基于ARM9與ZigBee的溫室大棚無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設計

黃鑫　劉潔

摘要：分析了目前溫室監(jiān)控系統(tǒng)的背景并結合現(xiàn)狀制定出了一種用于溫室環(huán)境中的智能無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計方法。系統(tǒng)將ARM9與ZigBee結合，利用其低功耗低傳輸率的優(yōu)點進行環(huán)境參數(shù)的傳輸，并在此基礎上，添加了視頻采集模塊，采用WIFI技術進行無線傳輸，克服了ZigBee網(wǎng)絡速率無法傳輸高質量視頻的局限性。

關鍵詞：ARM9；ZigBee；WiFi；視頻監(jiān)控

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）26-6207-03

Abstract： Analyzed the current background of the Greenhouse Monitoring System.Then combined with the status worked out a method for designing a greenhouse environment intelligent wireless monitoring system.The system combines ARM9 and ZigBee，taking advantage of its low power consumption and low transmission rate for transmission of environmental parameters， and based on this， add the video capture module， using WIFI wireless transmission technology.This design overcomes the limitations of the rate that can not transmit high quality video.

Key words： ARM9； ZigBee； WiFi； Video monitoring

溫室大棚是通過人工控制農作物種植環(huán)境中溫度、濕度等參數(shù)，模擬農業(yè)生產自然環(huán)境的一種設施.濕度、溫度等溫室環(huán)境的參數(shù)對作物的生長環(huán)境具有很重要的影響，因此對溫室環(huán)境的參數(shù)測量及信息的準確獲取變得尤為重要。隨著我國農業(yè)技術的不斷發(fā)展，溫室環(huán)境監(jiān)控技術作為農業(yè)研究技術之一，也逐漸發(fā)展起來。目前溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)大多采用有線通信方式進行監(jiān)控，但有線監(jiān)控系統(tǒng)布線復雜，不能任意增加節(jié)點，維護困難，受大棚規(guī)模以及所處環(huán)境等多方面因素限制。正因如此，針對于大棚的無線監(jiān)控系統(tǒng)逐漸成為近幾年人們研究的課題。其中研究最多的是基于ZigBee的無線參數(shù)傳輸。

本設計延用ZigBee技術，在充分利用節(jié)點數(shù)據(jù)采集低功耗優(yōu)勢的同時，本設計添加了WIFI技術，突破了原始的8位單片機模式，改用32位ARM處理器為主芯片，結合WIFI技術進行實時視頻傳輸，彌補了ZigBee網(wǎng)絡傳輸速度無法傳輸高質量視頻的缺點。我們將無線傳感器網(wǎng)絡技術應用到溫室環(huán)境監(jiān)控中，完成了對溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集的實時監(jiān)控、傳輸和處理等功能，實現(xiàn)了溫室環(huán)境遠程無線監(jiān)控和與農業(yè)專家系統(tǒng)無縫連接的要求。使系統(tǒng)可以實時準確采集農作物在不同時期的生長狀態(tài)以及環(huán)境參數(shù)。

1 相關技術

ZigBee 技術 （也稱之為 802. 15. 4 標準） 具有低復雜度、低功耗、低成本等優(yōu)點，但是其數(shù)據(jù)傳輸速率較低，在承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務中應用比較廣泛。而WiFi （Wireless Fidelity ，也稱之為 802. 11 標準）具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（最高可達54Mbps）且可用于遠距離傳輸，但是其較復雜，功耗高，成本高[1]，目前在無線局域網(wǎng)中得到了較為廣泛的應用，十分便于接入Internet。

所以基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，低成本、有低功耗、可快速部署、無人值守等優(yōu)點，非常適合應用于溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中。但是ZigBee 技術通常傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，因為它是一種低速率的無線傳輸技術，而在大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，除了監(jiān)測溫濕度、光照度之外，還需要采集和傳輸視頻信息。因此ZigBee 技術很難單獨完成以上任務，所以我們考慮加上WiFi 技術。綜上，為了滿足大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的具體需求條件，我們將ZigBee 技術和 WiFi 技術相結合，構建了一個基于ZigBee和WiFi相結合的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設計原理

溫室環(huán)境智能傳感系統(tǒng)硬件結構（如圖1所示）由數(shù)據(jù)采集模塊、轉發(fā)模塊、上位機顯示模塊組成。針對于溫室環(huán)境工作要求，本系統(tǒng)需采集包括溫濕度、光照以及必要的視頻信息?？紤]到溫濕度以及光照信息需長期采集且占用內存小，本設計采用CC2430為主控芯片，以ZigBee為技術支撐向遠距離上位機傳輸所需信息。但由于ZigBee技術主要適用于功耗低且傳輸速率不高的信息傳輸，故視頻信息的傳輸我們用WIFI來實現(xiàn)。我們通過攝像頭采集視頻信息發(fā)送給TQ2440進行處理后，通過WIFI技術發(fā)送給路由器并最終通過遠程上位機接收高清視頻信息。

本系統(tǒng)采用太陽能電池板供電，當不需要視頻監(jiān)控時，CC2430主控芯片通過繼電器控制ARM開發(fā)板，關閉攝像頭視頻采集和WiFi無線網(wǎng)卡來節(jié)省電能。

2.1 CC2430主控部分

CC2430采用的是無線龍ZigBee傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)C51RF-WSN，該系統(tǒng)主要有PC機、傳感器節(jié)點、網(wǎng)關、路由節(jié)點四個組成部分[2]。

1） PC機：即無線龍ZigBee無線監(jiān)控軟件，它可以接收網(wǎng)關數(shù)據(jù)并發(fā)送相關指令，實現(xiàn)可視化人機界面，從而方便使用者的操作和觀察。

