基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陽希 廣東省電子信息高級技工學(xué)校

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陽希 廣東省電子信息高級技工學(xué)校

當(dāng)前溫室大棚存在監(jiān)測困難、有線傳輸系統(tǒng)成本過高等問題，基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無線傳感器設(shè)計出的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，是實現(xiàn)其數(shù)據(jù)監(jiān)控的有效手段。建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用溫濕度及氣體傳感器對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測算，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速傳輸，提高了溫室大棚環(huán)境監(jiān)測的智能性和可靠性，降低了溫室大棚的監(jiān)控成本，實現(xiàn)了真正意義的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

無線傳感器 溫室大棚 智能監(jiān)控系統(tǒng) Zigbee技術(shù)

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科技水平的進(jìn)步，基于ZigBee無線雙向通訊技術(shù)的監(jiān)控方式逐漸作用于溫室大棚運(yùn)作中，這項綜合性強(qiáng)的技術(shù)方式不僅能夠及時有效的對大棚內(nèi)氣溫濕度、土壤濕度以及病蟲害等信息進(jìn)行實行監(jiān)控，還能促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展整體水平趨向于現(xiàn)代化和智能化。

1 Zigbee技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 Zigbee技術(shù)

Zigbee技術(shù)是一項以雙向無線通訊為主的網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳技術(shù)，其具有近距離、耗能低、成本低、高可靠等顯著特征，這些顯著特征使其能夠良好作用于溫室大棚的實時監(jiān)控。簡單來說，Zigbee技術(shù)就類似于日常生活使用的移動通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，其通訊距離范圍由標(biāo)準(zhǔn)的75m逐漸支持無限擴(kuò)展。但兩者之間還存在差異，Zigbee技術(shù)主要是為了便于現(xiàn)代化控制的數(shù)據(jù)傳輸而興起的，所以它還具有操作簡單、工作可靠等特點(diǎn)。Zigbee技術(shù)中數(shù)傳模塊最多可高達(dá)六萬多個，在全網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，這六萬多個數(shù)傳模塊之間可以實現(xiàn)相互通訊，通訊范圍標(biāo)準(zhǔn)也由75m支持無限擴(kuò)展。每個單獨(dú)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅自身可以從其連接的無線傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控，還能智能化的將其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。同時每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在其信號范圍內(nèi)，還能和不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖庸?jié)點(diǎn)進(jìn)行無線接連。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全稱Wireless Sensor Network，簡稱WSN，是由大量或移動或靜止的傳感器以自發(fā)形式和多跳方式組成的一種無線網(wǎng)絡(luò)，通過對數(shù)據(jù)信息的感知、采集、處理以及傳輸實現(xiàn)監(jiān)控者的及時監(jiān)控。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義，我們可以發(fā)現(xiàn)其主要構(gòu)成部分是傳感器、感知對象以及監(jiān)控者。不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器類型適用于不同場景，包括探測地震、電磁、溫濕度、噪音、光強(qiáng)度、土壤成分等等在內(nèi)的生物環(huán)境。以MEMS微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展中有著舉足輕重的作用。

2 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

以Zigbee網(wǎng)絡(luò)為主的無線傳感器作用于溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，主要是通過無線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心兩部分實現(xiàn)其在溫室大棚中的影響作用。這一監(jiān)控方式下的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要采用網(wǎng)狀拓?fù)湫问?，分別對溫室大棚中不同位置傳感器節(jié)點(diǎn)所傳輸?shù)呐飪?nèi)溫濕度、奇特濃度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通訊。基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線傳感器，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以有效實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的初步處理和傳輸，再由監(jiān)控中心對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，便于監(jiān)測中心及時發(fā)現(xiàn)為并自行開啟報警模式。溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)中，基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線傳感器應(yīng)用，其所收集到的數(shù)據(jù)信息，可以有效幫助監(jiān)控者掌握棚內(nèi)環(huán)境信息，更有利于溫室大棚的實時監(jiān)控。由圖1研究表明，在溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸一方面由終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸給匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，一方面有匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸給監(jiān)控中心，這也是智能化大棚監(jiān)控系統(tǒng)的主要運(yùn)作模式。匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息收集主要通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)，再通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)完成匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)像監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)信息傳輸。此外，傳輸完的數(shù)據(jù)分析和存儲工作主要由數(shù)據(jù)中心軟件完成，數(shù)據(jù)中心軟件接收完信息并對其進(jìn)行監(jiān)測、存儲和分析，得出大棚監(jiān)控的最終結(jié)論，實現(xiàn)其對溫室大棚的有效監(jiān)控。

