基于ZigBee樹狀網(wǎng)的農(nóng)作物大棚溫濕光強度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

于耀淞程宇一

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033）

基于ZigBee樹狀網(wǎng)的農(nóng)作物大棚溫濕光強度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

于耀淞程宇一

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033）

自ZigBee技術(shù)提出以來，其構(gòu)成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)在智能家居、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用得到了廣泛應(yīng)用。論文設(shè)計了基于ZigBee樹狀網(wǎng)的農(nóng)作物大棚溫濕光強度監(jiān)控系統(tǒng)，提出了滿足大棚農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)的架構(gòu)，并對相關(guān)參數(shù)采集硬件電路和軟件流程進行設(shè)計。在IAR開發(fā)環(huán)境下，以CC2530芯片為核心構(gòu)建了一個由若干終端節(jié)點、若干路由節(jié)點和一個協(xié)調(diào)節(jié)點組成的樹形溫濕光強度參數(shù)采集網(wǎng)絡(luò)。各終端器利用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11采集溫度、濕度數(shù)據(jù)和光強度傳感器TSL2561采集光強度數(shù)據(jù)，通過直接發(fā)送或路由器轉(zhuǎn)發(fā)形式將采集到的環(huán)境參數(shù)匯集到協(xié)調(diào)器。通過實驗驗證了設(shè)計的有效性和推廣應(yīng)用價值。

ZigBee；CC2530；樹形；DHT11；TSL2561

Class NumberTP393

1 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技含量的不斷提高，大棚農(nóng)作物生長環(huán)境可控可調(diào)，更利于實現(xiàn)智能化控制。但現(xiàn)有大棚的環(huán)境參數(shù)采集測量大多是通過有線方式傳輸?shù)娇刂贫嘶蛘呷斯嵉赜涗泴崿F(xiàn)的。由于集中布線受地形和復(fù)雜環(huán)境因素的影響，難度大、不易維護、導(dǎo)致投入成本較高。同時人工實地記錄方式浪費更多的人力、物力，數(shù)據(jù)的實時性也不強。這就催生了探索新的科技成果應(yīng)用于大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，ZigBee無線通信技術(shù)具有的功耗低、成本低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠等特點［1］使其越來越多地應(yīng)用于大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。通過控制芯片和各種測量環(huán)境參數(shù)傳感器的結(jié)合，可以解決傳統(tǒng)參數(shù)采集方式的弊端，正逐步實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計的大棚農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使用CC2530單片機［2］和溫濕度傳感器和光強傳感器組成參數(shù)采集節(jié)點，采用單片集成的ZigBee無線射頻技術(shù)進行傳感器采集參數(shù)的傳輸，上位機開發(fā)則采用Visual Basic.NET和Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，將各節(jié)點所采集到的環(huán)境參數(shù)信息實時顯示到系統(tǒng)界面，從而達到對作物生長環(huán)境有效監(jiān)測的目的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

大棚農(nóng)作物生長環(huán)境測量系統(tǒng)由環(huán)境參數(shù)采集傳感器、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和檢測控制中心組成，整個系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)［3］如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)每一個終端是結(jié)合溫濕度傳感器、光強傳感器和數(shù)據(jù)處理芯片組成的測量農(nóng)作物環(huán)境參數(shù)的設(shè)備，具備網(wǎng)絡(luò)路由和協(xié)調(diào)器功能的設(shè)備與終端設(shè)備之間通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的傳輸，最后由協(xié)調(diào)器設(shè)備通過串口傳輸線將采集到的不同節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，數(shù)據(jù)統(tǒng)一保存在Access數(shù)據(jù)庫中，方便管理者實時查看大棚作物生長環(huán)境的變化情況，及時在環(huán)境狀況改變的情況下制定相應(yīng)措施，利于農(nóng)作物的生長。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

無線通信網(wǎng)絡(luò)部分采用了TI公司的CC2530芯片，整合了業(yè)界領(lǐng)先的2.4GHz IEEE 802.15.4/ ZigBee RF收發(fā)機、增強型8051內(nèi)核、系統(tǒng)可編程Flash存儲器和RAM等功能。設(shè)計的環(huán)境溫濕采集在室外無障礙最高傳輸距離可達300m左右。芯片外圍硬件電路如圖2所示。

本文測量溫濕度和光強的傳感器分別選擇了SHT11溫濕度傳感器［4］和光強度傳感器TSL2561［5］。SHT11是新型智能溫濕度傳感器，集成了濕溫度傳感器、信號放大調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，通過II線串行接口與控制芯片進行數(shù)據(jù)傳輸與控制，融合了CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)［6］。SHT11傳感器默認的測量溫度和相對濕度的分辨率一般分別為14位、12位，通過狀態(tài)寄存器可以調(diào)整分辨率。相關(guān)指標(biāo)如表1所示。

