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R485PH+EC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PH+TDS传感器 | RS485土壤综合传感器 |
| WiFi无线通信模块 | ESP-01S |
1.4 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。