圖1 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線傳感器設(shè)計，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成包括電源管理、傳感器管理、數(shù)據(jù)處理管理和通訊管理在內(nèi)，主要是通過這四方面管理的模塊化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其重要作用。電源管理模塊主要是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的損耗進(jìn)行管理，當(dāng)前作用于各監(jiān)控現(xiàn)場的電源管理處理器隨著科技的進(jìn)步，逐漸實現(xiàn)了同一芯片中放置無線射頻模塊和電源管理模塊，方便了射頻電路的設(shè)計；傳感器管理模塊則是通過對溫室大棚內(nèi)溫濕度、氣體濃度等數(shù)據(jù)的手機(jī)和轉(zhuǎn)換實現(xiàn)其作用；數(shù)據(jù)處理管理模塊和通信管理模塊在基于無線傳感器完成路由協(xié)議、任務(wù)管理等工作的基礎(chǔ)上，其各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交換和傳輸，最終實現(xiàn)大棚數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集和傳輸。

無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其硬件設(shè)備還具有集成度高、形狀較小、應(yīng)用方便等特點(diǎn)，包括模擬轉(zhuǎn)換器、定時器、上電高電平復(fù)位電路等主要設(shè)備，在其硬件設(shè)備接發(fā)信號的時候，產(chǎn)生的電流損耗都較低?；赯igbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線傳感器硬件設(shè)備在溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，例如溫濕度傳感器的應(yīng)用，將棚內(nèi)濕度和溫度的測量集中在同一個傳感器，最大程度節(jié)約了功能的損耗。在溫濕度傳感器芯片內(nèi)部的模擬轉(zhuǎn)換器中集成了多達(dá)14位的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并兼具數(shù)字信號的輸出，準(zhǔn)確率極高。

3 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)中軟件設(shè)計

基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)中的軟件設(shè)計包含數(shù)據(jù)處理軟件、信息收發(fā)軟件和參數(shù)設(shè)置設(shè)計三個層面在內(nèi)?；趯用婺K化的基本設(shè)計原則，數(shù)據(jù)處理軟件包括處理報警訊息、日常文件和監(jiān)控數(shù)據(jù)等，其中監(jiān)控數(shù)據(jù)的處理主要是指對溫室大棚內(nèi)監(jiān)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析和判斷，此外還包括系統(tǒng)正常運(yùn)行維護(hù)模塊，便于對大棚監(jiān)控系統(tǒng)的控制和維護(hù)進(jìn)行有效管理；信息收發(fā)軟件由數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送組成，便于促進(jìn)大棚監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的收發(fā)和存儲；參數(shù)設(shè)置設(shè)計則通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作模式、頻率等實現(xiàn)其節(jié)點(diǎn)之間的參數(shù)設(shè)置和設(shè)計。

大棚監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息采集和傳輸工作依靠其無線傳感器網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先接收到指令是否進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，指令通過之后完成的數(shù)據(jù)采集經(jīng)過處理后進(jìn)行傳輸工作，傳輸?shù)礁鱾€匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲工作，再接受下一個指令，如此往復(fù)循環(huán)進(jìn)行大棚監(jiān)控系統(tǒng)的軟件工作。而無線傳感器中匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)這一軟件設(shè)計兼具采集信息、處理信息和傳輸信息三個作用，隨著通信軟件模塊的啟動，在保證有效節(jié)點(diǎn)納入至無線網(wǎng)絡(luò)后，依據(jù)不同任務(wù)需求下發(fā)指令。匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到監(jiān)控中心的采集指令后，將指令下發(fā)至各個傳感器網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)信息采集后再回傳至匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成統(tǒng)一的存儲模式等待發(fā)送指令，不間斷的進(jìn)行循環(huán)工作?；赯igbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效促進(jìn)大棚監(jiān)控系統(tǒng)中的軟件設(shè)計實現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸工作，并通過不間斷的數(shù)據(jù)采集、處理和收發(fā)完成實時監(jiān)控。

