Zigbee智慧連棟溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 邱 宇 張 建 袁鳳培

Zigbee智慧連棟溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 邱 宇 張 建 袁鳳培

對于農(nóng)場式規(guī)模經(jīng)營的不斷壯大，農(nóng)業(yè)各種基礎(chǔ)設(shè)施也不斷的完善成熟，但在一些監(jiān)控監(jiān)測方面還存在著很多問題，尤其是大面積的節(jié)點(diǎn)布局通過有線方式來構(gòu)成大型的溫室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行溫濕度以及光照度、pH值等信息，這樣使得連棟溫室內(nèi)走線雜亂、安裝維護(hù)困難以及帶來很多的不穩(wěn)定因素。若直接采用GSM或GPRS的無線傳輸模式則使得成本較高。采用性價(jià)比較高的Zigbee模塊來實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決智慧連棟溫室的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題。

Zigbee；智慧農(nóng)業(yè)；傳感器；無線；組網(wǎng)

引言

隨著國家一號文件的發(fā)布，對農(nóng)業(yè)的大力支持，越來越多的個(gè)體種植戶正在向莊園及農(nóng)場的方式轉(zhuǎn)變。對于一個(gè)園區(qū)而言，溫室群的管理耗費(fèi)了大量的人力物力。雖然在一些先進(jìn)的溫室已有一些簡單的控制設(shè)備通過有線及局域性的無線控制，但面臨整個(gè)網(wǎng)絡(luò)還存在傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、實(shí)現(xiàn)成本高、可靠性低等特點(diǎn)。對于一些工作人員只能憑經(jīng)驗(yàn)粗略的對溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，然而對于作物的生理參數(shù)重視的很少。

本系統(tǒng)主要通過性價(jià)比較高、穩(wěn)定的Zigebee網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對作物生理環(huán)境參數(shù)的采集以便于根據(jù)系統(tǒng)集成的專家推薦經(jīng)驗(yàn)環(huán)境值通過一些設(shè)備來改善環(huán)境，提高作物的成活率，增產(chǎn)增效，節(jié)省成本。實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的智慧溫室，提高產(chǎn)值。

圖1 系統(tǒng)整體拓?fù)?/p>

1 環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即終端節(jié)點(diǎn)層、數(shù)據(jù)傳輸層以及應(yīng)用層。系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)層主要分為數(shù)據(jù)采集和輸出控制兩類模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊主要完成溫室環(huán)境的土壤以及環(huán)境的溫濕度、PH值、空氣中的二氧化碳含量等信息值，設(shè)備控制模塊主要根據(jù)監(jiān)控中心或者協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的指令進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境溫濕度及地灌、二氧化碳等設(shè)備進(jìn)行控制，從而將環(huán)境改善適合作物的生長環(huán)境；數(shù)據(jù)的傳輸層主要由Zigebee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)、路由以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成；應(yīng)用層主要由Labview進(jìn)行上位機(jī)界面設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對連棟溫室的監(jiān)控監(jiān)測。

本設(shè)計(jì)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)通過使用協(xié)調(diào)器發(fā)命令對終端進(jìn)行輪詢數(shù)據(jù)查詢的方式，這種方式可以保證每個(gè)終端在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的地址分配唯一，不存在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突及丟包問題，Zigebee的理論接入點(diǎn)為65536，本設(shè)計(jì)通過對Zigebee發(fā)射功率的加強(qiáng)，大大增加了其傳輸性能，增大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 芯片及模塊選型

CC2530具有成本低、功耗低以及硬件資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，屬于帶射頻的單片機(jī)?？梢灾苯訉鞲衅鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，CC2530具有8路 AD轉(zhuǎn)換通道 可以連接8種模擬量傳感器及多種數(shù)字及開關(guān)量傳感器。通過定時(shí)器、通訊、DMA、定時(shí)器以及協(xié)議處理器等完成較復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集及傳輸任務(wù)。在本設(shè)計(jì)中主要涉及的物理量有空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度以及土壤PH值等。需要接入的傳感器主要為DS18B20數(shù)字式溫度傳感器、HM1500模擬量濕度傳感器以及HA151-PH型耐堿pH電極PH值傳感器、光強(qiáng)、二氧化碳等模擬量傳感器。CC2530結(jié)合自身的豐富資源完全可以滿足一個(gè)分站的設(shè)計(jì)需求。

2.2 Zigbee硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的CC2530具有電路設(shè)計(jì)簡單，可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)，如圖2所示為Zigebee的基礎(chǔ)工作電路。電路中的32M時(shí)鐘晶振的主要作用是為CPU供主頻，本設(shè)計(jì)中需要使用RF射頻功能，因此對此時(shí)鐘的性能參數(shù)要求較高。系統(tǒng)中的32.768kHz晶振主要作用是當(dāng)CC2530進(jìn)入睡眠模式時(shí)為睡眠定時(shí)器以及看門狗提供時(shí)鐘從而降低系功耗。射頻天線接口的作用是將CC2530輸出的模擬信號通過外圍天線電路發(fā)射出去，信號通過LC電路以及匹配電路將單端信號與天線的阻抗匹配后通過陶瓷天線將信號發(fā)射出去。

