基于ZigBee的花卉澆水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張雙德+蔣家和

摘要:針對(duì)花卉養(yǎng)殖者因遺忘對(duì)于花卉的澆灌,而導(dǎo)致名貴花卉死亡造成損失的情況,提出運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò),根據(jù)花卉種植環(huán)境的溫?濕度及光照的各種參量,下達(dá)噴淋灌溉指令的方法?結(jié)果表明,該方法在控制澆灌時(shí)間?水量等方面具有很好的效果?

關(guān)鍵詞:ZigBee網(wǎng)絡(luò);噴淋灌溉;溫度;濕度;過程控制

中圖分類號(hào):TP273+.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2014)11-2657-04

Design and Implementation of Watering Control System of Flowers Based on ZigBee

ZHANG Shuang-de,JIANG Jia-he

(1.Institute of Electric and Electronical Engineering, Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023, China;

2. Xianning Vocational Technical College, Xianning 437100, Hubei, China)

Abstract: Considering travel and forgotten watering flowers leading to the death of rare flowers the wireless network can give spray irrigation instructions according to the flower cultivation environment temperature, humidity, illumination was put forward. Results showed that the method controlling the irrigation time and irrigation quantity had a good effect.

Key words: ZigBee network; spray irrigation; temperature; humidity; process control

基金項(xiàng)目:武漢市科技攻關(guān)項(xiàng)目(201120722211)

當(dāng)今社會(huì),隨著生活品質(zhì)的不斷提高,從事花卉養(yǎng)殖的人越來越多?對(duì)于從事花卉種植的從業(yè)者來說,能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲得花卉溫室大棚內(nèi)的各個(gè)區(qū)域的重要溫濕度?光照?二氧化碳含量,從而對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行控制,使人的看護(hù)工作量被系統(tǒng)所取代,顯得尤為迫切?為此,設(shè)計(jì)了基于ZigBee的花卉澆水控制系統(tǒng),以期滿足農(nóng)業(yè)智能灌溉的要求?

1總體設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過對(duì)花卉澆水/花卉養(yǎng)殖大棚灌溉系統(tǒng)需求的分析,結(jié)合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出了花卉溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案模型[1],具體見圖1?

花卉的澆水系統(tǒng)是根據(jù)室內(nèi)外裝設(shè)的溫度傳感器?濕度傳感器和光照傳感器等采集或觀測(cè)的溫室內(nèi)外溫度?濕度?光照等環(huán)境因素,通過溫室設(shè)備進(jìn)行控制,對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)來達(dá)到栽培作物生長(zhǎng)發(fā)育的需要,為花卉生長(zhǎng)發(fā)育提供最適宜的生態(tài)環(huán)境,提高花卉的品質(zhì)?

2硬件設(shè)計(jì)

2.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要包括兩類硬件平臺(tái):協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)?傳感器采集節(jié)點(diǎn)?除此之外在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)?調(diào)試等過程中還需要用到一些輔助設(shè)備,如編程器?仿真器等[2,3]?無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和中心控制器之間是通過串口RS232連接進(jìn)行通信的,傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的?系統(tǒng)主要是以溫室環(huán)境中的參數(shù)(如溫度?濕度和光照度)為監(jiān)測(cè)對(duì)象,來達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的,且中心控制器可同時(shí)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)下達(dá)澆水指令,連接在無線節(jié)點(diǎn)上的電磁閥即刻開始工作,完成澆水過程?充分利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的雙向通訊功能[3]?

溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)是由集成傳感器?數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式連接在一起構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)包括檢測(cè)精度高?覆蓋區(qū)域大?容錯(cuò)性強(qiáng)和可遠(yuǎn)程監(jiān)控等?由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)要求成本低?功耗小?壽命長(zhǎng),因此在硬件上要采用低功耗和低成本的芯片,軟件必須要支持多跳路由協(xié)議?為了達(dá)到減小硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和提高射頻通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性的目標(biāo),硬件采用TI 公司的CC2530 芯片來進(jìn)行控制,CC2530 芯片是一個(gè)兼容 IEEE 802.15.4的片上系統(tǒng),支持專有的 802.15.4 市場(chǎng)以及ZigBee?ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)?協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由智能主板模塊和無線節(jié)點(diǎn)模塊組成,傳感器采集節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊?智能主板模塊和無線節(jié)點(diǎn)模塊組成?

