基于ZigBee和LabVIEW的雪情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

趙化啟，劉曉敏，溫達(dá)志，耿春偉，王智軍，張凱強(qiáng)

(佳木斯大學(xué)，黑龍江佳木斯 154007)

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基于ZigBee和LabVIEW的雪情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

趙化啟，劉曉敏*，溫達(dá)志，耿春偉，王智軍，張凱強(qiáng)

(佳木斯大學(xué)，黑龍江佳木斯 154007)

針對(duì)近年來(lái)蔬菜大棚因?yàn)榻笛┒霈F(xiàn)的大面積減產(chǎn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee和LabVIEW的蔬菜大棚積雪量檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)都以CC2530為核心，分別分布在不同位置的終端節(jié)點(diǎn)，采集積雪厚度后，通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)器通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)檢測(cè)；上位機(jī)界面采用LabVIEW開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)及報(bào)警等功能。實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、低功耗、安裝簡(jiǎn)便、可擴(kuò)展性強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。

雪情檢測(cè)；ZigBee；LabVIEW；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

蔬菜大棚的存在使人們?cè)诤涞亩煲材苁秤眯迈r的蔬菜，但是每年冬天因?yàn)榻笛?dǎo)致蔬菜大棚坍塌致使菜農(nóng)經(jīng)濟(jì)損失的新聞屢見(jiàn)不鮮。若積雪壓垮大棚，不但棚內(nèi)蔬菜會(huì)絕收，而且重建大棚的費(fèi)用也很高。為此，筆者針對(duì)蔬菜大棚降雪量檢測(cè)提出了可行方案。該系統(tǒng)基于ZigBee的無(wú)線傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚積雪覆蓋厚度的檢測(cè)，通過(guò)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送到服務(wù)器并存儲(chǔ)分析，利用LabVIEW上位機(jī)軟件經(jīng)過(guò)算法將數(shù)據(jù)顯示和分析[1-3]，并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

ZigBee組網(wǎng)結(jié)構(gòu)有星狀、網(wǎng)狀、樹(shù)狀3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]，根據(jù)蔬菜大棚雪情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的特點(diǎn)，選擇星狀結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　蔬菜大棚雪情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of vegetable greenhouse snowfall monitoring system

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的中心位置，終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)利用ZigBee技術(shù)傳到路由節(jié)點(diǎn)，再傳給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器主要作用是選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)(PAN ID)，然后開(kāi)始這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)閰f(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)始，具有網(wǎng)絡(luò)最高權(quán)限，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)者，可以保持間接尋址用的表格綁定，同時(shí)還可以設(shè)計(jì)安全中心和執(zhí)行其他動(dòng)作，保持網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1處理器該系統(tǒng)使用的微處理芯片為結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧(Z-StackTM)的CC2530芯片，此芯片用于2.4-GHzIEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，擁有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗[5-6]。

2.2測(cè)距傳感器該系統(tǒng)中測(cè)距傳感器采用的是工業(yè)級(jí)低功耗高精度的KS103超聲波傳感器。使用納瓦技術(shù)省電，5 s 未收到I2C 控制指令自動(dòng)進(jìn)入uA級(jí)休眠，并可隨時(shí)被主機(jī)I2C 控制指令喚醒。具有實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)木嚯x探測(cè)功能，工作溫度范圍為-30～+85 ℃，具有非常高的探測(cè)精度。其利用I2C接口，能自動(dòng)響應(yīng)主機(jī)的I2C控制指令。采用獨(dú)特的可調(diào)濾波降噪技術(shù)，電源電壓受干擾或噪音較大時(shí)，仍可正常工作。并且正常工作電壓寬度為3.0～5.5 V，節(jié)省了電源電平轉(zhuǎn)化電路。

2.3硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)組成，終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2　協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)Fig.2　Design of coordinator hardware

終端節(jié)點(diǎn)由處理器CC2530、電源模塊、測(cè)距傳感器、按鍵模塊和射頻收發(fā)器組成。其主要負(fù)責(zé)將所測(cè)到的積雪量數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議發(fā)送到對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)器或者經(jīng)過(guò)路由節(jié)點(diǎn)再傳送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3，由處理器CC2530、電源模塊、按鍵及顯示模塊、以太網(wǎng)模塊和射頻收發(fā)器組成。處理器CC2530將射頻接收到的包含積雪厚度的數(shù)據(jù)包解析后通過(guò)以太網(wǎng)傳給上位機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，其中顯示模塊可以顯示新加入的節(jié)點(diǎn)信息和正在連接的節(jié)點(diǎn)信息，利于查看節(jié)點(diǎn)的工作情況。

圖3　終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)Fig.3　Design of terminal node hardware

