基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無(wú)線(xiàn)監控系統研究

隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，農業(yè)自動(dòng)化和數字化也勢在必行。大棚種植作為農業(yè)現代化的典型技術(shù)，其應用日益普遍。而大棚內部的溫濕度對農作物的生長(cháng)密切相關(guān)，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(yè)現代自動(dòng)化、數字化的關(guān)注熱點(diǎn)之一?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/ZigBee技術(shù)">ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無(wú)線(xiàn)監控系統具有低功耗、低成本、自組網(wǎng)等特點(diǎn)。滿(mǎn)足大棚溫濕度監控系統的需求，能夠對大棚內的溫濕度進(jìn)行自動(dòng)監測和控制，實(shí)現了真正意義上的自動(dòng)化、數字化和網(wǎng)絡(luò )化。隨著(zhù)農業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的農業(yè)數字化系統將有廣闊的應用前景。

1 大棚溫濕度無(wú)線(xiàn)監控系統的總體設計

大棚溫濕度無(wú)線(xiàn)監控系統主要由監控中心PC、ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )采用星形網(wǎng)絡(luò )，由一個(gè)ZigBee協(xié)調器和若干個(gè)ZigBee終端組成;傳感器使用單總線(xiàn)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(jìn)出風(fēng)單元等。

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee終端節點(diǎn)的硬件設計

ZigBee終端節點(diǎn)由溫濕度傳感器、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊(CC2530)、加熱器、制冷器、加濕器和進(jìn)出風(fēng)設備組成。ZigBee終端節點(diǎn)主要實(shí)現兩個(gè)功能。第一個(gè)功能是自動(dòng)采集大棚內的節點(diǎn)溫濕度并將溫濕度轉化為ZigBee數據包周期性地通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)的模式由ZigBee終端節點(diǎn)點(diǎn)播發(fā)送到ZigBee協(xié)調器節點(diǎn);第二個(gè)功能是根據ZigBee協(xié)調器廣播模式發(fā)送來(lái)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(jìn)出風(fēng)設備進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制和調節。

2.2 ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)的硬件設計

ZigBee協(xié)調器采用CC2530，此節點(diǎn)實(shí)質(zhì)上充當一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。它不斷地接收從ZigBee終端節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的溫濕度數據，然后通過(guò)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(fā)給監控中心PC。監控中心PC實(shí)時(shí)直觀(guān)地將溫濕度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)描畫(huà)出來(lái);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(guò)UART串口將給定的溫濕度值發(fā)送到ZigBee協(xié)調器。ZigBee協(xié)調器通過(guò)廣播模式將溫濕度值發(fā)送給每一個(gè)在它網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍的ZigBee終端節點(diǎn);與此同時(shí)，ZigBee協(xié)調器還與一個(gè)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(guò)廣播模式將這個(gè)數據發(fā)送給各個(gè)ZigBee終端節點(diǎn)。監控中心PC、ZigBee協(xié)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(diǎn)與協(xié)調器軟件設計

ZigBee終端節點(diǎn)和協(xié)調器節點(diǎn)軟件的設計是基于CC2530無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、ZigBee2007/PRO協(xié)議棧以及IAREmbedded Workbench集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境上開(kāi)發(fā)的。在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中存在3種邏輯設備類(lèi)型：Coordinator(協(xié)調器)、Router(路由器)和End—Device(終端設備)。每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )中有且僅有一個(gè)協(xié)調器，首先由協(xié)調器創(chuàng )建一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，再接受終端節點(diǎn)設備申請加入網(wǎng)絡(luò )的請求。終端節點(diǎn)與協(xié)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(jìn)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(cháng)需要，而大棚外部的溫濕度條件符合時(shí)，則通過(guò)開(kāi)啟進(jìn)風(fēng)/出風(fēng)設備使大棚內部的空氣對流換氣來(lái)達到控溫控濕的目的;否則，系統通過(guò)產(chǎn)生脈沖調寬波(PWM)對加熱器、制冷器、加濕器等設備實(shí)現綜合控制，從而對棚內溫濕度進(jìn)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(shí)時(shí)控制加熱加濕的時(shí)間。

PID控制器的輸入輸出關(guān)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(jìn)行計算控制，便于軟件的實(shí)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?？梢缘玫绞?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(jīng)過(guò)反復調整參數并試驗運行，觀(guān)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(gè)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(wú)法在能夠接受的時(shí)間內達到控溫控濕要求或者溫濕度曲線(xiàn)嚴重超調時(shí)，系統發(fā)出報警信號，提醒管理者及時(shí)處理。此外，為了盡量消除加熱、加濕等會(huì )造成大棚內部溫濕度場(chǎng)的不均勻，還須在在大棚內部加一個(gè)氣體循環(huán)風(fēng)機。在控溫控濕的過(guò)程中同時(shí)開(kāi)啟氣體循環(huán)風(fēng)機，使流動(dòng)的空氣帶動(dòng)溫濕度場(chǎng)讓大棚內部形成一個(gè)趨向于均勻的溫濕度場(chǎng)。