表2 完整幀格式

為了避免電路受到電源的影響，電路中增加了電源濾波，為了更精確的得到AD，選取了REF3330芯片作為Zigebee的精準(zhǔn)外部參考電壓。協(xié)調(diào)器中選擇芯片的P0_2和P0_3作為串行通訊接口并可通過MAX232芯片與主機(jī)進(jìn)行通訊。

圖2 Zigbee硬件電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)議棧及處理流程

本系統(tǒng)采用z_stack協(xié)議棧軟件進(jìn)行開發(fā)，使用此軟件主要在初始化過程中通過函數(shù)osal_init_system()這個(gè)接口函數(shù)來初始化操作系統(tǒng)的抽象層，通過調(diào)用osalInitTasks()函數(shù)來對任務(wù)列表進(jìn)行優(yōu)先級的分配以及任務(wù)的調(diào)度，優(yōu)先級高的返回小值。在協(xié)議棧中有個(gè)負(fù)責(zé)任務(wù)處理的數(shù)組taskArr[]，其內(nèi)容與osalInitTask()初始化的順序是相同的，更利于任務(wù)的調(diào)度。當(dāng)前的掃描任務(wù)主要由tasksEvents指針指向。

3.2 數(shù)據(jù)幀傳輸編碼

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，本文設(shè)計(jì)了傳輸幀格式，將采集到的一組數(shù)據(jù)以打包的形式發(fā)送出去，在每一幀中都有校驗(yàn)碼，提高數(shù)據(jù)的可靠性。每一幀的數(shù)據(jù)格式分配如表1所示：單獨(dú)的有效數(shù)據(jù)幀以“{{” 開頭，以“}}”結(jié)束；ID為5個(gè)字節(jié)，其中前兩個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)內(nèi)容長度，接下來兩個(gè)字節(jié)為序列號, 例如：00 01～99 99用來區(qū)分是第幾個(gè)數(shù)據(jù)；最后一個(gè)字節(jié)來表示數(shù)據(jù)類型，如B：濕度。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

當(dāng)Data為濕度信號值。一段完整的數(shù)據(jù)幀如表2所示：

表2中的設(shè)備地址主要區(qū)分是哪個(gè)數(shù)據(jù)采集分站的數(shù)據(jù)，用兩個(gè)字節(jié)；作為識(shí)別一幀數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束分辨用引號來表示；CS校驗(yàn)方式：校驗(yàn)碼主要為(ID＋識(shí)別碼+數(shù)據(jù))%256來作為校驗(yàn)碼。

4 現(xiàn)場測試及應(yīng)用

分別將防水溫度采集探頭、濕度探頭、光照以及PH值等傳感器接入16組數(shù)據(jù)采集分站，將分站在每棟溫室內(nèi)放兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。在上電后Zigebee實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，將實(shí)時(shí)采集的書庫傳送至主機(jī)及上位機(jī)。

圖3 現(xiàn)場應(yīng)用及上位機(jī)

為了給溫室內(nèi)的作物提供更加合理的生長環(huán)境，該系統(tǒng)內(nèi)部建立了相關(guān)作物的生長條件專家系統(tǒng)，可以更加方便的指導(dǎo)業(yè)主對作物更加合理的種植，對作物的生長環(huán)境改善實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)控制，方便管理。通過現(xiàn)場實(shí)踐表明，該網(wǎng)絡(luò)信息傳輸穩(wěn)定，方便實(shí)用，大大的改變了以往人工檢測的情況，更加合理的對通風(fēng)、增二氧化碳以及排濕等操作。達(dá)到很好的降本增效效果。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)主要通過在聯(lián)動(dòng)溫室內(nèi)安裝基于Zigebee的無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，對溫室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)了解溫室內(nèi)的溫濕度以及光照等，便于及時(shí)通過增二氧化碳泵、滴管等來改變溫室的環(huán)境，從而使得作物成長在一個(gè)舒適的環(huán)境，增產(chǎn)增效，節(jié)約成本，具有實(shí)用價(jià)值。

[1]劉玉珍,程政,蔣靖．基于Zigebee的井下巷道瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)[J]．儀表技術(shù)與傳感器2012(9):49-51．

[2]徐盛龍,王偉波,基于Zigebee的工業(yè)無線數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)[J]．工礦自動(dòng)化,2013,39(7):88-90．

邱宇（1978—），男，江蘇常州人，大學(xué)本科，工程師，主要從事自動(dòng)化產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。