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基于ZigBee网络的温室大棚环境监测系统设计（2）

基于ZigBee网络的温室大棚环境监测系统设计
【主题词】单片机、ZigBee协议-CC2240芯片、无线接收与发
送、农业环境监测
【立论（包括项目的研究意义及国内外现状分析）】
【项目的研究意义】
信息技术是研究信息的生产、采集、存储、变换、传递、处理过
程及广泛利用的新兴科技领域。信息技术的突破性进展将为农业科技
革命和农业飞跃发展带来契机。20世纪90年代初以来发达国家将电
子信息高新技术应用于农业可持续发展。农作物的生长受到自然条件
的影响，如光照、CO
2浓度等，要实现精准农业，必须建立一个实用、可靠、可长期监
测的农业环境监测系统。
在农业领域里，数据采集大多数是在广阔的空间里进行的，数据
源离目的地相对较远。无线传感器网络由低功耗微小网络节点通过自
组织方式构成无线通信网络，它不需要固定的通信基础架构支持，能
够通过密集的节点布置，协作实时监测和采集网络分布区域内的各种
微观农业环境信息，整个网络则负责将各个节点收集的数据传递给一
个称为汇聚节点的网关，由网关交给终端用户，后者既可以对接收的
数据进行分析处理，也可以通过发送指令去改变传感器的行为。因此，
为顺应农业现代化的发展趋势，本小组设计了基于无线传感器网络的
农业环境监测系统，实现了农业目标测量区内信息采集节点的自动部
署、数据自组织传输，实现了对影响作物产量的环境因素，包括温湿
度、土壤温湿度、土壤PH值、光照强度以及温室CO
2浓度的远程、实时监测。
【国内外现状分析】
在世界农业信息化发展进程中，美国、德国、法国、澳大利亚和
日本等国处于领先地位，印度、韩国等发展中国家虽然起步较晚，但
发展速度很快，这些国家根据本国的实际情况因地制宜地开展农业信
息化建设，并形成了自己的特色。
在国内已建成农业科研项目计算机管理系统（ARICMS），中国
农业文献数据库，中国农业科技成果库，中国农业研究项目数据库，
农业实用技术数据库等。使农户只要有一台微机终端，通过网络就能
够及时获得农业法规、农业政策、市场行情、产品销售等信息，合理
地进行农资购置与产品销售，促进农村市场繁荣和经济增长。由于遥
感与地理信息技术能及时准确地获取有关信息，已广泛应用于信息采
集和信息处理，实现灾前预警、灾情监控、灾后评估。目前我国主要
用于洪灾、作物病虫灾害、旱灾、土地荒芜沙化监测、森林火灾等。
【研究方案（包括主要研究内容、研究方法和技术路线，拟解决
的关键问题及预期进展、研究成果等）】
【研究内容】
针对当前温室大棚环境监测的需求，设计了将ZigBee无线传感器
网络(WSN)与GPRS相结合的智能农业环境监测系统。智能农业控制
通过各种传感器实时采集农业大棚内温度、湿度信号以及光照、土壤
温度、土壤水分等环境参数，通过ZigBee无线网络对信息进行处理、
接收与发送并输入终端显示，达到自动开启或者关闭指定设备。可以
根据用户需求，随时进行处理，为农业生态信息自动监测、对设施进
行自动控制和智能化管理提供科学依据。初步测试结果验证了该系统
的合理性与实用性。
【研究方法】
系统体系架构：右图所示为农业环境监测系统结构图；
传感信息采集：由于农业环境监测的区域大且分散，本项目采用
对等式节点拓扑布置方法，在较集中的监测区域布置传感器网络，然
后通过网关与监测
中心进行通信。数据采集系统主要负责24小时采集
温室内温度、湿度、光照、土壤温度、土壤湿度、
CO
2浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数。
无线传输设备：网络节点包括协调器节点和终
端节点，协调器将传感器周期性采集到的信息以多
跳路由的方式将数据发送至汇聚节点，汇聚节点位
于传感器网络边缘，实现传感器网络与GPRS网络的
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互连互通。
信息处理与终端显示：农业环境监测管理平台收集的各节点传感
器数据进行处理并显示给用户，同时根据用户的需求将数据保存到相
应的数据库中，以备查询。
【技术路线】
硬件实现：
1)传感器板：负责大棚内部环境参数的采集和信号处理的执行，
传感器板上主要包括空气温湿度、土壤温湿度、土壤PH值、光照强度
及温室CO
2浓度传感器，这些传感器均可以选择性地配置在传感器上。
2)ZigBee网络节点：分为协调器，终端节点，路由节点。协调器
主要协调建：立网络；终端节点与传感器板相连，负责将采集到的传
感器信息发送网络；路由节点主要用于信息的转发。
3)GPRS模块：GPRS模块采用WAVECOM的Q2403模块，该模
块通过串口线与无线传感器网络的协调器节点连接，从而实现WSN网
内数据的远距离传输。
软件实现：
4)无线传感器网络节点的工作分为两个阶段：组建网络阶段和数
据收发阶段。组网之前协调器和精简功能设备(RFD)已经配置好各自的