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(kāi)發(fā)工具。Visual C++6.0提供了實(shí)現串口通信的許多方法，其中Microsoft公司提供的簡(jiǎn)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(guò)串口收發(fā)數據的簡(jiǎn)便方法。監控PC管理系統采用圖形化的操作方式，用戶(hù)可以根據溫濕度曲線(xiàn)、歷史數據查詢(xún)和超限報警等及時(shí)了解監控大棚內部的溫濕度，并且能夠實(shí)時(shí)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(shù)的大棚溫濕度無(wú)線(xiàn)監控系統的可行性，搭建了模擬大棚實(shí)驗系統。模擬大棚監控系統主要由監控PC機、系統協(xié)調器、兩個(gè)ZigBee終端節點(diǎn)、以及加濕器、加熱器、制冷器和進(jìn)出風(fēng)設備等執行機構組成。在模擬大棚里布置了兩個(gè)單總線(xiàn)溫濕度傳感器節點(diǎn)(DHT11)，對大棚內部的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測;兩個(gè)ZigBee終端節點(diǎn)根據實(shí)時(shí)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(jìn)行調節?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/ZigBee技術(shù)">ZigBee技術(shù)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(shí)驗系統的基礎上，對系統進(jìn)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(diǎn)單獨工作，測試系統溫濕度階躍響應;3)各節點(diǎn)同時(shí)工作，對溫濕度進(jìn)行PID協(xié)調控制調節以驗證整個(gè)系統的調控效果;4)監控系統的抗擾動(dòng)測試。

4.2 測試數據與分析

圖6(a)、圖6(b)為當各節點(diǎn)單獨工作時(shí)，在室溫下施加一個(gè)階躍給定，大棚內部的溫濕度響應曲線(xiàn)。關(guān)閉制冷器、加濕器和進(jìn)風(fēng)排風(fēng)風(fēng)扇，讓加熱管單獨工作，ZigBee終端節點(diǎn)對大棚內部的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在監控PC管理系統上實(shí)時(shí)地顯示溫濕度數據，并且自動(dòng)繪制溫濕度歷史曲線(xiàn)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，溫度由室溫穩定在60℃左右。升溫響應曲線(xiàn)如圖6(a)所示。關(guān)閉加熱管、制冷器和進(jìn)風(fēng)排風(fēng)風(fēng)扇，單獨開(kāi)啟加濕器，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，大棚內濕度達到飽和。加濕響應曲線(xiàn)如圖6(b)所示。

測試了監控PC管理系統、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信和控溫控濕設備的工作狀態(tài)之后，為了檢驗整個(gè)系統PID控制算法的控溫控濕效果，需要對溫濕度同時(shí)進(jìn)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(jìn)行PID算法控制，控制過(guò)程響應如圖7所示。從圖中可以看出，溫濕度響應曲線(xiàn)都有一定超調產(chǎn)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(huì )隨著(zhù)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(shí)外部環(huán)境都會(huì )對大棚內部的溫濕度造成一定影響。例如一場(chǎng)突降的大雨有可能會(huì )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(dòng)，達到較理想的控制狀態(tài)，測試中人為給大棚內部一個(gè)突然的溫濕度擾動(dòng)。系統溫濕度控制調節抗擾動(dòng)響應曲線(xiàn)如圖8所示。從大棚溫濕度抗擾動(dòng)響應曲線(xiàn)圖可知，不論突然的升溫還是降溫擾動(dòng)施加于系統，在監控系統PID控制作用下，經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間后，棚內溫度和濕度都能夠逐漸恢復到期望的穩定狀態(tài)，收到了較好的控制效果。

即使已經(jīng)均勻地布置傳感器節點(diǎn)和加濕加熱設備的位置，局部加熱、加濕也會(huì )造成大棚內部溫濕度場(chǎng)的不均勻，所以在圖7～圖8中可以看出，不同節點(diǎn)的溫濕度曲線(xiàn)并沒(méi)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(shù)的大棚溫濕度無(wú)線(xiàn)監控系統由監控PC管理系統、ZigBee CC2530無(wú)線(xiàn)通信模塊、協(xié)調器、以及加熱、制冷、通風(fēng)等執行機構組成，采用Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)平臺，設計和實(shí)現了上位機PC與下位機CC2530的串口通信、溫濕度實(shí)時(shí)采集及數據存儲、歷史曲線(xiàn)繪制、以及大棚內溫濕度PID自動(dòng)控制調節，包括對大棚內環(huán)境的升溫、降溫、加濕、除濕及換氣的多功能綜合控制。實(shí)驗表明，基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無(wú)線(xiàn)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(dòng)性強，系統運行穩定，操作簡(jiǎn)單可行，造價(jià)成本低，具有非常廣闊的應用前景。