基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

卜閃閃

（永城職業(yè)學(xué)院，河南 永城 476600）

0 引言

環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在對(duì)溫室的生產(chǎn)具有非常重要的地位，其通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)反饋?zhàn)魑锏纳L(zhǎng)狀況及其環(huán)境狀況，從而為用戶合理的調(diào)節(jié)環(huán)境因子促進(jìn)指導(dǎo)作物的生長(zhǎng)提供指導(dǎo)，提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。然而，傳統(tǒng)的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是通過采集環(huán)境的濕度與溫度值，但是若需要精確的分析農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)則該參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尤其是農(nóng)作物疾病的控制，不僅需要溫室的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，葉片的溫度和濕度也是必不可少的。隨著溫室監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)的發(fā)展，基于ZigBee技術(shù)的無線傳輸系統(tǒng)由于其具有體積小、功耗低、傳輸可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將非常廣闊。

本文針對(duì)此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)溫室內(nèi)的植物生長(zhǎng)環(huán)境（土壤水分、空氣溫濕度以及CO2濃度等）信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并通過基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，從而完成溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。用戶可以通過這些信息對(duì)溫室的環(huán)境做出實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)并作出調(diào)控，從而改善溫室的實(shí)時(shí)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)提高作物的產(chǎn)量。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由用戶終端、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和傳感器等幾個(gè)部分共同組成。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)連接有各種傳感器，其中傳感器分布在溫室的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)則是獲取各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并通過基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)將其轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)之間也是可以相互通信的，從而大大的延長(zhǎng)了系統(tǒng)的有效的通信距離。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則通過串口與上位機(jī)極性實(shí)時(shí)通信，上傳實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和接收實(shí)時(shí)的控制命令；最后上位機(jī)軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示等工作。

2 硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用基本相同的硬件設(shè)計(jì)，但又根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)功能的區(qū)別而對(duì)各自的具體部分作出調(diào)整，同時(shí)通過改變主控芯片CC2530程序從而實(shí)現(xiàn)不同的節(jié)點(diǎn)功能。硬件系統(tǒng)主要由CC2530微處理器、串口輸出模塊、電源模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、調(diào)試模塊、射頻模塊和傳感器模塊等組成。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。節(jié)點(diǎn)的主控芯片采用德州儀器公司的CC2530芯片，其內(nèi)置增強(qiáng)型8051內(nèi)核與RF無線收發(fā)器相結(jié)合，可在保證系統(tǒng)低功耗的情況下同時(shí)增強(qiáng)其信號(hào)的傳輸能力。若外加CC2591射頻功率放大電路與高增益天線，此時(shí)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍可達(dá)到450m甚至是千米之上。

圖1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structural diagram of Coordinator node

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是唯一的，負(fù)責(zé)整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建于運(yùn)行，需要的能量較大，加上其與監(jiān)控主站相連，因此為滿足其能量的要求本系統(tǒng)采用有線的方式進(jìn)行供電。供電模塊采用5V電源，并通過電源轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際需要的3.3V電壓，電源轉(zhuǎn)換模塊的核心IC采用穩(wěn)定性很好的AMS1117穩(wěn)壓芯片。

當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)成功組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)后，便會(huì)開始與各個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信：通過上位機(jī)的串口接收用戶終端發(fā)送的命令；同時(shí)監(jiān)聽來自于網(wǎng)絡(luò)的反饋型消息，并上傳到用戶終端。因此協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)相比增加了串口模塊，其中串口模塊采用MAX3232作為RS232串口芯片。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如2所示。系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)均以低功耗和高穩(wěn)定性為準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，因此由兩節(jié)5號(hào)干電池提供的能量足以滿足其工作需求。如圖2可知，除包含各個(gè)節(jié)點(diǎn)所擁有的共同部分以外，終端節(jié)點(diǎn)主要增加了傳感器模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)和各種傳感器之間的無縫連接。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structural diagram of End-node

綜合考慮具體的監(jiān)測(cè)要求、溫室環(huán)境、測(cè)量精度以及傳感器等因素，本系統(tǒng)采用如下所示的幾種傳感器：土壤水分傳感器、CO2濃度傳感器以及DHT21溫濕度傳感器。各傳感器主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 傳感器主要性能指標(biāo)Tab.1 Primary performance indicators of sensors

