基于ZigBee技術的大棚溫濕度無線監控系統研究

隨著現代科學技術的不斷發展，農業自動化和數字化也勢在必行。大棚種植作為農業現代化的典型技術，其應用日益普遍。而大棚內部的溫濕度對農作物的生長密切相關，因此對大棚內溫濕度數據的監控就顯得非常重要。大棚溫濕度監測與控制是農業現代自動化、數字化的關注熱點之一。基于ZigBee技術的大棚溫濕度無線監控系統具有低功耗、低成本、自組網等特點。滿足大棚溫濕度監控系統的需求，能夠對大棚內的溫濕度進行自動監測和控制，實現了真正意義上的自動化、數字化和網絡化。隨著農業科學技術的發展，基于無線傳感網絡的農業數字化系統將有廣闊的應用前景。

1 大棚溫濕度無線監控系統的總體設計

大棚溫濕度無線監控系統主要由監控中心PC、ZigBee無線網絡、傳感器和控溫控濕執行機構組成，其總體框圖如圖1所示。其中ZigBee無線網絡采用星形網絡，由一個ZigBee協調器和若干個ZigBee終端組成;傳感器使用單總線接口的單片全校準數字式相對濕度和溫度傳感器DHT11，控溫控濕執行機構包括加熱單元、制冷單元、加濕單元和進出風單元等。

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee終端節點的硬件設計

ZigBee終端節點由溫濕度傳感器、ZigBee無線通信模塊(CC2530)、加熱器、制冷器、加濕器和進出風設備組成。ZigBee終端節點主要實現兩個功能。第一個功能是自動采集大棚內的節點溫濕度并將溫濕度轉化為ZigBee數據包周期性地通過點對點的模式由ZigBee終端節點點播發送到ZigBee協調器節點;第二個功能是根據ZigBee協調器廣播模式發送來的大棚內部給定溫濕度范圍和大棚外部的溫濕度值，對加熱器、制冷器、加濕器和進出風設備進行實時的自動控制和調節。

2.2 ZigBee協調器節點的硬件設計

ZigBee協調器采用CC2530，此節點實質上充當一個無線收發器。它不斷地接收從ZigBee終端節點發送過來的溫濕度數據，然后通過UART串口與監控中心PC連接，把接收到的大棚溫濕度數據轉發給監控中心PC。監控中心PC實時直觀地將溫濕度隨時間的變化曲線描畫出來;在監控中心PC的管理系統上可以設定大棚內部溫濕度值，通過UART串口將給定的溫濕度值發送到ZigBee協調器。ZigBee協調器通過廣播模式將溫濕度值發送給每一個在它網絡覆蓋范圍的ZigBee終端節點;與此同時，ZigBee協調器還與一個溫濕度傳感器相連接，周期地采集大棚外部溫濕度數據，同樣通過廣播模式將這個數據發送給各個ZigBee終端節點。監控中心PC、ZigBee協調器和ZigBee終端信息交互傳輸框圖如圖2所示。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee終端節點與協調器軟件設計

ZigBee終端節點和協調器節點軟件的設計是基于CC2530無線收發模塊、ZigBee2007/PRO協議棧以及IAREmbedded Workbench集成的開發環境上開發的。在ZigBee網絡中存在3種邏輯設備類型：Coordinator(協調器)、Router(路由器)和End—Device(終端設備)。每一個ZigBee網絡中有且僅有一個協調器，首先由協調器創建一個網絡，再接受終端節點設備申請加入網絡的請求。終端節點與協調器的程序設計流程圖分別如圖3和4所示。

3.2 溫濕度控制算法

本系統的控制對象為溫度和濕度。為了達到節能的效果，系統除了采集大棚內部溫濕度外，還對大棚外部的溫濕度進行采集，對比大棚內外部的溫濕度后再決定如何綜合控溫度和濕度。當大棚內部的溫濕度不符合大棚內部植物的生長需要，而大棚外部的溫濕度條件符合時，則通過開啟進風/出風設備使大棚內部的空氣對流換氣來達到控溫控濕的目的;否則，系統通過產生脈沖調寬波(PWM)對加熱器、制冷器、加濕器等設備實現綜合控制，從而對棚內溫濕度進行控制和調節。系統采用PID控制算法，將控制信息轉化成PWM輸出，改變PWM波的占空比，實時控制加熱加濕的時間。

PID控制器的輸入輸出關系為：

式中u(t)為控制器的輸出信號，e(t)為溫濕度的偏差信號，Kp為比例系數，KI為幾分增益，KD為微分增益。

為了使于控制器能對式(1)進行計算控制，便于軟件的實現，須將式(1)中的連續微分方程轉化為離散的差分方程。將式(1)中的積分項離散化，采用累加和的形式，并將微分項離散化，采用一階后項差分。可以得到式(1)的位置式離散PID表達式：

