基于Zigbee 和组态软件的草莓温室大棚远程监控系统的研究与实现

孙昌权，刘永华，黄 锋

（江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400）

0 引 言

草莓温室大棚种植技术可以使草莓在不适合生长的季节里生长，减弱季节天气变化对草莓生长的影响，使草莓部分或完全脱离对自然环境的依赖，提高产量，从而实现草莓增产、农民增收。目前大多数温室环境监控系统，其开发过程一般是先由用户向系统设计人员描述温室农业生产过程，提出自己的需求，系统设计人员从中提取有关的信息，并建立自己的数学模型，直至编码生成最终的监控系统。这个过程一般比较漫长,需要付出大量的财力、人力和时间，而且用户一旦提出更改要求，系统所进行的完善性维护和适应性维护，都是上述过程的重复。因此，为了减少开发时间和降低开发成本，就必须优化开发过程。

组态软件的应用省去了许多中间环节，监控系统的开发过程变为由用户向计算机描述农业现场情况，提出自己的要求，计算机根据这些内部描述直接生成实际的面向特定温室对象的监控系统。组态系统通过优化开发过程，使用户能以尽量少的投入获得一个比较完善的、易维护的温室监控系统，从而促进温室监控系统的推广应用。

本文在草莓温室大棚生产中引入基于ZigBee的无线传感器网络技术，建立温室的无线网络监控系统，实现草莓温室大棚内温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度等环境因素实时采集、无线传输以及温室执行机构的远程控制，对于提高草莓高效、优质生产以及实现生产的可持续发展具有重要意义。

1 系统整体方案设计

该项目具体实施地点为江苏省农博园草莓种植基地，该基地由现代玻璃温室大棚和塑料薄膜连栋大棚共同组成，总占地面积5000 m2。整个大棚需要实现智能化控制功能和远程监控功能。根据温、光、水、气等环境参数的变化，可以自动或手动对风机、湿帘、天窗等执行机构进行控制，营造草莓生长的最佳环境。远程监控功能在有网络的任何地方能通过手机或计算机实现对大棚内的温度、湿度、光照、CO2等环境因子进行远程智能化监测和控制，同时通过远程监控系统可以了解大棚内草莓生长的具体情况，实现在任何地方都能掌握草莓生长的情况并进行合理的控制。

草莓温室大棚监控系统主要起到的是监视和控制的作用，通过Zigbee 无线传感器采集系统将温度、湿度、CO2浓度、光照强度的信息传输到工控机上的组态软件，工控机根据环境参数和控制方案控制执行部件动作，系统自动采集执行机构运行状况，对异常情况进行报警。系统主要实现的功能有：实时检测草莓大棚中的温度、湿度、CO2浓度、光照强度参数；实时显示温室执行部件的状态；在线设定温度、湿度等参数的上限下限值以及设备执行的延迟时间；各参数的实时趋势曲线、历史趋势曲线；实时数据库、历史数据报表的查询和打印功能；具有用户管理功能，不同操作人员有各自账号密码，有不同操作权限；自动控制功能，PLC 输出控制信号控制执行部件，使环境参数在用户所设区间内；故障报警功能，当数据出错，执行部件状态显示出错时故障报警。

系统采用安装ForceControl V6.1 组态软件的工控机作为上位机，通过Modbus 通信协议与Zigbee数据采集系统通讯，采集温室当前环境参数，通过RS485 串行通信接口与下位机PLC 进行通信，进而根据控制决策通过输出接口对执行机构进行过程控制。系统还具有手动/自动的切换功能，当需要时直接通过手动开关控制执行机构，使系统具有高可靠性。通过系统结构可知，需要用到基于Zigbee 的温度、湿度、CO2浓度、光照强度4 种无线传感器，并设计Zigbee的智能无线网关，通过MODBUS 通信协议与上位机进行通信；上位机与PLC 通讯，通过PLC控制继电器接触器，进而控制执行机构；通过三维力控软件开发人机交互界面，对环境参数和执行机构状态进行显示，进行自动控制等。总结起来需要用到得技术有Zigbee传感器节点和网关电路设计、三维力控组态界面的开发。系统方案如图2 所示。

