基于ZigBee技术的大棚温湿度无线监控系统研究

 随着现代科学技术的不断发展，农业自动化和数字化也势在必行。大棚种植作为农业现代化的典型技术，其应用日益普遍。而大棚内部的温湿度对农作物的生长密切相关，因此对大棚内温湿度数据的监控就显得非常重要。大棚温湿度监测与控制是农业现代自动化、数字化的关注热点之一。基于ZigBee技术的大棚温湿度无线监控系统具有低功耗、低成本、自组网等特点。满足大棚温湿度监控系统的需求，能够对大棚内的温湿度进行自动监测和控制，实现了真正意义上的自动化、数字化和网络化。随着农业科学技术的发展，基于无线传感网络的农业数字化系统将有广阔的应用前景。

1 大棚温湿度无线监控系统的总体设计

大棚温湿度无线监控系统主要由监控中心PC、ZigBee无线网络、传感器和控温控湿执行机构组成，其总体框图如图1所示。其中ZigBee无线网络采用星形网络，由一个ZigBee协调器和若干个ZigBee终端组成;传感器使用单总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器DHT11，控温控湿执行机构包括加热单元、制冷单元、加湿单元和进出风单元等。

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee终端节点的硬件设计

ZigBee终端节点由温湿度传感器、ZigBee无线通信模块(CC2530)、加热器、制冷器、加湿器和进出风设备组成。ZigBee终端节点主要实现两个功能。第一个功能是自动采集大棚内的节点温湿度并将温湿度转化为ZigBee数据包周期性地通过点对点的模式由ZigBee终端节点点播发送到ZigBee协调器节点;第二个功能是根据ZigBee协调器广播模式发送来的大棚内部给定温湿度范围和大棚外部的温湿度值，对加热器、制冷器、加湿器和进出风设备进行实时的自动控制和调节。

2.2 ZigBee协调器节点的硬件设计

ZigBee协调器采用CC2530，此节点实质上充当一个无线收发器。它不断地接收从ZigBee终端节点发送过来的温湿度数据，然后通过UART串口与监控中心PC连接，把接收到的大棚温湿度数据转发给监控中心PC。监控中心PC实时直观地将温湿度随时间的变化曲线描画出来;在监控中心PC的管理系统上可以设定大棚内部温湿度值，通过UART串口将给定的温湿度值发送到ZigBee协调器。ZigBee协调器通过广播模式将温湿度值发送给每一个在它网络覆盖范围的ZigBee终端节点;与此同时，ZigBee协调器还与一个温湿度传感器相连接，周期地采集大棚外部温湿度数据，同样通过广播模式将这个数据发送给各个ZigBee终端节点。监控中心PC、ZigBee协调器和ZigBee终端信息交互传输框图如图2所示。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee终端节点与协调器软件设计

ZigBee终端节点和协调器节点软件的设计是基于CC2530无线收发模块、ZigBee2007/PRO协议栈以及IAREmbedded Workbench集成的开发环境上开发的。在ZigBee网络中存在3种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)、Router(路由器)和End—Device(终端设备)。每一个ZigBee网络中有且仅有一个协调器，首先由协调器创建一个网络，再接受终端节点设备申请加入网络的请求。终端节点与协调器的程序设计流程图分别如图3和4所示。

3.2 温湿度控制算法

本系统的控制对象为温度和湿度。为了达到节能的效果，系统除了采集大棚内部温湿度外，还对大棚外部的温湿度进行采集，对比大棚内外部的温湿度后再决定如何综合控温度和湿度。当大棚内部的温湿度不符合大棚内部植物的生长需要，而大棚外部的温湿度条件符合时，则通过开启进风/出风设备使大棚内部的空气对流换气来达到控温控湿的目的;否则，系统通过产生脉冲调宽波(PWM)对加热器、制冷器、加湿器等设备实现综合控制，从而对棚内温湿度进行控制和调节。系统采用PID控制算法，将控制信息转化成PWM输出，改变PWM波的占空比，实时控制加热加湿的时间。

PID控制器的输入输出关系为：

式中u(t)为控制器的输出信号，e(t)为温湿度的偏差信号，Kp为比例系数，KI为几分增益，KD为微分增益。

为了使于控制器能对式(1)进行计算控制，便于软件的实现，须将式(1)中的连续微分方程转化为离散的差分方程。将式(1)中的积分项离散化，采用累加和的形式，并将微分项离散化，采用一阶后项差分。可以得到式(1)的位置式离散PID表达式：

根据温度的控制范围(20～75℃)，湿度的控制范围(20%RH～95%RH)，把控制器输出信号u(t)与输出PWM范围(0～99)对应。根据PID参数整定方法，去调节Kp、KI、KD的值，直至获得温湿度最好的控制效果。经过反复调整参数并试验运行，观察控制效果，最终确定温度控制器PID控制算法系数Kp1、KI1、KD1的值为4.02、2.8和1.23，湿度控制器PID算法系数Kp2、KI2、KD2的值为5.94、5.96和1.48。算法中还加入一个系统温湿度超调机制，为了预防在某种特殊的季节和光照度下，造成控温控湿设备无法在能够接受的时间内达到控温控湿要求或者温湿度曲线严重超调时，系统发出报警信号，提醒管理者及时处理。此外，为了尽量消除加热、加湿等会造成大棚内部温湿度场的不均匀，还须在在大棚内部加一个气体循环风机。在控温控湿的过程中同时开启气体循环风机，使流动的空气带动温湿度场让大棚内部形成一个趋向于均匀的温湿度场。

