丁莉，王中生

（1.西安医学院 卫生管理系，陕西 西安 710021；2.西安工业大学 计算机科学与工程学院，陕西 西安 710021）

基于ZigBee的温室监测系统研究与实现

丁莉1，王中生2

（1.西安医学院 卫生管理系，陕西 西安 710021；2.西安工业大学 计算机科学与工程学院，陕西 西安 710021）

基于实时监测温室环境情况的目的，通过传感器采集温室中的温度和湿度，结合ZigBee技术与串口通信技术将所采集的信息传输到监测中心的计算机，设计上位机监测软件，将数据以动态曲线的形式直观地显示在屏幕上。本系统使用VS2008开发监测软件系统，通过ZigBee无线通信模块组件网络并将采集的信息传输给上位机，上位机软件系统对接收到的数据进行分析、处理等操作，并将数据存储在数据库中，实现了环境信息的采集，完成了温室环境的实时监测。

ZigBee；传感器；串口通信；实时显示

当代农业智能化发展迅速，越来越多的种植者将先进的工业技术运用于植物种植当中。ZigBee是一种短距离、低速率的无线数据传输技术[1]。具有自组织、低功耗、工作频段灵活、网络结构灵活、对微控制单元要求较低、数据传输安全可靠等特点，可支持大量节点加入等，适用于环境监测、工业监测、智能公交等多个领域。温室环境的监测，有利于减少人员劳动力，可以更加直观及时地了解被检测区域的环境信息，确保植物在合适的环境进行生存，增加产量。传统的信号传播方式大多采用有限传输，但温室环境温度高、湿度大，对有线信号的影响较大；当用户想增加监测点时，需要对整个监测系统的线路进行改动，成本大、工序复杂。本系统采用无线传输方式，降低了环境对数据传输的干扰，提高了系统的可靠性，增减监测点也变得较为简单。

1 系统总体结构

温室环境监测系统由上位机和下位机两个部分组成，其系统结构如图1所示。下位机系统包括终端节点和协调器，该系统设计有3个终端节点和1个协调器节点。终端节点采集监测区域的环境信息（温度、湿度），通过ZigBee无线网络传输给协调器节点，使用串口通信技术将信息传送到计算机中[2]。设计上位机软件系统将接收到的数据进行分析处理，将温湿度信以曲线的形式进行实时显示，并对数据进行存储，实现数据查询、删除等功能。当温室环境出现异常时，系统则会发出报警提示，以提醒用户尽快进行调整，避免损失。

图1 温室环境监测系统结构图

2 系统硬件设计

下位机终端节点为信息采集节点，采用模块化结构，包括温度传感器、湿度传感器、51单片机和CC2530，如图2所示。温湿度传感器将采集到的数据通过I2C总线传输给51单片机，单片机对该数据进行处理，随后通过RS232总线传输给CC2530，经过分析处理后通过无线网络传输到协调器节点。协调器采用CC2530无线微控制器组建ZigBee网络，ZigBee是一种自组织的无线网络，每个终端节点自动的加入无线网络，进行信息的传输[3]。网络中的每个节点都可以互相通信，所以如果某终端节点无法直接将数据传输到协调器，也可以通过其他节点进行数据中继，进而传输到协调器中。

图2 终端节点结构图

3 系统软件设计

软件采用VB.net语言编写，在 Microsoft Visual Studio 2008开发平台进行编译和调试，使用Access数据库管理接收到的数据。

3.1 串口通信

VS2008中微软将串口操作封装了到 System.IO.Ports.SerialPort里面，可以直接使用SerialPort控件实现串口通信[4]。首先添加串口通信控件，并为其设置相应的控制变量，利用控件类的方法对串口进行端口号，波特率等初始化操作，随后打开串口，当串口有信号进来的时候，触发SerialPort.DataReceived事件，对串口传输上来的数据进行接收。

3.2 数据处理

数据按照规定的帧格式从下位机传输到上位机，系统对数据进行分析和转换等操作[5]。首先使用 SerialPort.BytesToRead（）属性获取数据的字节数，该系统中下位机设计有3个终端节点，所以一组数据的字节数为21，数据格式如图3所示。1个节点的数据包括字头、温度数据、湿度数据和节点号，都是以16进制的形式表示的。定义一个数组变量byteToRead接收串口传输的数据，定义变量bytesRead（十六位有符号整数变量），用来存放接收到的数据。根据数据字头判断数据是否为有效数据，有效则进行数据接收，依次取出温度数据。湿度数据和节点号，再将16进制数据转换成10进制数据后，赋值给相应的的变量，保存到数据库中。