2 系统硬件设计

2.1 Zigbee 无线网关硬件设计

Zigbee 无线网关节点既充当Zigbee 网络拓扑的接入点设备，同时又起到连接无线传感器网络和外部网络的作用。因此，网关节点主要由LPC1114 微控制器、无线通信模块（SZ05-STD Zigbee无线串口通信模块）、以太网通信模块及外围电路等组成。硬件结构如图1 所示。

图1 网关硬件结构框图以太网接入模块负责网关节点与控制中心连接通信，无线通信模块负责无线网络建立以及数据传输，JTAG 接口和USART 接口用于网关调试软件。设计的Zigbee 无线网关实物如图3 所示。

2.2 SZ05-STD Zigbee 无线串口通信模块原理图设计

根据系统硬件设计方案，设计无线传感器网关模块和各环境参数采集节点的硬件，以实现通过射频信号的收发来进行各环境参数的采集、无线传输和汇聚于上位机的功能。

在无线传感器系统中，本设计选用的是上海顺舟智能科技股份有限公司的SZ05-STD Zigbee 无线串口通信模块，如图4 所示。该模块采用了加强型的Zigbee 无线技术，集成了符合Zigbee 协议的射频收发器和微处理器，符合工业标准应用的无线数据通信设备，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性。SZ05-STD Zigbee 无线串口通信模块与LPC1114 微控制器连接如图5 所示。

2.3 以太网通讯模块设计

RS232/RS485 转以太网模块式使TCP 网络数据包或UDP 数据包与RS232 或RS485 接口实现透明传输。如图6 所示。

3 组态软件设计

在三维力控组态软件中完成设备通信和I/O 数据库的创建后，根据系统的需求在组态软件中进行监控界面的开发，组态软件的监控界面是人机交互的重要媒介。力控软件为界面的开发提供了各种各样的组件和非常丰富的图库，使界面的开发变得方便快捷，而且开发出的界面丰富多彩。

在组态监控界面中，主要包括用户管理、自动控制、手动控制、历史参数、趋势曲线、设备状态、故障报警、时间监控以及传感器参数采集等功能。

3.1 用户管理

在用户管理的界面中，有登录、注销、修改用户密码、添加用户和进入系统5个按键，并在该界面中可以显示用户名和用户等级，如图7 所示。

用户管理脚本语言。

3.2 环境参数显示与设定功能

环境监控画面显示通过Zigbee 无线传感器采集的环境参数当前值，还可以显示执行部件的当前状态，如图8 所示。

3.3 自动控制

自动控制界面中可以观察到各设备的运行状态和传感器传回的参数，在该界面中还放置了手/自动控制旋钮，可实现手/自动的切换，界面如图9 所示。

4 系统调试运行

4.1 Zigbee 无线网关与传感器通讯测试

设置虚拟串口号为COM1，工具软件的端口号也设置成COM1。此时通过“单次”、“循环”即读取相应无线设备的数据。当整个系统有几个无线传感器时，可以通过循环读取地址的方式来查询当前设备地址，从而通过无线网关将Zigbee 无线传感器参数采集上来，采集效果如图10 所示。经测试，该系统采集的环境参数值准确，工作性能稳定，具有较强的可靠性。

4.2 应用效果测试

通过上述功能测试，本系统能够对用户进行管理，提高系统的安全性。基本功能中环境参数显示正常，使操作人员能够直观的感受到环境的变化情况，在自动控制的辅助下，将温室中温度、湿度、CO2浓度、光照度等环境参数控制在设定的范围内，手动控制可以通过界面中的模拟开关对执行机构进行控制。在历史参数界面中可以看到环境参数的历史变化，并且可以进行查询、打印和导出等操作，在故障报警界面中可以查询到历史故障，并能够显示故障原因。

系统总体运行稳定，人机交互界面简洁明了，操作难度低，能够达到用户要求。现场效果图如图11和图12 所示。