2.2無線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線節(jié)點(diǎn)模塊主要由射頻單片機(jī)構(gòu)成,MCU是TI的CC2530芯片,用的是2.4 G載頻棒狀天線?無線傳感部分的CC2530采用核心板設(shè)計(jì),與底板分開設(shè)計(jì)加工,便于更換和編程?整體模塊使用5 V供電輸入,在內(nèi)部使用DC/DC芯片轉(zhuǎn)換成3.3 V(最大輸出200 mA電流)?CC2530系統(tǒng)使用單芯片解決方案,CC2530芯片的信號(hào)將從模塊層面引出并進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃?使用上電手動(dòng)復(fù)位芯片完成可靠的上電復(fù)位操作[3]?使用專用的5 腳的FPC 插座完成2線DEBUG接口信號(hào)的引出,DEBUG信號(hào)使用額外的擴(kuò)展小板轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的DEBUG 插頭可用的接口?另外將P2_1?P2_2 管腳引到擴(kuò)展插座?無線節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)圖見圖3?

2.3中心控制器電路原理設(shè)計(jì)

中心控制器負(fù)責(zé)與協(xié)調(diào)器相連接,通過向協(xié)調(diào)器發(fā)送命令,完成對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集?同時(shí),它會(huì)將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集到的數(shù)據(jù),以Web頁的方式發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上,管理員只需登錄到中心控制器上,就可完成對(duì)溫室大棚澆花系統(tǒng)的監(jiān)控?本項(xiàng)目為中心控制器配置了GPRS接口及模組,以及3G模組,即使在溫室中沒有互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)的情況下,仍能將數(shù)據(jù)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上[4]?中心控制器采用Linux操作系統(tǒng);處理器選擇三星公司S3C6410,這是一款產(chǎn)量大,成本低的高性能ARM處理器?這部分代碼在Linux下編寫,性能穩(wěn)定?

2.4GPRS電路設(shè)計(jì)

GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱,它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)?GPRS可以說是GSM的延續(xù)?GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?是以封包(Packet)式來傳輸?GPRS經(jīng)常被描述成“2.5G”,也就是說這項(xiàng)技術(shù)位于第二代(2G)和第三代(3G)移動(dòng)通訊技術(shù)之間?它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道,提供中速的數(shù)據(jù)傳遞?GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式,只通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換,這種改造的投入相對(duì)來說并不大,但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀?而且,因?yàn)椴辉傩枰F(xiàn)行無線應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器,所以連接及傳輸都會(huì)更方便容易?SIM300是一款內(nèi)帶TCPIP的GPRS模組,可簡(jiǎn)單地設(shè)置成DTU模式,使用簡(jiǎn)單,性能可靠[5]?圖4是SIM300的電路設(shè)計(jì)?

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的軟件系統(tǒng)大體上分為兩個(gè)部分?第一部分軟件為CC2530無線傳感節(jié)點(diǎn)運(yùn)行軟件以及協(xié)調(diào)器采集軟件,這部分軟件是基于TI公司的Z-Stack平臺(tái),編譯環(huán)境是IAR Embedded Workbench 7.2?TI Z-Stack 協(xié)議棧是基于一個(gè)輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的?Z-Stack的main函數(shù)在ZMain.c中,總體來說,它一共做了兩項(xiàng)工作,一個(gè)是系統(tǒng)初始化,即由啟動(dòng)代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件構(gòu)架需要的各個(gè)模塊,另外一個(gè)就是開始執(zhí)行操作系統(tǒng)實(shí)體?協(xié)調(diào)器匯聚節(jié)點(diǎn)主要完成和傳感器節(jié)點(diǎn)的通信以及和上位機(jī)的通信,等待發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)?傳感器采集節(jié)點(diǎn)主要是發(fā)送采集的數(shù)據(jù),等待協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行無線通信?當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的ZigBee無線射頻通信模塊CC2530接通電源并且復(fù)位后,首先建立一個(gè)具有惟一ID標(biāo)識(shí)的ZigBee網(wǎng)絡(luò),然后應(yīng)答與其綁定的傳感器模塊的請(qǐng)求把其加入到網(wǎng)絡(luò)中,同時(shí)要為發(fā)送模塊分配本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)惟一的16位地址,最后等待傳感器模塊發(fā)送數(shù)據(jù),如果檢測(cè)到有數(shù)據(jù)時(shí)就接受這些數(shù)據(jù),同時(shí)通過SP3232E把接收端數(shù)據(jù)包傳送給中心控制器[6]?協(xié)調(diào)器工作流程見圖5?無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件工作流程見圖6?

