基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要： 針對(duì)目前農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)的實(shí)際情況，提出一種基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)智慧農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用TI公司的CC2530芯片作為無(wú)線ZigBee節(jié)點(diǎn)，組成無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)、信息監(jiān)聽(tīng)、等待、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)透?jìng)?、自找空閑透?jìng)髀窂降忍攸c(diǎn)。系統(tǒng)使用多組低壓繼電器控制大棚的通風(fēng)窗、遮光簾、保溫簾、滴灌、補(bǔ)光器。控制系統(tǒng)可以進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)及手動(dòng)和自動(dòng)切換。系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置的參數(shù)，算法及各種狀態(tài)，主控器將其儲(chǔ)存在自身的E2PROM中。主控制器通過(guò)數(shù)據(jù)比較與算法計(jì)算，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)透?jìng)鹘o路由器，控制通風(fēng)窗、遮光簾、保溫簾、滴灌、補(bǔ)光器，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)代化的數(shù)字化管理功能。

關(guān)鍵詞： ZigBee； Mesh網(wǎng)絡(luò)； 數(shù)字化大棚； 環(huán)境量傳感器； 工業(yè)觸摸屏

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）16?0071?04

Abstract：Aiming at the actual situation of agricultural greenhouse production， a kind of intelligent agricultural greenhouse control system based on wireless Mesh network is proposed in this paper. CC2530 chip of TI company is adopted in the system as the ZigBee wireless node to form the wireless mesh network. The network has the characteristics of self?organized network， information monitoring， waiting， low?power consumption， multi?node， data transmission and asking for leisure transmission path. The multiple sets of low?voltage relays are used to control ventilation window， curtain， blanket， drop irrigation， fill?in light of greenhouse. The control system can carry on the algorithm design， parameter design and manual and automatic switch. The parameters， algorithm and various state set through man?machine interface are stored in the E2PROM of the system by the main controller， and are sent to the router through a wireless network according to data comparison and arithmetic calculation to control the ventilation window， shade curtain， heat preservation curtain， drip irrigation and fill?in light， so as to realize the deigital management function of agricultural greenhouse modernization.

Keywords： ZigBee； Mesh network； digital greenhouse； environmental quantity sensor； industrial touch screen

0 引 言

菜農(nóng)因其簡(jiǎn)陋的大棚設(shè)施，必須每天花足夠多的時(shí)間給農(nóng)作物通風(fēng)、灌溉、施肥、導(dǎo)致收入利潤(rùn)低下。因此設(shè)計(jì)安全、可靠、科學(xué)的數(shù)字化農(nóng)業(yè)大棚很有必要。隨著現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，將大大地提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率與質(zhì)量。本文將信息技術(shù)與當(dāng)前農(nóng)業(yè)有機(jī)的結(jié)合，更好地解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一些實(shí)際問(wèn)題[1?2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)界面，顯示各環(huán)境量、各執(zhí)行器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)和算法。工業(yè)觸摸屏通過(guò)Modbus協(xié)議與控制器單片機(jī)通信。ZigBee的各個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器采集土壤溫濕度、室內(nèi)溫濕度、室內(nèi)光照、室外光照、室內(nèi)CO2和室外CO2等環(huán)境量通過(guò)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行透?jìng)鳌＿M(jìn)行算法計(jì)算和設(shè)定值比較，輸出執(zhí)行器的輸出值給路由器，通過(guò)路由器的控制器控制各執(zhí)行器的狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)處于異常時(shí)，還可以通過(guò)手動(dòng)方式切除控制系統(tǒng)的控制，通過(guò)手動(dòng)的人工方式處理各執(zhí)行器的狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路較多，而且很多電路涉及無(wú)線射頻電路，因此硬件的穩(wěn)定和抗干擾等性能是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大難題。由于系統(tǒng)電路比較復(fù)雜，而且許多元器件的成本都比較高，采用模塊化組裝的形式，構(gòu)建系統(tǒng)的硬件電路，方便將來(lái)不會(huì)因某個(gè)模塊損壞就廢棄，只需更換該模塊即可。硬件電路中很多元器件都是貼片封裝，因此系統(tǒng)的所有電路都采用PCB制版，方便焊接和將來(lái)的大規(guī)模生產(chǎn)。

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)定的電源電路是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的電源主要有三種：觸摸屏電源24 V，ZigBee，MSP430，STC15W4K48S4單片機(jī)與若干傳感器電源3～3.3 V；繼電器電源5 V。系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源給系統(tǒng)提供DC 24 V和5 V電壓。開(kāi)關(guān)電源的輸入為AC 220 V，通過(guò)變壓器降壓，二極管組成整流橋進(jìn)行整流，并聯(lián)多種阻值的電容濾波，最后使用穩(wěn)壓芯片生成相應(yīng)的電壓如圖2所示。

環(huán)境量采集節(jié)點(diǎn)的電源由兩節(jié)干電池直接供電，供電電壓為3 V，因此沒(méi)有再穩(wěn)壓，只是在MSP430和ZigBee的電源輸入端添加兩個(gè)電容，輔助提供模塊發(fā)射瞬間的瞬變電流的作用。