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是系統(tǒng)的靈魂。該系統(tǒng)以IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)，利用TI公司開(kāi)發(fā)的Z-stack協(xié)議棧進(jìn)行開(kāi)發(fā)，不但縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間也使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠。協(xié)調(diào)器軟件流程見(jiàn)圖4。

圖4　協(xié)調(diào)器軟件流程Fig.4　Coordinator software flow

系統(tǒng)上電后各個(gè)模塊的初始化，系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后，通過(guò)主動(dòng)掃描發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求命令來(lái)檢測(cè)該網(wǎng)絡(luò)中是否存在協(xié)調(diào)器，如果掃描期限內(nèi)檢測(cè)到協(xié)調(diào)器就發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求，此時(shí)協(xié)調(diào)器的地址資源足夠的話就分配給該節(jié)點(diǎn)16位的短地址，并產(chǎn)生包括新連接和連接狀態(tài)的響應(yīng)命令，從而完成了節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的連接。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將所測(cè)大棚的實(shí)時(shí)降雪數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器或者路由節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)軟件流程見(jiàn)圖5。

圖5　終端節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig.5　Terminal node software flow

4　上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)結(jié)果分析

該系統(tǒng)上位機(jī)利用LabVIEW軟件進(jìn)行可視化開(kāi)發(fā)。如圖6所示，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)所測(cè)的降雪厚度和溫度等數(shù)據(jù)分頁(yè)處理，每一頁(yè)都有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)欄和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線欄。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的報(bào)警值可以分開(kāi)設(shè)置，根據(jù)不同蔬菜大棚所能承受的壓力不同設(shè)置不同的報(bào)警值，當(dāng)有報(bào)警時(shí)自動(dòng)跳到報(bào)警節(jié)點(diǎn)界面同時(shí)報(bào)警燈點(diǎn)亮。利用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)周期短，維護(hù)性強(qiáng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地驗(yàn)證，性能和可靠度都非常出色。該軟件也是目前國(guó)際上唯一的編譯型圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形式開(kāi)發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的G編程語(yǔ)言，提供了一個(gè)非常直觀的編程環(huán)境，有專(zhuān)供大型應(yīng)用開(kāi)發(fā)、集成開(kāi)發(fā)及應(yīng)用配置所設(shè)計(jì)的附加開(kāi)發(fā)工具。在這個(gè)平臺(tái)上，各領(lǐng)域的專(zhuān)家們可以通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)來(lái)方便迅速地建立高水平的應(yīng)用程序。

圖6　LabVIEW上位機(jī)軟件界面Fig.6　LabVIEW upper monitor software interface

5　結(jié)語(yǔ)

該研究基于ZigBee和LabVIEW設(shè)計(jì)了蔬菜大棚雪情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了針對(duì)蔬菜大棚降雪量測(cè)量的可行策略，是未來(lái)蔬菜大棚防雪災(zāi)過(guò)程中不可缺少的一部分。該系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中表現(xiàn)非常出色，所測(cè)的降雪量準(zhǔn)確，而且將不同節(jié)點(diǎn)放置到蔬菜大棚的不同位置，利于實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)。

[1] 呂治安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開(kāi)發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2] 青島東合信息技術(shù)有限公司.ZigBee開(kāi)發(fā)技術(shù)及實(shí)踐[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014.

[3] ZOU X F，JIANG X Q.An empirical study of the allocation efficiency of rural financial resources in Hubei Province from the perspective of agricultural loans[J]．Asian agricultural research，2014(8)：38-41.

[4] 蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

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[6] 吳大鵬，舒毅.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

Snowfall Monitoring System Based on ZigBee and LabVIEW

ZHAO Hua-qi, LIU Xiao-min*, WEN Da-zhi et al

(Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007)

In view of the problem of large area reduction in greenhouse in recent years due to snowfall, the snowfall detection system based on the wireless sensor networks ZigBee and LabVIEW was designed. Sensor node, routing node, coordinator node all take CC2530 as the core. After collecting the snow thickness of the terminal nodes in different locations, the data is transmitted to the coordinator node through the routing node. The coordinator sends the data to the host computer through the Ethernet gateway. PC interface using LabVIEW development, can achieve real-time detection, historical data query and alarm functions. After field testing, the system has the advantages of accurate data acquisition, low power consumption, easy installation, strong expansibility, low cost and so on, with practical application and promotion value.

Snowfall situation detection; ZigBee; LabVIEW; Wireless sensor networks

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278227)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2015072)；2016年黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610222061)；佳木斯大學(xué)校級(jí)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目(RC2010-027)；佳木斯大學(xué)教育科研重點(diǎn)項(xiàng)目(JKA2012-092)。

趙化啟(1973- )，男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化研究。*通訊作者，講師，碩士，從事人工智能研究。

2016-07-15

S 126

A

0517-6611(2016)27-0106-02