图3 一组数据格式

数据接收转换的实现代码如下：

3.3 数据显示模块

数据显示模块是整个监测系统中最重要的模块，需要将接收到的下位机数据以波动的曲线形式展示给用户。该系统由下位机接收到温度数据和湿度数据，所以需要设计两个坐标轴分别表示温度和湿度，坐标轴纵坐标表示温湿度数值，横坐标表示时间，数据显现界面如图4所示。

图4 数据显示界面

曲线采用画图的方法进行绘制，根据纵坐标数据值和横坐标接收时间确定该点在坐标轴中的位置，采用两点确定一条直线的方法，将连续两个坐标点相连，依次类推，则可以得出连续的曲线。采用Graphics.FromImage方法在Bitmap类封装 的GDI+位图中进行绘画，使用PictureBox控件来显示所绘制的直线[6]。系统的监测界面需要实时显示数据，所以曲线需要不停的动态波动。当坐标轴被画满时，接收新数据时需要舍弃第1个数据，将第2至新数据重新画在坐标轴中，如此类推，每接收一个数据，淘汰最前端的数据，再进行重新画图，刷新，即可形成动态波动的曲线，实现了环境信息的动态显示。刷新坐标轴会出现闪烁现象，为了避免类似情况的发生，曲线的显示控件由两个大小相等的PictureBox重合而成，画曲线时将一个画出的曲线图复制到另一个控件上去，解决了显示区域的闪烁问题。

3.4 报警提示

报警提示分为两部分，第一是声音提示，即有异常数据出现时，系统发出警示音；第二是监测界面铃铛闪动提示，出现异常信息的信息曲线所对应的铃铛开始闪动，提示用户发生报警的是某区域的某环境信息出现了异常，使用户可以准确的判断进行及时的调整。

声音报警调用系统内部的提示音，当判断出数据需要报警时，则运行该线程，系统会发出持续的报警声音。铃铛提示使用ImageList控件预载入两个不同颜色的铃铛图像，添加PictureBox控件加入铃铛图像，建立线程，需要报警时则调用线程，进行两个图片的交替出现，实现了铃铛的闪动。

4 结束语

本文采用ZigBee无线传感器网络构建了一套环境监测系统，通过ZigBee网络的自组织特性组建了下位机网络系统，采用VB.Net语言在VS2008平台上设计实现了上位机软件系统。经过实验测试，系统可以较好地完成信息的采集、传输和显示。温室环境的监测有助于我国农业的发展，具有很高的应用价值。

[1]瞿雷，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007．

[2]吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航天航空大学出版社，2008.

[3]徐世武，王平，黄晞，等.基于ZigBee节点的自组织网络设计[J].电子测量技术，2010（10）:111-114.

[4]王文全.基于SerialPort的串口通信系统实现[J].科技广场，2011（5）：21-23.

[5]王中生，曹梅.基于ZigBee的串口监控软件设计与实现[J]电子设计工程，2011（14）：13-16.

[6]陈苏.利用GDI+技术在 VB.NET中实现快速绘图 [J].科技信息，2008（16）：197-198.

The research and implementation of greenhouse monitoring system based on ZigBee

DING Li1，WANG Zhong-sheng2
（1.Health Services Administration，Xi’an Medical University，Xi’an 710021，China；2.School of Computer Science and Engineering，Xi’an Technology University，Xi’an 710021，China）

Based on the purpose of real-time monitoring of the greenhouse environment situation，using sensors to collect temperature and humidity of greenhouse，Through the ZigBee and serial communication technology to transmit data to monitoring center computer，designing PC monitoring software，the date can intuitively display in Dynamic curve form on the screen.This system use VS2008 monitoring software system development，through the ZigBee wireless communication module to set up networks and transmit information to PC，the PC software system can perform operations of analyzing and processing to the received data，and it will be stored in a database.The system realized the collection of environmental information，and completed the real-time monitoring of greenhouse environment.

ZigBee；sensor；serial communication；real time display

TN925

A

1674－6236（2016）15-0071-02

2015-09-17 稿件编号：201509123

丁莉（1987—），女，山西运城人，硕士研究生，助教。研究方向：物联网技术，传感器网络，系统分析。