分玻璃温室采用控制柜实现温室环境的现场控制，当需要对多个温室进行调控时，管理员需要对每个温室手动操作控制柜，存在劳动强度大、效率低等问题。因此，网络化玻璃温室群控制系统成为提升温室管理效率的迫切需求和发展趋势。

　　本文以实现多个玻璃温室中大量设备远程控制为目标，采用 ZigBee 和 GPRS 技术设计了一套温室远程控制系统，管理人员通过基地管理平台远程控制温室各类设备，从而调控温室小环境。

　　1 系统整体设计

　　本系统由无线控制节点、控制分发节点和基地管理平台构成。控制节点完成玻璃温室内加热器、风扇、天窗、遮阳帘和湿帘等多个设备的执行控制。控制分发节点主要由 ZigBee 协调器和 GPRS 模块组成：协调器完成 ZigBee 网络的建立和控制指令的下传;GPRS 模块完成协调器和基地管理平台之间的远程通信。基地管理平台完成控制指令的下发、数据存储、查询和管理。系统组成结构如图 1 所示。【图1】

　　
　　系统运行时，用户在基地管理平台发送控制指令，由 GPRS 传输到控制分发节点，再由 Zigbee 网络传输到指定控制节点，实现多路控制设备的启闭，以调节温室环境。

　　2 无线控制节点设计

　　无线控制节点包含处理器模块、控制模块、电源模块以及串口通信模块。组成框图，如图 2 所示。【图2】

　　2． 1 处理器模块

　　处理器模块采用 TI 公司的 CC2530 单片机作为中央处理芯片。该芯片集成了一个增强型工业标准8051 内核和一个符合 2． 4GHz IEEE802． 15． 4 的 RF射频收发模块。CC2530 共有 21 个数字输入/输出引脚，8 路输入和 12 位 ADC，2 个支持多种串行通讯协议 UART，提供 101dB 的链路质量，具有优秀的接收灵敏度和较强的抗干扰性，其传输距离最远可达到1 500m。本模块以 ZigBee 无线通讯技术接收来自于协调器的控制指令，实时处理之后，通过 15 个 I/O 口控制 15 路设备的启闭，实现对温室环境的调控。
　　
　　2． 2 控制模块
　　
　　通过单片机 I/O 口输出高低电平来控制加热器、风扇、天窗、遮阳帘、湿帘等设备的启闭。本系统共可以控制15 路设备的开断，每两个 I/O 口通过一个光耦合器控制两路设备，具体控制电路( 以一路为例) 如图3 所示。【图3】

　　
　　由控制电路可知，光耦合器的输入端接 P0． 4 口，输出端 Q1 接在三极管的基极，继电器线圈作为集电极负载接在集电极和电源之间，继电器线圈两端并联续流二极管，保护三极管集电极端不受损害。

　　当指令为控制设备断开时，Q1 输出低电平，三极管截止，继电器线圈无电流流过，继电器释放; 当指令为控制设备开启时，Q1 输出高电平，三极管饱和导通，继电器线圈有相当的电流流过，从而继电器吸合。

　　2． 3 电源模块

　　电源模块采用两种供电方式: 一是采用 5V 适配器为控制节点供电，5V 输入电源经过 AMS117 3． 3V稳压芯片为 CC2530 提供稳定的 3． 3V 电压。AMS117芯片是低漏失电压调整器，片内过热切断电路提供了过热和过载保护。二是采用外接 12V 电源，通过ILM2596 －5． 0 开关电源芯片，将 12V 电源变为稳定的5V 输出，从而为控制节点供电。LM2596 系列开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，具有很好的线性和负载调节特性，其输出电压具有可调和固定输出两种方式，本系统中固定输出 5V。电源模块电路如图 4 所示。【图4】

　　
　　2． 4 串口通信模块
　　
　　设计中考虑外接设备及系统功能调试的需要，增加串口通信模块，操作人员可现场通过 RS－232 串口接口实现控制节点与外接设备之间的通信，从而可现场向控制节点发送指令，控制 15 路设备的开断。

　　MAX232 芯片是专门为电脑的 RS －232 标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V 电源供电。【图5】