4 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)中硬件設(shè)計

4.1 監(jiān)控協(xié)調(diào)器的設(shè)計

監(jiān)控協(xié)調(diào)器作為大棚監(jiān)控系統(tǒng)指令和數(shù)據(jù)傳遞中心，龐大的數(shù)據(jù)處理量使其成為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中的樞紐，但相對屬于耗能較多的節(jié)點(diǎn)。通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)各功能模板構(gòu)成體系研究，協(xié)調(diào)器工作應(yīng)建立在CC2530芯片為主的單片機(jī)驅(qū)動上，工作中的電壓值也由自電源的5V轉(zhuǎn)為4.3V，再利用MAX232芯片實現(xiàn)協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)之間電量水平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)單片機(jī)和遠(yuǎn)程上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞。

4.2 路由器模塊的設(shè)計

路由器在監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是匯集各個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，其基本上承包了系統(tǒng)全部監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳工作，所以路由器在硬件設(shè)計中也屬于耗能較多的模塊。我們在研究路由器各個節(jié)點(diǎn)的功能時發(fā)現(xiàn)，其與協(xié)調(diào)器工作模式大致相同，都以CC2530芯片作為單片機(jī)驅(qū)動，并將自電源電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V。唯一區(qū)別就是路由器模塊沒有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，對路由器的配置應(yīng)盡量選用配置較高的固定電源。

4.3 環(huán)境采集單元的設(shè)計

大棚環(huán)境采集單元是其監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的重要手段。其主要可分為傳感器部分和采集數(shù)據(jù)的處理部分，分別負(fù)責(zé)對大棚環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和數(shù)據(jù)的接收、翻譯等。環(huán)境采集單元模塊也是由CC2530芯片的單片機(jī)驅(qū)動為主，其結(jié)構(gòu)模式大致和協(xié)調(diào)器、路由器框架相似，只是增加了采集數(shù)據(jù)的傳感器和變換器。環(huán)境采集單元的耗能小因素使得普通性能電池就足以滿足其供電需求。包括以氣溫濕度分析、土壤濕度分析、光照強(qiáng)度分析和二氧化碳分析在內(nèi)的數(shù)據(jù)構(gòu)成了大棚監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)境采集單元設(shè)計。在溫室大棚系統(tǒng)監(jiān)控中的空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器和二氧化碳傳感器選擇上，我們應(yīng)該針對其在監(jiān)控系統(tǒng)中的不同屬性進(jìn)行嚴(yán)格篩選，比如光照傳感器選擇，由于大棚對其防水、耗能低且適應(yīng)力強(qiáng)的需求，所以我們可以選擇以二極管為光強(qiáng)測量的日本濱松公司旗下傳感器，保證其耗能低的同時還具有較強(qiáng)的品質(zhì)保障。

5 結(jié)語

總之，現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的不斷提升促使我國溫室大棚發(fā)展越發(fā)智能化和網(wǎng)絡(luò)化?；赯igbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過分析大棚監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、軟件設(shè)計和硬件設(shè)計，實現(xiàn)雖溫室大棚內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)控，并在減少大棚監(jiān)控設(shè)計成本的同時還能保障監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，以便于監(jiān)測者能夠及時解決大棚環(huán)境中發(fā)生的種種問題，有效避免了由于人工監(jiān)控和有線控制弊端產(chǎn)生的成本高、維護(hù)難問題。

[1]呂振,林振楊,何武林,李艷婷,程文姣.基于ZigBee的大棚農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,(04):227-230

[2]劉仲鵬,劉麗娟,李偉英.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,(10):218-222

[3]袁志強(qiáng).基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,(11):396-397