根據溫度的控制范圍(20～75℃)，濕度的控制范圍(20%RH～95%RH)，把控制器輸出信號u(t)與輸出PWM范圍(0～99)對應。根據PID參數整定方法，去調節Kp、KI、KD的值，直至獲得溫濕度最好的控制效果。經過反復調整參數并試驗運行，觀察控制效果，最終確定溫度控制器PID控制算法系數Kp1、KI1、KD1的值為4.02、2.8和1.23，濕度控制器PID算法系數Kp2、KI2、KD2的值為5.94、5.96和1.48。算法中還加入一個系統溫濕度超調機制，為了預防在某種特殊的季節和光照度下，造成控溫控濕設備無法在能夠接受的時間內達到控溫控濕要求或者溫濕度曲線嚴重超調時，系統發出報警信號，提醒管理者及時處理。此外，為了盡量消除加熱、加濕等會造成大棚內部溫濕度場的不均勻，還須在在大棚內部加一個氣體循環風機。在控溫控濕的過程中同時開啟氣體循環風機，使流動的空氣帶動溫濕度場讓大棚內部形成一個趨向于均勻的溫濕度場。

3.3 監控PC管理系統軟件設計

監控PC管理系統采用Visual C++6.0作為開發工具。Visual C++6.0提供了實現串口通信的許多方法，其中Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的Activre控件MSComm控件為應用程序提供了通過串口收發數據的簡便方法。監控PC管理系統采用圖形化的操作方式，用戶可以根據溫濕度曲線、歷史數據查詢和超限報警等及時了解監控大棚內部的溫濕度，并且能夠實時改變大棚內溫濕度的設定值。

4 系統測試及數據分析

為了驗證基于ZigBee技術的大棚溫濕度無線監控系統的可行性，搭建了模擬大棚實驗系統。模擬大棚監控系統主要由監控PC機、系統協調器、兩個ZigBee終端節點、以及加濕器、加熱器、制冷器和進出風設備等執行機構組成。在模擬大棚里布置了兩個單總線溫濕度傳感器節點(DHT11)，對大棚內部的溫濕度進行實時檢測;兩個ZigBee終端節點根據實時檢測的溫濕度值以及系統給定的溫濕度值獨立控制各自的執行機構對棚內溫濕度進行調節。基于ZigBee技術的模擬大棚內傳感器和執行機構位置如圖5所示。

4.1 系統測試

在搭建模擬大棚實驗系統的基礎上，對系統進行了各種測試：包括1)監控PC通信管理、數據管理和越限報警測試;2)各節點單獨工作，測試系統溫濕度階躍響應;3)各節點同時工作，對溫濕度進行PID協調控制調節以驗證整個系統的調控效果;4)監控系統的抗擾動測試。

4.2 測試數據與分析

圖6(a)、圖6(b)為當各節點單獨工作時，在室溫下施加一個階躍給定，大棚內部的溫濕度響應曲線。關閉制冷器、加濕器和進風排風風扇，讓加熱管單獨工作，ZigBee終端節點對大棚內部的溫濕度進行實時采集，在監控PC管理系統上實時地顯示溫濕度數據，并且自動繪制溫濕度歷史曲線。經過一段時間后，溫度由室溫穩定在60℃左右。升溫響應曲線如圖6(a)所示。關閉加熱管、制冷器和進風排風風扇，單獨開啟加濕器，經過一段時間后，大棚內濕度達到飽和。加濕響應曲線如圖6(b)所示。

測試了監控PC管理系統、ZigBee無線通信和控溫控濕設備的工作狀態之后，為了檢驗整個系統PID控制算法的控溫控濕效果，需要對溫濕度同時進行PID控制和調節。把給定溫度和濕度分別設定為32℃和62.5%RH，對加熱控制器和加濕控制器分別進行PID算法控制，控制過程響應如圖7所示。從圖中可以看出，溫濕度響應曲線都有一定超調產生，但能較快達到設定值，并且可以消除系統靜差，獲得較好的控制效果。

大棚內部的溫濕度會隨著大棚外部氣候變化而改變。一年春夏秋冬的氣候變化，和一天24小時外部環境都會對大棚內部的溫濕度造成一定影響。例如一場突降的大雨有可能會導致大棚內部濕度的驟然上升和溫度的驟然下降。為了驗證本監控系統PID控制算法能否克服這樣的溫濕度擾動，達到較理想的控制狀態，測試中人為給大棚內部一個突然的溫濕度擾動。系統溫濕度控制調節抗擾動響應曲線如圖8所示。從大棚溫濕度抗擾動響應曲線圖可知，不論突然的升溫還是降溫擾動施加于系統，在監控系統PID控制作用下，經過一小段時間后，棚內溫度和濕度都能夠逐漸恢復到期望的穩定狀態，收到了較好的控制效果。

即使已經均勻地布置傳感器節點和加濕加熱設備的位置，局部加熱、加濕也會造成大棚內部溫濕度場的不均勻，所以在圖7～圖8中可以看出，不同節點的溫濕度曲線并沒有完全重疊，但溫濕度的變化趨勢是一致的。本監控系統PID控制算法也能夠達到良好的溫控濕控效果。

5 結論

基于ZigBee技術的大棚溫濕度無線監控系統由監控PC管理系統、ZigBee CC2530無線通信模塊、協調器、以及加熱、制冷、通風等執行機構組成，采用Visual C++6.0作為開發平臺，設計和實現了上位機PC與下位機CC2530的串口通信、溫濕度實時采集及數據存儲、歷史曲線繪制、以及大棚內溫濕度PID自動控制調節，包括對大棚內環境的升溫、降溫、加濕、除濕及換氣的多功能綜合控制。實驗表明，基于ZigBee技術的大棚溫濕度無線監控系統，采用PID控制算法可以較快地達到控溫控濕效果，抗溫濕度擾動性強，系統運行穩定，操作簡單可行，造價成本低，具有非常廣闊的應用前景。