第二部分軟件是中心控制器部分軟件,這部分軟件運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下,主要代碼為CGI程序?中心控制器平臺(tái)下運(yùn)行Thttpd Web服務(wù)器,CGI程序完成網(wǎng)頁的發(fā)布,管理者可以在遠(yuǎn)地訪問此Web服務(wù)器,在Web頁中完成對(duì)花卉澆水系統(tǒng)的控制?后臺(tái)的CGI程序負(fù)責(zé)解釋命令,并把命令通過串口發(fā)到協(xié)調(diào)器中?此外,GPRS模組?短消息處理等軟件模塊也由中心控制器來實(shí)現(xiàn),基本為L(zhǎng)inux下的多線程應(yīng)用層程序?

4小結(jié)

該項(xiàng)目首次將ZigBee和Wifi技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)花卉的澆水控制,并結(jié)合GPRS等公共網(wǎng)絡(luò)資源解決了大棚花卉澆灌系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制,具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性;該項(xiàng)目根據(jù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求,綜合運(yùn)用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù),設(shè)計(jì)了一種基于手機(jī)的遠(yuǎn)程智能澆水控制系統(tǒng),能滿足農(nóng)業(yè)智能灌溉的要求,具有較好的示范意義;實(shí)際應(yīng)用表明,該成果具有較好的應(yīng)用價(jià)值及推廣前景?

參考文獻(xiàn):

[1] 袁艷霞. 基于zigbee的污水處理廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].華章,2009(17):120,132.

[2] 朱德榮,黨保華. 基于單片機(jī)和電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)床電器,2011(4):32-35.

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[5] 周錦榮,周小方,陳煒明.基于電信網(wǎng)絡(luò)的家電智能控制[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008(3):72-75.

[6] 劉芬,楊繼生.智能電話網(wǎng)遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2010(2):30-32.

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的軟件系統(tǒng)大體上分為兩個(gè)部分?第一部分軟件為CC2530無線傳感節(jié)點(diǎn)運(yùn)行軟件以及協(xié)調(diào)器采集軟件,這部分軟件是基于TI公司的Z-Stack平臺(tái),編譯環(huán)境是IAR Embedded Workbench 7.2?TI Z-Stack 協(xié)議棧是基于一個(gè)輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的?Z-Stack的main函數(shù)在ZMain.c中,總體來說,它一共做了兩項(xiàng)工作,一個(gè)是系統(tǒng)初始化,即由啟動(dòng)代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件構(gòu)架需要的各個(gè)模塊,另外一個(gè)就是開始執(zhí)行操作系統(tǒng)實(shí)體?協(xié)調(diào)器匯聚節(jié)點(diǎn)主要完成和傳感器節(jié)點(diǎn)的通信以及和上位機(jī)的通信,等待發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)?傳感器采集節(jié)點(diǎn)主要是發(fā)送采集的數(shù)據(jù),等待協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行無線通信?當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的ZigBee無線射頻通信模塊CC2530接通電源并且復(fù)位后,首先建立一個(gè)具有惟一ID標(biāo)識(shí)的ZigBee網(wǎng)絡(luò),然后應(yīng)答與其綁定的傳感器模塊的請(qǐng)求把其加入到網(wǎng)絡(luò)中,同時(shí)要為發(fā)送模塊分配本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)惟一的16位地址,最后等待傳感器模塊發(fā)送數(shù)據(jù),如果檢測(cè)到有數(shù)據(jù)時(shí)就接受這些數(shù)據(jù),同時(shí)通過SP3232E把接收端數(shù)據(jù)包傳送給中心控制器[6]?協(xié)調(diào)器工作流程見圖5?無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件工作流程見圖6?