2） 網(wǎng)關：用于完成通過上位機發(fā)送的指令的發(fā)送及接收傳感器節(jié)點或者路由節(jié)點的數(shù)據(jù)，并且將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。

3） 路由節(jié)點：當網(wǎng)關和所有傳感器節(jié)點不能通信的時候，路由節(jié)點則作為中介使網(wǎng)關和傳感器節(jié)點能夠通信，從而實現(xiàn)路由通信的功能。

4） 傳感器節(jié)點：實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集，其中包括溫濕度、光照強度等數(shù)據(jù)。

2.2 TQ2440開發(fā)板

TQ2440開發(fā)板采用三星公司的S3C2440AL處理器為硬件系統(tǒng)核心，其主頻為400MHz最高可達到533MHz。根據(jù)其內部電路工作方式等，選擇12MHz的晶振。系統(tǒng)中板載64MB的SDRAM，時鐘頻率可達100MHz，32位數(shù)據(jù)總線。利用USB口可外接攝像頭和無線網(wǎng)卡。攝像頭采集到的視頻信息經過TQ2440編碼壓縮，通過無線網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3 CC2430與2440連接部分

由于2440開發(fā)板以及所帶攝像頭和無線網(wǎng)卡的功耗較大，太陽能電池板不能保證能為其長期供電，根據(jù)農作物生長現(xiàn)狀，視頻信號并不需要持續(xù)采集，當不需要采集時，可利用CC2430來關閉ARM開發(fā)板電源。硬件連接圖如圖2：

3 軟件平臺設計

系統(tǒng)整體流程圖如圖3，系統(tǒng)啟動后，ZigBee網(wǎng)絡會自動組網(wǎng)，上位機通過連接ZigBee網(wǎng)關可查看傳感器節(jié)點采集的溫濕度、光照強度等信息，當需要視頻采集時候，通過上位機給CC2430發(fā)送命令，使其打開ARM電源，ARM開發(fā)板啟動后，自動連接WiFi網(wǎng)絡并啟動攝像頭，從而采集視頻信息發(fā)送給上位機顯示。

3.1 CC2430環(huán)境監(jiān)測程序

CC2430采用51單片機編程，程序分為ZigBee普通節(jié)點與ZigBee匯聚節(jié)點兩部分。所有節(jié)點使用相同信道進行通信，在上電啟動后會自組織形成ZigBee網(wǎng)絡，普通節(jié)點即可作為終端節(jié)點采集信息，又可作為路由節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，在普通節(jié)點程序中，通過控制多種傳感器采集環(huán)境信息，以多跳方式發(fā)送給匯聚節(jié)點。在匯聚節(jié)點程序中，需要接受該信道下各個節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，發(fā)送給上位機進行顯示。

3.2 ARM開發(fā)板環(huán)境搭建、系統(tǒng)移植、BOA服務器移植

鑒于Linux系統(tǒng)是層次結構并且內核源碼完全開放，可移植性強，支持廣泛的硬件平臺，并且包含整套的編譯、調試等開發(fā)工具、圖形接口、強大的網(wǎng)絡支持功能以及豐富的應用程序，本方案采用Linux作為操作系統(tǒng)。移植主要包括內核配置、對相應的體系結構代碼進行修改、連接腳本、加載文件系統(tǒng)、無線網(wǎng)卡驅動及攝像頭驅動移植[3]。將上述內容編譯出鏡像文件然后燒寫到ARM開發(fā)板的 flash 中，即完成了Linux開發(fā)平臺搭建。

然后下載編譯BOA服務器并移植到開發(fā)板上，在 Linux 系統(tǒng)中使用 CGI 技術來實現(xiàn)動態(tài)頁面的顯示。CGI 技術提供了 Web 服務器一個執(zhí)行外部程序的通道，這種服務器技術可以使得瀏覽器和服務器之間具有交互性[4]。CGI 的工作過程如圖4所示，客戶端通過 Web 瀏覽器向 Web 服務器發(fā)送請求；Web 服務器收到該請求后，啟動 CGI 程序并發(fā)送瀏覽器請求；CGI 程序將處理后的結果輸出到 Web 服務器，并由 Web 服務器將輸出結果發(fā)送到客戶端的瀏覽器進行顯示。

4 系統(tǒng)測試

在上位機打開無線龍開發(fā)套件配套監(jiān)控軟件，可顯示整個網(wǎng)絡的拓撲結構，可選擇相應的節(jié)點查看環(huán)境信息，需要查看某個節(jié)點的視頻信息時，向該節(jié)點發(fā)送命令控制其繼電器打開ARM開發(fā)板電源，在瀏覽器中輸入改開發(fā)板IP地址，便可顯示遠程攝像頭發(fā)送來的視頻圖像。

5 結束語

文中研究并實現(xiàn)了一種將ZigBee網(wǎng)絡與WiFi網(wǎng)絡結合的溫室環(huán)境監(jiān)測設計方案，通過二者的結合，即可長期采集溫濕度、光照強度等環(huán)境信息，又可在需要時打開攝像頭查看高清視頻信息，可與遠程農業(yè)專家的無縫連接，具有較高的應用價值。

參考文獻：

[1] 王建國，郭寶億.基于ZigBee和WiFi相結合的樓宇監(jiān)測系統(tǒng)[J].西安電子工業(yè)大學學報，2008（5）.

[2] 李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO協(xié)議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[3] （加拿大）亞荷毛爾.構建嵌入式LINUX系統(tǒng)[M]. 2版.北京：中國電力出版社，2011.

[4] 宋麗娟，董小國.基于μclinux下boa的cgi技術實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2009（18）.