跟着现代科学技能的不断开展，农业主动化和数字化也势在必行。大棚栽培作为农业现代化的典型技能，其运用日益遍及。而大棚内部的温湿度对农作物的成长密切相关，因而对大棚内温湿度数据的监控就显得十分重要。大棚温湿度监测与操控是农业现代主动化、数字化的重视热门之一。依据ZigBee技能的大棚温湿度无线监控体系具有低功耗、低成本、自组网等特色。满意大棚温湿度监控体系的需求，能够对大棚内的温湿度进行主动监测和操控，完成了真实意义上的主动化、数字化和网络化。跟着农业科学技能的开展，依据无线传感网络的农业数字化体系将有宽广的运用远景。
1 大棚温湿度无线监控体系的整体规划
大棚温湿度无线监控体系首要由监控中心PC、ZigBee无线网络、传感器和控温控湿执行机构组成，其整体框图如图1所示。其间ZigBee无线网络选用星形网络，由一个ZigBee和谐器和若干个ZigBee终端组成;传感器运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含加热单元、制冷单元、加湿单元和进出风单元等。
2 体系硬件规划
2.1 ZigBee终端节点的硬件规划
ZigBee终端节点由温湿度传感器、ZigBee无线通讯模块(CC2530)、加热器、制冷器、加湿器和进出风设备组成。ZigBee终端节点首要完成两个功用。第一个功用是主动收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方法由ZigBee终端节点点播发送到ZigBee和谐器节点;第二个功用是依据ZigBee和谐器播送方法发送来的大棚内部给定温湿度规模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主动操控和调理。
2.2 ZigBee和谐器节点的硬件规划
ZigBee和谐器选用CC2530，此节点实质上充任一个无线收发器。它不断地接纳从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衔接，把接纳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刻的改动曲线描画出来;在监控中心PC的办理体系上能够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和谐器。ZigBee和谐器通过播送方法将温湿度值发送给每一个在它网络覆盖规模的ZigBee终端节点;与此一起，ZigBee和谐器还与一个温湿度传感器相衔接，周期地收集大棚外部温湿度数据，相同通过播送方法将这个数据发送给各个ZigBee终端节点。监控中心PC、ZigBee和谐器和ZigBee终端信息交互传输框图如图2所示。
3 体系软件规划
3.1 ZigBee终端节点与和谐器软件规划
ZigBee终端节点和和谐器节点软件的规划是依据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(和谐器)、Router(路由器)和End—Device(终端设备)。每一个ZigBee网络中有且仅有一个和谐器，首先由和谐器创立一个网络，再承受终端节点设备申请参加网络的恳求。终端节点与和谐器的程序规划流程图别离如图3和4所示。
3.2 温湿度操控算法
本体系的操控目标为温度和湿度。为了到达节能的作用，体系除了收集大棚内部温湿度外，还对大棚外部的温湿度进行收集，比照大棚内外部的温湿度后再决议怎么归纳控温度和湿度。当大棚内部的温湿度不符合大棚内部植物的成长需求，而大棚外部的温湿度条件符合时，则通过敞开进风/出风设备使大棚内部的空气对流换气来到达控温控湿的意图;不然，体系通过发生脉冲调宽波(PWM)对加热器、制冷器、加湿器等设备完成归纳操控，从而对棚内温湿度进行操控和调理。体系选用PID操控算法，将操控信息转化成PWM输出，改动PWM波的占空比，实时操控加热加湿的时刻。
PID操控器的输入输出关系为：
式中u(t)为操控器的输出信号，e(t)为温湿度的误差信号，Kp为份额系数，KI为几分增益，KD为微分增益。
为了使于操控器能对式(1)进行核算操控，便于软件的完成，须将式(1)中的接连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，选用累加和的方法，并将微分项离散化，选用一阶后项差分。能够得到式(1)的方位式离散PID表达式：