2.2 ZigBee模塊電路設(shè)計(jì)

ZigBee模塊主要由CC2530和CC2591兩個(gè)芯片構(gòu)成。模塊引出了CC2530芯片的所有I/O口。該模塊設(shè)計(jì)成串口透?jìng)餍问?，其與下位機(jī)通信采用Modbus協(xié)議。當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，只需要喚醒ZigBee，發(fā)送目的地址加數(shù)據(jù)即可。ZigBee電路在原理上與TI公司給的一樣，但是需要注意在PCB板布局上，電容應(yīng)該盡量靠近芯片引腳，而且通信走線盡量短且粗。復(fù)位線盡量不與其他走線并行，周?chē)M量設(shè)計(jì)為地平面以起到屏蔽效果，復(fù)位線盡量短，全長(zhǎng)盡量不超過(guò)50 mm，復(fù)位線上掛接元器件應(yīng)盡量少，避免額外的干擾[3]。

2.3 環(huán)境量傳感器采集電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的傳感器大都是數(shù)字信號(hào)傳感器，采用的通信格式為Modbus和I2C，所設(shè)計(jì)的線路和處理上要滿(mǎn)足該通信格式的要求。串口和I2C通信所引出的線都不宜太長(zhǎng)，而且都要求通信電纜要有外屏蔽線，防止外部環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾。

BH1750FVI是一種用于I2C通信的光照強(qiáng)度數(shù)字集成芯片。本模塊的ADDR引腳接地，采取高分率測(cè)量模式。I2C的兩個(gè)引腳都加一個(gè)10 kΩ的上拉電阻，加大引腳的驅(qū)動(dòng)能力。電源端加一個(gè)104的獨(dú)石電容，為芯片濾波[4?5]如圖3所示。

空氣溫濕度傳感器選用SHT10芯片，為了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性傳輸，需要在電源與地端接100 nF的電容，數(shù)據(jù)端接10 kΩ的上拉電阻。導(dǎo)線需要用有屏蔽干擾功能的電纜。

CO2模塊采用非色散紅外（NDIR）原理對(duì)空氣中的CO2進(jìn)行探測(cè)，該模塊為串口通信。電路原理圖較為簡(jiǎn)單，該模塊有四個(gè)引腳，其中兩個(gè)串口引腳RX與TX端交叉連接到MSP430的串口1（P36與P37）。在PCB布局連線時(shí)，盡量讓連線短，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件與測(cè)試

3.1 工業(yè)觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

SuKon觸摸屏采用的編程軟件是HMI（Human Machine Interface），通過(guò)Modbus協(xié)議、CAN總線協(xié)議與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的交互。

MSP430首先對(duì)自身進(jìn)行初始化，選擇頻率輸入方式、定時(shí)器初始化、串口初始化，其次對(duì)ZigBee進(jìn)行初始化，各個(gè)傳感器初始化。當(dāng)定時(shí)器的時(shí)間溢出時(shí)，退出低功耗模式，便開(kāi)始采集傳感器數(shù)據(jù)，喚醒ZigBee的終端設(shè)備，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)透?jìng)鹘o終端設(shè)備。最后和終端設(shè)備一起進(jìn)入低功耗模式，等待定時(shí)器的再次溢出[7]。

3.2 ZigBee軟件設(shè)計(jì)

ZigBee聯(lián)盟為ZigBee協(xié)議棧2007定義了2個(gè)規(guī)范：ZigBee與ZigBee PRO。ZigBee設(shè)備只要遵循該規(guī)范即可[8?9]。用戶(hù)如果改變規(guī)范，形成自己特定的網(wǎng)絡(luò)，那么ID號(hào)為0。該協(xié)議的規(guī)范ID（STACK_PROFILE_ID）在nwk_globals.h頭文件中有定義。

ZigBee設(shè)備的地址在整個(gè)協(xié)議棧開(kāi)發(fā)中是很重要的，為保證設(shè)備地址的惟一性，協(xié)議棧通過(guò)分布式尋址分配網(wǎng)絡(luò)地址。

R=1，Cskip（d）=1+C*（L-d-1）；

R≠1，Cskip（d）=（1+C-R-C*R^（L-d-1））/（1-R）；

父設(shè)備的第n個(gè)子路由設(shè)備的短地址分配為：

n=1，Achild=Aparen+（n-1）*Cskip（d）+1；

n>1，Achild=Aparen+（n-1）*Cskip（d）；

父設(shè)備的第n個(gè)子終端設(shè)備的短地址分配為：

Achild=Aparen+R*Cskip（d）+n；

用戶(hù)在做具體的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，只能通過(guò)調(diào)用API接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法知道ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)。ZigBee的協(xié)議棧由main（）函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行，而該函數(shù)只做兩件事情：系統(tǒng)初始化；執(zhí)行輪轉(zhuǎn)查詢(xún)式操作系統(tǒng)。其中系統(tǒng)初始化如圖4所示。