該系統(tǒng)中，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用相同的配置，但其不具有傳感器模塊，由此不僅縮短了研發(fā)周期，并且進(jìn)一步降低了節(jié)點(diǎn)成本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的溫室無線傳感網(wǎng)路主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)三個(gè)部分組成。其中，路由節(jié)點(diǎn)可看成是具有與路由相同功能的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其在子網(wǎng)中充當(dāng)著協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的角色，管理網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。同時(shí)它的網(wǎng)絡(luò)層會(huì)多出一個(gè)路由功能，即為通過其轉(zhuǎn)換和發(fā)送的數(shù)據(jù)流尋找一條最為合適的路徑，文中軟件設(shè)計(jì)時(shí)移植了Z－Stack協(xié)議棧，該協(xié)議棧提供完整路由協(xié)議，并在應(yīng)用層是透明的，只需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)議棧，該協(xié)議棧即會(huì)自動(dòng)的尋找路徑，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地址，因此本設(shè)計(jì)在程序開發(fā)上，主要任務(wù)是在ZStack協(xié)議?；A(chǔ)上，完成對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)上電之后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)掃描并選擇一個(gè)最合適的信道建立一個(gè)初始網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有新的設(shè)備申請(qǐng)加入該網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則會(huì)分配一個(gè)16位的短地址給它，并允許其加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)組網(wǎng)完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)開始接受從終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，并且通過USB接口將其上傳到上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作流程圖如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the coordinator node software

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是以ZigBee協(xié)議的方式將采集到的溫濕度、土壤水分和CO2濃度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)完成對(duì)傳感器和協(xié)議棧的初始化后，即開始掃描信道，尋找合適的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的信息，當(dāng)?shù)玫酱_認(rèn)的答復(fù)后，即進(jìn)入休眠模式以節(jié)約能量，當(dāng)定時(shí)器喚醒收到喚醒指令后，則開始通過節(jié)點(diǎn)上的傳感器采集相應(yīng)的參數(shù)信息，并將其上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the terminal node software

4 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)測(cè)試為了模擬真實(shí)的溫室環(huán)境，選擇在某單位的花卉培養(yǎng)室中進(jìn)行，一方面可驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，另一方面也可驗(yàn)證設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能否在溫室這種復(fù)雜的環(huán)境中正常工作，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2014年8月20日，天氣晴朗，室外溫度在35℃左右，濕度在46%RH左右。

該實(shí)驗(yàn)所組建的網(wǎng)絡(luò)，是由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和四個(gè)終端節(jié)點(diǎn)所組成的簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)。其中，終端節(jié)點(diǎn)必需連接傳感器，負(fù)責(zé)采集溫室現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

而當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，即會(huì)構(gòu)成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。之后會(huì)分別給兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和四個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上電，并加入新建的網(wǎng)絡(luò)。

通過實(shí)驗(yàn)可知，該網(wǎng)絡(luò)可以完成溫濕度、土壤水分和CO2濃度等數(shù)據(jù)的采集，并可通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，這表明本文所設(shè)計(jì)的溫室無線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)良好。同時(shí)也可說明所測(cè)試得到的數(shù)據(jù)基本與該環(huán)境符合，傳感器在溫室潮濕并且悶熱的環(huán)境中并未失準(zhǔn)，可以正常工作。

5 結(jié)束語

本文基于ZigBee技術(shù)，提出了一種溫室環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案，設(shè)計(jì)了以CC2530芯片為核心的硬件結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，并移植了ZStack協(xié)議棧，以此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)溫室的溫濕度、土壤水分和CO2濃度等數(shù)據(jù)，并且能將這些信息準(zhǔn)確的傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最終傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

［1］侯佳佳.基于ZigBee的溫室WSN監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].江蘇大學(xué),2009.

［2］龐娜,程德福.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版,2010,01：55-60.

［3］陳保站.基于ZigBee的溫室環(huán)境參數(shù)多路監(jiān)控系統(tǒng)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

［4］蘇維均,邵軍,于重重,王曉,楊揚(yáng).基于ZigBee的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,07：1812-1814.

［5］譚石堅(jiān),董明利,壽國梁.基于ZigBee技術(shù)的低功耗溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,10：213-217+222.