第二部分軟件是中心控制器部分軟件,這部分軟件運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下,主要代碼為CGI程序?中心控制器平臺(tái)下運(yùn)行Thttpd Web服務(wù)器,CGI程序完成網(wǎng)頁的發(fā)布,管理者可以在遠(yuǎn)地訪問此Web服務(wù)器,在Web頁中完成對(duì)花卉澆水系統(tǒng)的控制?后臺(tái)的CGI程序負(fù)責(zé)解釋命令,并把命令通過串口發(fā)到協(xié)調(diào)器中?此外,GPRS模組?短消息處理等軟件模塊也由中心控制器來實(shí)現(xiàn),基本為L(zhǎng)inux下的多線程應(yīng)用層程序?

4小結(jié)

該項(xiàng)目首次將ZigBee和Wifi技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)花卉的澆水控制,并結(jié)合GPRS等公共網(wǎng)絡(luò)資源解決了大棚花卉澆灌系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制,具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性;該項(xiàng)目根據(jù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求,綜合運(yùn)用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù),設(shè)計(jì)了一種基于手機(jī)的遠(yuǎn)程智能澆水控制系統(tǒng),能滿足農(nóng)業(yè)智能灌溉的要求,具有較好的示范意義;實(shí)際應(yīng)用表明,該成果具有較好的應(yīng)用價(jià)值及推廣前景?

參考文獻(xiàn):

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3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的軟件系統(tǒng)大體上分為兩個(gè)部分?第一部分軟件為CC2530無線傳感節(jié)點(diǎn)運(yùn)行軟件以及協(xié)調(diào)器采集軟件,這部分軟件是基于TI公司的Z-Stack平臺(tái),編譯環(huán)境是IAR Embedded Workbench 7.2?TI Z-Stack 協(xié)議棧是基于一個(gè)輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的?Z-Stack的main函數(shù)在ZMain.c中,總體來說,它一共做了兩項(xiàng)工作,一個(gè)是系統(tǒng)初始化,即由啟動(dòng)代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件構(gòu)架需要的各個(gè)模塊,另外一個(gè)就是開始執(zhí)行操作系統(tǒng)實(shí)體?協(xié)調(diào)器匯聚節(jié)點(diǎn)主要完成和傳感器節(jié)點(diǎn)的通信以及和上位機(jī)的通信,等待發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)?傳感器采集節(jié)點(diǎn)主要是發(fā)送采集的數(shù)據(jù),等待協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行無線通信?當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的ZigBee無線射頻通信模塊CC2530接通電源并且復(fù)位后,首先建立一個(gè)具有惟一ID標(biāo)識(shí)的ZigBee網(wǎng)絡(luò),然后應(yīng)答與其綁定的傳感器模塊的請(qǐng)求把其加入到網(wǎng)絡(luò)中,同時(shí)要為發(fā)送模塊分配本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)惟一的16位地址,最后等待傳感器模塊發(fā)送數(shù)據(jù),如果檢測(cè)到有數(shù)據(jù)時(shí)就接受這些數(shù)據(jù),同時(shí)通過SP3232E把接收端數(shù)據(jù)包傳送給中心控制器[6]?協(xié)調(diào)器工作流程見圖5?無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件工作流程見圖6?

第二部分軟件是中心控制器部分軟件,這部分軟件運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下,主要代碼為CGI程序?中心控制器平臺(tái)下運(yùn)行Thttpd Web服務(wù)器,CGI程序完成網(wǎng)頁的發(fā)布,管理者可以在遠(yuǎn)地訪問此Web服務(wù)器,在Web頁中完成對(duì)花卉澆水系統(tǒng)的控制?后臺(tái)的CGI程序負(fù)責(zé)解釋命令,并把命令通過串口發(fā)到協(xié)調(diào)器中?此外,GPRS模組?短消息處理等軟件模塊也由中心控制器來實(shí)現(xiàn),基本為L(zhǎng)inux下的多線程應(yīng)用層程序?

4小結(jié)

該項(xiàng)目首次將ZigBee和Wifi技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)花卉的澆水控制,并結(jié)合GPRS等公共網(wǎng)絡(luò)資源解決了大棚花卉澆灌系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制,具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性;該項(xiàng)目根據(jù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求,綜合運(yùn)用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù),設(shè)計(jì)了一種基于手機(jī)的遠(yuǎn)程智能澆水控制系統(tǒng),能滿足農(nóng)業(yè)智能灌溉的要求,具有較好的示范意義;實(shí)際應(yīng)用表明,該成果具有較好的應(yīng)用價(jià)值及推廣前景?

參考文獻(xiàn):

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