1、项目介绍1.1 背景及意义我国是农业大国设施农业是现代农业发展的重要组成部分温室大棚作为设施农业的典型载体能够突破自然气候条件限制实现果蔬、花卉等农作物反季节栽培大幅提升土地产出效率与农产品经济效益。传统温室大棚多依靠人工经验完成环境管理管理人员通过肉眼观察、简易仪表读取温湿度、光照、土壤等环境参数依靠手动开关通风、灌溉、遮阳设备调节棚内环境。这种管理模式存在明显弊端环境参数获取滞后无法实时掌握棚内细微环境变化人工调控主观性强难以维持作物生长所需的最优环境大棚数量增多后人工巡检工作量巨大容易出现漏检、误操作造成作物病害、减产等问题。随着物联网技术快速发展无线传感网络在农业监测领域得到广泛应用。ZigBee作为低功耗、短距离、低成本的无线通信技术具备自组网、多节点接入、功耗低等突出优势非常适合温室大棚这种大面积、多监测点位的场景。将 ZigBee 无线传感网络应用于温室大棚环境监测可实现棚内温湿度、光照强度、土壤湿度、二氧化碳浓度等环境参数的自动采集、无线传输与远程监控替代传统人工巡检模式推动温室大棚向智能化、精细化方向发展。提升环境监测精度与实时性系统可以 24 小时不间断采集大棚内多项环境参数实时反映棚内环境变化解决人工观测滞后的问题为作物生长提供环境数据支撑。降低人工管理成本实现大棚环境自动化监测减少人工巡检工作量降低大棚运营人力成本适合规模化大棚集群使用。辅助作物精细化管理根据采集到的环境数据可判断是否需要开启通风、灌溉、遮阳等设备改善作物生长环境减少病虫害发生提升农产品产量与品质。1.2 实现的功能1、ZigBee无线传感网络的构建采用CC2530单片机搭载板载天线实现三个ZigBee终端节点温室大棚与ZigBee协调器节点温室大棚管理室之间的数据无线通信构建区域ZigBee无线传感网络。2、温湿度监测选用DHT11温湿度传感器实时监测温室大棚环境的空气温度和空气湿度当温度或湿度高于设定阈值的最大值自动打开风扇降温除湿当温度低于阈值最小值自动打开加热片进行加热当温度低于阈值最小值自动打开加湿器进行加湿。3、环境光线监测选用5516光敏电阻传感器实时监测温室大棚环境的光线强度当光线强度超过设定阈值的最大值自动打开照明灯进行补光直到达到阈值最大值关闭。4、二氧化碳浓度监测采用JW-01二氧化碳传感器实时监测温室大棚环境的二氧化碳浓度当二氧化碳浓度高于设定阈值的最大值自动打开风扇通风。5、土壤湿度监测采用YL-69土壤湿度传感器实时监测温室大棚环境的土壤浓度当土壤浓度低于阈值最小值自动打开水泵进行灌溉直到达到阈值最大值关闭。6、PH与EC监测采用R485PHEC二合一传感器实时监测温室大棚环境的PH浓度和EC值当PH或EC未处于阈值范围内蜂鸣器报警提醒并推送消息提醒管理者。7、设定阈值可以通过按键和手机小程序远程设定空气温度、空气湿度、土壤湿度、光线、二氧化碳浓度、PH、EC的阈值。8、数据可视化可以通过OLED显示屏本地实时显示与更新温室大棚实时监测数据。9、远程监测采用WiFi无线通信技术将监测温室大棚检测的温度、湿度、土壤湿度、CO2浓度、光线、PH与EC情况上传腾讯云平台用户可以通过手机端小程序查看温室大棚的监测数据、设定阈值、远程与定时控制设备和接收预警提醒。1.3 硬件选型单片机CC2530F256温湿度传感器DHT11土壤湿度传感器YL-69光线传感器5516二氧化碳传感器JW-01显示屏OLED显示屏土壤PHTDS传感器RS485土壤综合传感器WiFi无线通信模块ESP-01S1.4 开发环境ZigBee开发环境IAR Embedded Workbench云平台腾讯云平台2、总体设计思路及框图该系统采用ZigBee 无线传感网络腾讯云MQTT云平台的云‑边‑端架构整体分为采集终端节点、ZigBee 网关节点、云平台、远程终端四大层级实现大棚环境感知、本地控制、云端上传、远程监控。一、ZigBee 终端节点感知与执行端一共有三类 ZigBee 终端子节点全部使用CC2530单片机作为 ZigBee 射频主控芯片通过 ZigBee 自组网和网关通信。1. ZigBee 环境节点空气环境采集输入传感器温湿度检测模块、二氧化碳检测模块、光照检测模块采集大棚空气环境参数。配套电源供电模块给整个节点供电。功能实时采集空气环境数据通过 ZigBee 无线发送给 ZigBee 网关节点。2. ZigBee 土壤节点土壤参数采集输入传感器土壤湿度检测模块、土壤 PH 检测模块、土壤 EC 检测模块采集土壤墒情、酸碱度、电导率。配套电源供电模块。功能采集土壤各项指标ZigBee 上传至网关。3. ZigBee 控制节点现场执行设备属于接收指令的执行节点接收网关下发的控制命令驱动大棚设备。输出执行设备水泵灌溉、加热、风扇、加湿器、补光灯。配套电源供电模块。功能接收网关发来的控制信号完成灌溉、升温、通风、加湿、补光动作。通信关系环境节点、土壤节点、控制节点全部通过ZigBee 组网和中间的 ZigBee 网关节点进行双向无线通信。二、ZigBee 网关节点同样基于 CC2530 射频模块是整个 ZigBee 网络的协调器承担数据汇聚、本地人机交互、报警、对接云平台的作用。按键控制模块本地按键可以手动下发控制指令直接控制 ZigBee 控制节点也可以设置环境阈值。屏幕显示模块本地 OLED/LCD 屏幕实时展示所有采集到的温湿度、CO₂、光照、土壤等全部监测数据实现本地查看。蜂鸣器报警模块当环境参数超出设定阈值蜂鸣器触发声光报警实现本地异常提醒。WiFi 通信模块网关把 ZigBee 网络收到的所有传感器数据通过 WiFi使用MQTT 协议上传至腾讯云物联网平台同时接收云端下发的远程控制指令转发给 ZigBee 控制节点。数据流方向 传感器节点 → ZigBee 无线 → 网关网关 → WiFi‑MQTT → 腾讯云 腾讯云 → WiFi‑MQTT → 网关网关 → ZigBee → 控制节点。三、腾讯云云端与远程监控终端腾讯云物联网云平台接收网关上传的全部环境数据完成数据存储同时接收电脑、手机端下发的远程控制命令转发回 ZigBee 网关。采用 MQTT 通信协议适合物联网设备接入。电脑端网页 / 上位机软件查看大棚实时环境数据、历史曲线远程下发控制指令。手机端手机 APP随时随地查看大棚环境参数远程控制水泵、风扇、补光灯等设备。四、系统完整工作流程数据采集环境节点、土壤节点采集大棚空气、土壤各项参数ZigBee 无线发送给网关。本地处理网关接收数据屏幕本地显示参数超标蜂鸣器报警本地按键可以直接控制执行设备。云端上传网关通过 WiFi‑MQTT 协议把数据上传腾讯云。远程监控电脑、手机访问云平台查看实时数据、历史记录。远程控制手机 / 电脑下发控制命令经腾讯云→网关→ZigBee 网络驱动水泵、加热、风扇、补光灯等设备动作。3、实物展示