基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏興++祝詩(shī)平++黃華+賀園園

摘要：我國(guó)重慶地區(qū)煙草育苗大棚多建在偏遠(yuǎn)山區(qū)農(nóng)村，坐落在同一地點(diǎn)的多個(gè)大棚相對(duì)集中形成大棚群。為了對(duì)大棚群里每一個(gè)大棚的棚內(nèi)空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質(zhì)溫度以及水池溫度等環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)一套基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器完成信息的采集、處理和GPRS遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，在KELL C51和IAR Embeded Workbench for MCS-51 7.51 A上編寫(xiě)ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)、信息數(shù)據(jù)的采集與處理、TCP網(wǎng)絡(luò)通信的C程序，并在LabVIEW 2010環(huán)境下編寫(xiě)系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)界面。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)煙草育苗大棚環(huán)境參數(shù)的采集、處理和無(wú)線傳輸，同時(shí)系統(tǒng)的上位機(jī)人機(jī)界面上可顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并發(fā)布數(shù)據(jù)到Internet網(wǎng)絡(luò)上。

關(guān)鍵詞：ZigBee；GPRS；煙草育苗；大棚群；環(huán)境參數(shù)；無(wú)線監(jiān)測(cè)；LabVIEW；數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)： TP212.6；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）02-0414-04

收稿日期：2015-01-12

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（編號(hào)：XDJK2013C107）。

作者簡(jiǎn)介：魏興（1989—），男，四川營(yíng)山人，碩士研究生，主要從事智能檢測(cè)與控制研究。E-mail：429249022@qq.com。

通信作者：祝詩(shī)平（1969—），男，四川巴中人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能檢測(cè)與控制研究。E-mail：zspswu@126.com。煙草育苗是煙草栽培過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，培育出健壯、無(wú)病、適期、適齡、形體大小適宜的煙苗，在整個(gè)煙草種植過(guò)程中起很關(guān)鍵的作用[1]。例如，育苗播種后，溫室內(nèi)的溫度須保持在25 ℃左右，濕度應(yīng)保持在50%，這樣的環(huán)境最適宜煙苗發(fā)育生長(zhǎng)。因此，在煙苗生長(zhǎng)過(guò)程中的管理至關(guān)重要，對(duì)育苗環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)成了育苗過(guò)程中一項(xiàng)必不可少的工作。

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)展，近距離局域無(wú)線通信技術(shù)日趨成熟。ZigBee技術(shù)作為一種近距離、自組網(wǎng)、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，多用在區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的信息采集[2-3]。ZigBee也通常與GPRS相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)信息的多點(diǎn)采集與遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，是采集點(diǎn)較集中而監(jiān)測(cè)中心很遠(yuǎn)的情況下的最佳應(yīng)用組合[4]。

我國(guó)重慶地區(qū)的煙草種植基地分散在各縣（市、區(qū)）山村，某一村戶建造管理多個(gè)煙草育苗大棚，這些數(shù)量不多且相對(duì)集中在同一地點(diǎn)的大棚形成了大棚群。對(duì)育苗大棚環(huán)境參數(shù)的測(cè)量采用傳統(tǒng)溫度計(jì)人工測(cè)量方式，費(fèi)勞費(fèi)時(shí)；后來(lái)也有采用基于GPRS技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)，但是為了布線方便和節(jié)約成本，針對(duì)大棚群的多個(gè)大棚，往往只選其中1個(gè)大棚進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)，以此代表整個(gè)大棚群的情況。針對(duì)這一情況，本研究將ZigBee與GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)所有煙草育苗大棚的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，GPRS將ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集的環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)煙草育苗大棚群里所有大棚的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)。

1基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為了讓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)育苗大棚群里每一個(gè)育苗大棚的棚內(nèi)空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質(zhì)溫度以及水池溫度等環(huán)境參數(shù)，能夠給煙草育苗獲得更實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的管理依據(jù)，給煙苗創(chuàng)造一個(gè)更適合茁壯成長(zhǎng)的環(huán)境，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)行模塊化方案設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)、信息采集終端子節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心三大模塊組成。信息采集終端子節(jié)點(diǎn)通過(guò)區(qū)域內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)主節(jié)點(diǎn)，再由GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至Internet網(wǎng)絡(luò)，從而與上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心實(shí)現(xiàn)通信。

2基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分上，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，須要對(duì)協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)和信息采集的終端子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了保證各模塊能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，各模塊均采用易普EP-2不間斷電源供電。EP-2內(nèi)置大容量高品質(zhì)鋰離子電池可邊充電邊用，連續(xù)循環(huán)壽命達(dá)1 000次以上。精選進(jìn)口電芯及IC，具備過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路及溫度保護(hù)，恒定電壓輸出，電流自適應(yīng)，高達(dá)數(shù)十萬(wàn)小時(shí)無(wú)故障時(shí)間，確保安全穩(wěn)定。使用該電源后，即使在長(zhǎng)時(shí)間停電的情況下，也不會(huì)影響模塊的正常工作。

2.1協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)硬件模塊化設(shè)計(jì)