　　
　　2． 5 无线控制节点软件设计
　　
　　无线控制节点主要完成信息无线传输以及设备控制功能，软件流程如图 6 所示。【图6】

　　3 控制分发节点

　　控制分发节点主要由 ZigBee 协调器和 GPRS 模块组成，通过 RS－232 串口连接。
　　
　　3． 1 ZigBee 协调器
　　
　　ZigBee 协调器是网络组织的管理者，负责整个网络的建立，子节点信息的存储和汇集，系统运行过程中，控制指令的下发也经由他下达到各个子节点。它和各个子节点之间以 ZigBee 无线技术进行通讯。协调器软件流程如图 7 所示。【图7.略】

　　3． 2 GPRS 模块
　　
　　GPRS 模块完成 ZigBee 协调器与基地管理平台之间的数据交换，选用 WG－8010－232 GPRS DTU，其内置工业级 GPRS 无线模块，提供标准 RS232 数据接口，可连接 RTU、PLC 及工控机等设备。

　　4 基地管理平台设计

　　基地管理平台实现信息集中处理，包括控制指令的下发和所有无线控制节点数据的汇集、分析、存储和管理，从而实现整个基地控制设备的远程控制。本文开发了基于 B/S 架构的管理平台，为温室管理人员提供了直观、图像化的人机界面，便于用户进行远程控制。

　　温室管理平台支持用户对每个温室设备进行远程调控，用户选择需要调控设备后，设定控制命令参数，从而在管理室手动发送控制指令，控制指定设备。数据管理和设备管理功能完成设备运行状态、参数，控制设备状态信息的汇聚、分析和显示。

　　5 系统部署与验证

　　本系统于 2013 年 7 月在西北农林科技大学南校区 C10 号玻璃温室进行运行测试。该温室南北走向，宽 4m、东西长 7． 5m、檐高 4m、顶高 4． 8m，东西两侧装有风机和湿帘，顶部装有遮阳帘，开设天窗，另配有加热器、滴灌等控制设备。图 9 为部署在温室中的无线控制节点。其中，1 号控制端口连接天窗控制器、2 号端口连接湿帘控制器、3 号端口连接风扇控制器、4 号端口连接加热器控制器、5 号端口连接内遮阴控制器等。测试过程中，通过在基地管理平台手动发送设备开启控制指令，控制界面如图 10 所示。当设备支持程度控制时，可输入控制强度参数，10min 后发送设备关闭指令，验证命令是否正确执行。以上过程重复操作 50 次，全部成功。系统已持续运行 2 个月，发送控制指令 171 条，与现场控制柜管理的玻璃温室相比，管理效率提高 15% 以上。由此表明，基地管理平台可有效远程控制温室内加热器、风扇、内遮阴、湿帘、天窗等设备的启闭，从而调节温室环境因子。【图8.图9略.图10】

　　
　　6 结论

　　针对玻璃温室采用模块化设计，以 CC2530 为核心开发无线控制节点，以控制分发节点实现基地管理平台和无线控制节点之间的信息交互，基于 B/S 架构开发了温室管理软件。试验表明，设备运行功能正常，可在管理室远程调节多个温室内环境，提高设施基地管理效率 15% 以上，降低了劳动强度，具有广泛的应用前景。

　　参考文献:

　　［1］ 冯广和． 谈谈玻璃温室［J］． 山西农机，2000( 6) : 34．
　　［2］ 乔晓军，沈佐锐，陈青云，等． 农业设施环境监控系统的设计与实现［J］． 农业工程学报，2000，16( 3) : 77－80．
　　［3］ 王风云，朱建华，赵一民，等． 设施农业环境网络扩展［J］． 农业工程学报，2004，20( 1) : 246－249．
　　［4］ 张佐经，张海辉，翟长远，等． 设施农业环境因子无线监测及预警系统设计［J］． 农机化研究，2010，32( 11) : 78－82．
　　［5］ 张英，徐晓红，田子玉． 我国设施农业的现状、问题及发展对策［J］． 现代农业科技，2008( 12) : 83－85．