3.3 监控PC管理系统软件设计

监控PC管理系统采用Visual C++6.0作为开发工具。Visual C++6.0提供了实现串口通信的许多方法，其中Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的Activre控件MSComm控件为应用程序提供了通过串口收发数据的简便方法。监控PC管理系统采用图形化的操作方式，用户可以根据温湿度曲线、历史数据查询和超限报警等及时了解监控大棚内部的温湿度，并且能够实时改变大棚内温湿度的设定值。

4 系统测试及数据分析

为了验证基于ZigBee技术的大棚温湿度无线监控系统的可行性，搭建了模拟大棚实验系统。模拟大棚监控系统主要由监控PC机、系统协调器、两个ZigBee终端节点、以及加湿器、加热器、制冷器和进出风设备等执行机构组成。在模拟大棚里布置了两个单总线温湿度传感器节点(DHT11)，对大棚内部的温湿度进行实时检测;两个ZigBee终端节点根据实时检测的温湿度值以及系统给定的温湿度值独立控制各自的执行机构对棚内温湿度进行调节。基于ZigBee技术的模拟大棚内传感器和执行机构位置如图5所示。

4.1 系统测试

在搭建模拟大棚实验系统的基础上，对系统进行了各种测试：包括1)监控PC通信管理、数据管理和越限报警测试;2)各节点单独工作，测试系统温湿度阶跃响应;3)各节点同时工作，对温湿度进行PID协调控制调节以验证整个系统的调控效果;4)监控系统的抗扰动测试。

4.2 测试数据与分析

图6(a)、图6(b)为当各节点单独工作时，在室温下施加一个阶跃给定，大棚内部的温湿度响应曲线。关闭制冷器、加湿器和进风排风风扇，让加热管单独工作，ZigBee终端节点对大棚内部的温湿度进行实时采集，在监控PC管理系统上实时地显示温湿度数据，并且自动绘制温湿度历史曲线。经过一段时间后，温度由室温稳定在60℃左右。升温响应曲线如图6(a)所示。关闭加热管、制冷器和进风排风风扇，单独开启加湿器，经过一段时间后，大棚内湿度达到饱和。加湿响应曲线如图6(b)所示。

测试了监控PC管理系统、ZigBee无线通信和控温控湿设备的工作状态之后，为了检验整个系统PID控制算法的控温控湿效果，需要对温湿度同时进行PID控制和调节。把给定温度和湿度分别设定为32℃和62.5%RH，对加热控制器和加湿控制器分别进行PID算法控制，控制过程响应如图7所示。从图中可以看出，温湿度响应曲线都有一定超调产生，但能较快达到设定值，并且可以消除系统静差，获得较好的控制效果。

大棚内部的温湿度会随着大棚外部气候变化而改变。一年春夏秋冬的气候变化，和一天24小时外部环境都会对大棚内部的温湿度造成一定影响。例如一场突降的大雨有可能会导致大棚内部湿度的骤然上升和温度的骤然下降。为了验证本监控系统PID控制算法能否克服这样的温湿度扰动，达到较理想的控制状态，测试中人为给大棚内部一个突然的温湿度扰动。系统温湿度控制调节抗扰动响应曲线如图8所示。从大棚温湿度抗扰动响应曲线图可知，不论突然的升温还是降温扰动施加于系统，在监控系统PID控制作用下，经过一小段时间后，棚内温度和湿度都能够逐渐恢复到期望的稳定状态，收到了较好的控制效果。

即使已经均匀地布置传感器节点和加湿加热设备的位置，局部加热、加湿也会造成大棚内部温湿度场的不均匀，所以在图7～图8中可以看出，不同节点的温湿度曲线并没有完全重叠，但温湿度的变化趋势是一致的。本监控系统PID控制算法也能够达到良好的温控湿控效果。

5 结论

基于ZigBee技术的大棚温湿度无线监控系统由监控PC管理系统、ZigBee CC2530无线通信模块、协调器、以及加热、制冷、通风等执行机构组成，采用Visual C++6.0作为开发平台，设计和实现了上位机PC与下位机CC2530的串口通信、温湿度实时采集及数据存储、历史曲线绘制、以及大棚内温湿度PID自动控制调节，包括对大棚内环境的升温、降温、加湿、除湿及换气的多功能综合控制。实验表明，基于ZigBee技术的大棚温湿度无线监控系统，采用PID控制算法可以较快地达到控温控湿效果，抗温湿度扰动性强，系统运行稳定，操作简单可行，造价成本低，具有非常广阔的应用前景。