主控單元單片機(jī)（MCU）、ZigBee模塊、GPRS模塊三部分共同組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)。在主節(jié)點(diǎn)模塊，協(xié)調(diào)器MCU匯聚來(lái)自無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各子節(jié)點(diǎn)采集到的信息數(shù)據(jù)，主控單元使用串行外設(shè)接口與協(xié)調(diào)器模塊相互連接，將信息數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心。協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控單元MCU選用STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)為單時(shí)鐘雙串口，工作電壓為3.3～5.5 V，以防電源抖動(dòng)，含有60 kB可反復(fù)擦寫(xiě)10萬(wàn)次以上的Flash程序存儲(chǔ)器、1 280 B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其指令代碼與傳統(tǒng)的8051完全兼容，運(yùn)行速度快，比普通的8051快8～12倍，而且具有能耗小、抗擾性能好的優(yōu)點(diǎn)。因此，根據(jù)模塊硬件設(shè)計(jì)要求，采用這款性能比較好的單片機(jī)作為主控單元的MCU。

協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)與終端子節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信采用TI公司的CC2530無(wú)線單片機(jī)。CC2530含有8051MCU內(nèi)核，擁有高速SPI串行通信端口，滿足國(guó)際IEEE802.15.4協(xié)議和Z-Stack協(xié)議棧，適應(yīng)2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器[5]。此外，CC2530還具有不同的運(yùn)行模式，各運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間短，使得其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗無(wú)線通信，是一款真正的片上系統(tǒng)芯片（SOC）[6]。

主節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊采用SIM900a數(shù)據(jù)傳輸模塊，內(nèi)置完善的TCP/IP協(xié)議簇，通過(guò)串口通信與主控單元MCU進(jìn)行通信[7]。模塊能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)自動(dòng)處理成IP數(shù)據(jù)包，通過(guò)GPRS空中接口接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)，最后經(jīng)網(wǎng)關(guān)、路由和Internet網(wǎng)絡(luò)到達(dá)上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸[8]。

2.2終端子節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端子節(jié)點(diǎn)模塊由單片機(jī)系統(tǒng)、棚內(nèi)空氣溫濕度檢測(cè)、棚內(nèi)照度檢測(cè)、棚外溫度檢測(cè)、大棚基質(zhì)溫度檢測(cè)以及大棚水池溫度檢測(cè)傳感器組成，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CC2530模塊實(shí)現(xiàn)局域內(nèi)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)自行組建，并實(shí)時(shí)采集獲取傳感器的信息數(shù)據(jù)，將有效的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回協(xié)調(diào)器再進(jìn)行后續(xù)處理。

大棚內(nèi)空氣溫濕度檢測(cè)采用數(shù)字型傳感器DHT21，單線制串行接口，功耗非常小、響應(yīng)迅速、抗擾性強(qiáng)，傳輸信號(hào)距離超過(guò)20 m，在90%～100%RH的高濕度環(huán)境中仍然能夠長(zhǎng)期確保準(zhǔn)確輸出，對(duì)于濕度比較高的環(huán)境非常適用。

棚內(nèi)光照檢測(cè)選用數(shù)字傳感器GY-30光照模塊，其BH1750FVI芯片內(nèi)置16 bit AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號(hào)輸出，檢測(cè)照度范圍為0～65 535 lx，模塊內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)IIC通信協(xié)議，采集到的信息數(shù)據(jù)由CC2530單片機(jī)通過(guò)IIC總線定時(shí)處理。

棚外溫度檢測(cè)、大棚基質(zhì)溫度檢測(cè)以及大棚水池溫度檢測(cè)均采用防水型DS18b20數(shù)字溫度傳感器探頭。數(shù)字溫度傳感器的測(cè)量分辨率可通過(guò)程序來(lái)進(jìn)行9～12位的設(shè)置，測(cè)量的溫度低至-55 ℃左右，高達(dá)125 ℃左右，在-10～85 ℃的溫度范圍之內(nèi)測(cè)量精度的范圍為±0.5 ℃。傳感器采用單總線接口，與MCU通信只需要1條口線，其探頭的密封使用導(dǎo)熱性能好的膠體，以確保溫度延遲小、靈敏度高、抗擾性能好，對(duì)處于較差場(chǎng)合下進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)非常適用。

3基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸兩大部分，以實(shí)現(xiàn)ZigBee在區(qū)域內(nèi)自動(dòng)組網(wǎng)和信息數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

3.1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)[9]。嵌入由IAR Embedded Workbench for MCS.51開(kāi)發(fā)的Z-Stack協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee的自動(dòng)組網(wǎng)。

在ZigBee數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)中，單片機(jī)先初始化協(xié)議棧和各傳感器模塊后，再發(fā)出申請(qǐng)加入ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)的加入信號(hào)，成功加入?yún)^(qū)域內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后再啟用協(xié)議棧，讀取各個(gè)傳感器相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)并將信息數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。無(wú)線數(shù)據(jù)采集終端子節(jié)點(diǎn)的主程序流程如圖4所示。