依据温度的操控规模(20～75℃)，湿度的操控规模(20%RH～95%RH)，把操控器输出信号u(t)与输出PWM规模(0～99)对应。依据PID参数整定办法，去调理Kp、KI、KD的值，直至取得温湿度最好的操控作用。通过重复调整参数并试验运转，调查操控作用，终究确认温度操控器PID操控算法系数Kp1、KI1、KD1的值为4.02、2.8和1.23，湿度操控器PID算法系数Kp2、KI2、KD2的值为5.94、5.96和1.48。算法中还参加一个体系温湿度超调机制，为了防备在某种特别的时节和光照度下，构成控温控湿设备无法在能够承受的时刻内到达控温控湿要求或许温湿度曲线严峻超调时，体系宣布报警信号，提示办理者及时处理。此外，为了尽量消除加热、加湿等会构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。在控温控湿的进程中一起敞开气体循环风机，使活动的空气带动温湿度场让大棚内部构成一个趋向于均匀的温湿度场。
3.3 监控PC办理体系软件规划
监控PC办理体系选用Visual C++6.0作为开发工具。Visual C++6.0供给了完成串口通讯的许多办法，其间Microsoft公司供给的简化Windows下串行通讯编程的Activre控件MSComm控件为运用程序供给了通过串口收发数据的简洁办法。监控PC办理体系选用图形化的操作方法，用户能够依据温湿度曲线、前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，而且能够实时改动大棚内温湿度的设定值。
4 体系测验及数据剖析
为了验证依据ZigBee技能的大棚温湿度无线监控体系的可行性，建立了模仿大棚试验体系。模仿大棚监控体系首要由监控PC机、体系和谐器、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。在模仿大棚里安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终端节点依据实时检测的温湿度值以及体系给定的温湿度值独立操控各自的执行机构对棚内温湿度进行调理。依据ZigBee技能的模仿大棚内传感器和执行机构方位如图5所示。
4.1 体系测验
在建立模仿大棚试验体系的基础上，对体系进行了各种测验：包含1)监控PC通讯办理、数据办理和越限报警测验;2)各节点独自作业，测验体系温湿度阶跃呼应;3)各节点一起作业，对温湿度进行PID和谐操控调理以验证整个体系的调控作用;4)监控体系的抗扰动测验。
4.2 测验数据与剖析
图6(a)、图6(b)为当各节点独自作业时，在室温下施加一个阶跃给定，大棚内部的温湿度呼应曲线。封闭制冷器、加湿器和进风排风电扇，让加热管独自作业，ZigBee终端节点对大棚内部的温湿度进行实时收集，在监控PC办理体系上实时地显现温湿度数据，而且主动制作温湿度前史曲线。通过一段时刻后，温度由室温安稳在60℃左右。升温呼应曲线如图6(a)所示。封闭加热管、制冷器和进风排风电扇，独自敞开加湿器，通过一段时刻后，大棚内湿度到达饱满。加湿呼应曲线如图6(b)所示。
测验了监控PC办理体系、ZigBee无线通讯和控温控湿设备的作业状况之后，为了查验整个体系PID操控算法的控温控湿作用，需求对温湿度一起进行PID操控和调理。把给定温度和湿度别离设定为32℃和62.5%RH，对加热操控器和加湿操控器别离进行PID算法操控，操控进程呼应如图7所示。从图中能够看出，温湿度呼应曲线都有必定超调发生，但能较快到达设定值，而且能够消除体系静差，取得较好的操控作用。
大棚内部的温湿度会跟着大棚外部气候改动而改动。一年春夏秋冬的气候改动，和一天24小时外部环境都会对大棚内部的温湿度构成必定影响。例如一场突降的大雨有可能会导致大棚内部湿度的忽然上升和温度的忽然下降。为了验证本监控体系PID操控算法能否战胜这样的温湿度扰动，到达较抱负的操控状况，测验中人为给大棚内部一个忽然的温湿度扰动。体系温湿度操控调理抗扰动呼应曲线如图8所示。从大棚温湿度抗扰动呼应曲线图可知，不管忽然的升温仍是降温扰动施加于体系，在监控体系PID操控作用下，通过一小段时刻后，棚内温度和湿度都能够逐步康复到希望的安稳状况，收到了较好的操控作用。
即便现已均匀地安置传感器节点和加湿加热设备的方位，部分加热、加湿也会构成大棚内部温湿度场的不均匀，所以在图7～图8中能够看出，不同节点的温湿度曲线并没有彻底堆叠，但温湿度的改动趋势是共同的。本监控体系PID操控算法也能够到达杰出的温控湿控作用。
5 定论
依据ZigBee技能的大棚温湿度无线监控体系由监控PC办理体系、ZigBee CC2530无线通讯模块、和谐器、以及加热、制冷、通风等执行机构组成，选用Visual C++6.0作为开发渠道，规划和完成了上位机PC与下位机CC2530的串口通讯、温湿度实时收集及数据存储、前史曲线制作、以及大棚内温湿度PID主动操控调理，包含对大棚内环境的升温、降温、加湿、除湿及换气的多功用归纳操控。试验标明，依据ZigBee技能的大棚温湿度无线监控体系，选用PID操控算法能够较快地到达控温控湿作用，抗温湿度扰动性强，体系运转安稳，操作简略可行，造价成本低，具有十分宽广的运用远景。