協(xié)議棧的每一層設(shè)計(jì)了事件處理函數(shù)，處理當(dāng)層相關(guān)的事件，這些事件處理函數(shù)其實(shí)就是協(xié)議棧每一層相對(duì)應(yīng)的任務(wù)。通過(guò)調(diào)度協(xié)議棧的任務(wù)進(jìn)行處理，那么協(xié)議棧便會(huì)以時(shí)間為順序，有條不紊的運(yùn)行程序[10?11]。

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)計(jì)完系統(tǒng)的硬件原理圖后，便開(kāi)始PCB制版與焊接，主控制板的硬件實(shí)物如圖5所示，板子的面積為9.7 cm×9.7 cm，板子的最大高度為2 cm，板子引出了單片機(jī)另外三個(gè)串口，方便未來(lái)擴(kuò)展。所有多余的I/O口都用接線端子引出，ZigBee模塊另接一個(gè)50 Ω的天線。板子里有兩個(gè)貼片的LED：一個(gè)為電源指示燈，另一個(gè)為ZigBee組網(wǎng)狀態(tài)指示燈。板子四腳留有過(guò)孔，方便安裝與固定。

節(jié)點(diǎn)采集板如圖6所示，底板面積為6 cm×7 cm，高度2 cm。由于底板不留MSP430的仿真下載口，所以MSP430另作小板，下完程序再插接上。底板留出了四組傳感器接口和16個(gè)I/O口，四角留有過(guò)孔。留有一個(gè)跳帽和LED，LED可以觀察到終端設(shè)備是否連接上網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)不需要LED指示組網(wǎng)情況時(shí)，可拔掉跳帽，節(jié)省功耗。PCB引腳連線的線寬都為0.5 cm，底板Top Layer大面積鋪地，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。

系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)每一分鐘采集一次數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器，路由器再轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。其余時(shí)間，采集板上的ZigBee，MSP430和傳感器都進(jìn)入休眠狀態(tài)。路由器、繼電器板、主控制器與觸摸屏長(zhǎng)時(shí)間處于供電工作狀態(tài)。主控制器將節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)上傳給觸摸屏，并通過(guò)手動(dòng)切換控制繼電器，所有一切設(shè)備都能正常工作，如圖7所示。

3.3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

測(cè)試設(shè)備：30個(gè)環(huán)境量采集板，每個(gè)板掛接2個(gè)溫濕度傳感器、1個(gè)光照傳感器；5個(gè)繼電器板；1個(gè)主控制器和1個(gè)觸摸屏。

測(cè)試分布：隨機(jī)分布在1.5 km的范圍內(nèi)。

測(cè)試結(jié)果：所有設(shè)備都正常工作，30個(gè)溫濕度傳感器同一時(shí)刻采集的溫度最大值與最小值的差為0.5 ℃；濕度最大值與最小值的差為1%RH；30個(gè)光照傳感器采集的最大值與最小值差為4 lux。

3.3.2 采集板功耗測(cè)試

本系統(tǒng)的關(guān)鍵是在采集板用普通兩節(jié)1號(hào)干電池供電工作半年以上。普通的一號(hào)干電池含電量為2 500 mA·h，但電池會(huì)有自放電現(xiàn)象，假設(shè)干電池在半年的時(shí)間里自放電達(dá)自身電量的30%，那么可用電量為1 750 mA·h。終端設(shè)備每分鐘工作時(shí)間為1 s，休眠狀態(tài)電流為20 μA，工作狀態(tài)電流為20 mA。平均電流為353 μA，工作半年需要1 524 mA·h。因此兩節(jié)普通1號(hào)干電池供電可達(dá)半年以上。

3.3.3 系統(tǒng)性能評(píng)估

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多天的測(cè)試，性能如下：組成的網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)沒(méi)出現(xiàn)過(guò)調(diào)網(wǎng)現(xiàn)象。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在空曠場(chǎng)地的非視距傳播距離為1.3 km。終端設(shè)備進(jìn)入休眠，在3 V供電的電流為20 μA。終端設(shè)備在喚醒后工作電流（3 V供電）為20 mA（包括三個(gè)傳感器）。系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)丟失率低于0.01%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以ZigBee，MSP430，STC15W4K48S4為控制核心，配套相關(guān)傳感器，并設(shè)計(jì)制作了人機(jī)界面。本系統(tǒng)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)相關(guān)的執(zhí)行器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，節(jié)省了人力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)并制作了實(shí)物樣機(jī)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 喬曉軍，張馨，王成，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（z2）：232?234.

[2] 陳莉.基于ZigBee協(xié)議的環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[3] 高守瑋，吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[4] 求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[5] 張輝，李建軍，王佳熙，等.電機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（10）：3395?3397.

[6] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2012.

[7] 金純，羅祖秋，羅風(fēng).ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[8] 龐娜，程德福.基于ZigBee無(wú)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），2010，28（1）：55?60.

[9] 高翔，鄧永莉，呂愿愿，等.基于Z?Stack協(xié)議棧的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（11）：1534?1538.

[10] 張奇松，尹航.Z?Stack剖析及其在無(wú)線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2009，18（2）：103?105.

[11] 董亮，張靈，陳云華.基于限制廣播的ZigBee分布式動(dòng)態(tài)能量均衡協(xié)議[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（8）：1120?1124.