在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)中的協(xié)調(diào)器處于最上端的核心位置，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建以及協(xié)調(diào)調(diào)度各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，其主程序先要對(duì)內(nèi)外部設(shè)備進(jìn)行初始化后，再進(jìn)行程序的循環(huán)等待終端子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，然后再處理接收到的信息數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器主程序流程如圖5所示。

3.1.2GPRS無(wú)線傳輸軟件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)中的主控單元與SIM900a無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊相互連接和通信是使用串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SIM900a無(wú)線數(shù)傳模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議簇，鑒于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)與監(jiān)測(cè)中心無(wú)線數(shù)傳的實(shí)時(shí)性和可靠性要求都非常高，雙方要保持隨時(shí)連接，所以選用面向連接的TCP傳輸控制協(xié)議作為GPRS的傳輸協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽亢蜏?zhǔn)確[10]。

主控制器單片機(jī)通過(guò)AT指令驅(qū)動(dòng)SIM900a模塊登陸上網(wǎng)、建立TCP連接來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸主程序流程如圖6所示，需要調(diào)用的一些主要函數(shù)如下：

Send_AT_Command（uchar type， uchar *str_at， uchar *str_code）； //寫(xiě)模塊AT指令

Init_SIM900a（char *ptr1_at，char *ptr1_code） ； //SIM900a模塊初始化

GPRS_Set（char *ptr1_at，char *ptr1_code，char *ptr_tel）； //建立TCP連接，域名方式

GPRS_Data_Trans （uchar *data_str）； //檢驗(yàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

GPRS_Send（char *ptr1_at，char *ptr1_code）； // TCP數(shù)據(jù)發(fā)送

strsearch（uchar *ptr2，uchar *ptr1）； //處理字符串，驗(yàn)證應(yīng)答

3.2上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)

為了能方便、直觀、快捷地了解育苗大棚的實(shí)時(shí)狀態(tài)，在LabVIEW 2010環(huán)境下編寫(xiě)1個(gè)可視化監(jiān)測(cè)平臺(tái)來(lái)處理下位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)，包括實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，以便于管理人員隨時(shí)分析決策[11]。

在接收數(shù)據(jù)過(guò)程中，服務(wù)器端調(diào)用TCP偵聽(tīng)函數(shù)對(duì)特定的端口進(jìn)行偵聽(tīng)，讀取終端發(fā)送回的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示在界面

上并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。開(kāi)啟LabVIEW集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中的LabVIEW Web Server服務(wù)器，配置好需要遠(yuǎn)程發(fā)布VI的Internet配置，打開(kāi)VI前面板窗口，使用LabVIEW 自帶的“Web Publishing Tool”就可將配置好的的VI發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上去[12]。這樣，無(wú)論電腦下有沒(méi)有安裝LabWIEW，只須在Web瀏覽器地址按規(guī)定格式輸入U(xiǎn)RL，就可訪問(wèn)到在服務(wù)器上運(yùn)行的VI了[13]。上位機(jī)軟件流程如圖7所示。

4基于ZigBee煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試在大棚群現(xiàn)場(chǎng)的4個(gè)大棚里各部署1個(gè)信息采集終端子節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)放置在大棚管理室內(nèi)，并設(shè)定各終端子節(jié)點(diǎn)每5 min采集發(fā)送1次數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行為期1周的測(cè)試，結(jié)果如下：

（1）監(jiān)測(cè)中心能夠監(jiān)測(cè)到大棚群環(huán)境參數(shù)情況，并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，上位機(jī)無(wú)線監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)顯示如圖8所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)如圖9所示。

（2）在7 d的測(cè)試中，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)丟包率平均為0.53%，說(shuō)明系統(tǒng)傳輸部分運(yùn)行正常。網(wǎng)絡(luò)丟包率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)⒉杉降沫h(huán)境信息實(shí)時(shí)快速地傳回至監(jiān)測(cè)中心，達(dá)到預(yù)期的效果。

5結(jié)束語(yǔ)

煙草育苗是烤煙生產(chǎn)的一個(gè)非常重要的階段，煙苗生長(zhǎng)的好壞直接關(guān)系到煙農(nóng)當(dāng)年的經(jīng)濟(jì)收入水平的高低。對(duì)于煙草育苗階段煙苗生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與日常管理顯得特別重要。因此，本研究開(kāi)發(fā)一套基于ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)相結(jié)合的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)大棚群里每一個(gè)大棚的棚內(nèi)空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質(zhì)溫度以及水池溫度等環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)模塊進(jìn)行自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)局域內(nèi)信息實(shí)時(shí)采集，并利

用GPRS模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立可靠穩(wěn)定的連接，將各個(gè)育苗棚的環(huán)境信息實(shí)時(shí)快速地傳至監(jiān)測(cè)中心。對(duì)于環(huán)境參數(shù)信息的監(jiān)測(cè)，在采集點(diǎn)相對(duì)集中而監(jiān)測(cè)中心較遠(yuǎn)的情況下均可運(yùn)用該系統(tǒng)。

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