表1 SHT11指標(biāo)參數(shù)

TSL2561是一款高速、低功耗、量程寬，可編程靈活配置的光強數(shù)字芯片。其光強度測量范圍為1-70000Lx?？赏ㄟ^軟件設(shè)置相應(yīng)光強度閾值，當(dāng)實際光強度超出或低于設(shè)定的光強度值時，會給出相應(yīng)中斷信號。

本樹狀網(wǎng)絡(luò)大棚環(huán)境溫濕度、光強度采集流程為：所有設(shè)備都上電，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會選擇合適的信道、合適的網(wǎng)絡(luò)號，自主建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)［7］；網(wǎng)絡(luò)路由器通過搜索網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)。同時啟動路由功能并加入加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)并將SHT11采集到的大棚環(huán)境溫濕參數(shù)和光強度參數(shù)直接或通過網(wǎng)絡(luò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器終端。最后由協(xié)調(diào)器設(shè)備通過串口傳輸線將采集到的不同節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以便更容易地進行溫、濕和光強參數(shù)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲［8］。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要分為網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備軟件設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)路由軟件設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計三部分組成［9］。網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備主要負責(zé)大棚溫、濕和光照參數(shù)的采集和無線發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)路由器扮演路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，主要將測得的三個參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。而網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器則負責(zé)大棚環(huán)境參數(shù)匯集傳輸?shù)絇C機上。從而進行實驗所測三個參數(shù)的分析與評估。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端對應(yīng)的軟件流程圖分別如圖3～圖5所示。

5 實驗及數(shù)據(jù)分析

搭建好硬件平臺后，需要對本系統(tǒng)進行相關(guān)性能測試。如不同通信距離下數(shù)據(jù)接收能力即丟包率測試。在滿足系統(tǒng)要求情況下應(yīng)用于實際大棚環(huán)境試驗。單個大棚溫、濕和光參數(shù)采集節(jié)點通信穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 通信穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

通過以上通信穩(wěn)定測試數(shù)據(jù)可以得出，隨著通信距離增加，系統(tǒng)丟包率逐漸增大，但在200m范圍內(nèi)，其丟包率都滿足系統(tǒng)要求。因此，可以將本系統(tǒng)投入到大棚作物生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控中。在這之前還需要進行大棚環(huán)境模擬測試，確定終端參數(shù)采集設(shè)備對采集到的溫度、濕度和光強度參數(shù)精確度。確保環(huán)境測量設(shè)備的準(zhǔn)確度。

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)終端每隔30s采集一次環(huán)境溫、濕和光強度數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器再通過串口總線將數(shù)據(jù)傳送到PC機上。在實驗過程中記錄了40組數(shù)據(jù)。溫度、濕度和光強數(shù)據(jù)曲線分別如圖6所示。通過數(shù)據(jù)曲線可以看出，參數(shù)采集設(shè)備的穩(wěn)定性較好，溫度波動范圍僅0.3℃內(nèi)，濕度波動范圍在在0.2%RH內(nèi)，光強度波動范圍在15Lx內(nèi)，整體誤差較小。

6 結(jié)語

本文主要設(shè)計并制作了大棚農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計架構(gòu)，分析說明了溫濕傳感器、光強度傳感器和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)參數(shù)及優(yōu)缺點，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了測量大棚內(nèi)溫度、濕度和光強度系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)采集終端軟件、路由器軟件和協(xié)調(diào)器軟件的流程。并進行相關(guān)實驗對系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了相關(guān)測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)定性高，溫濕度和光強度采集精度高，并且整個系統(tǒng)功耗也比較低。滿足在大棚蔬菜環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)等環(huán)境中應(yīng)用，從而實現(xiàn)環(huán)境溫濕度智能化監(jiān)控。

［1］史德林.基于ZigBee的溫室大棚自動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.學(xué)術(shù)探討，2014，20（7）：225.

［2］章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點［J］.計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（7）：184-187.

［3］余貴水，趙奎，朱倪瑤，左雷.基于Zigbee技術(shù)的大氣溫濕數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.艦船電子工程，2015，35（5）：89-93.

［4］張富春，邵婷婷，楊延寧.一種基于DHT11的家用自動澆花電路的設(shè)計［J］.電子測試，2014，16：34-36.

［5］楊明慧，楊鵬，史旺旺.基于TSL2561的無線光強傳感器節(jié)點設(shè)計［J］.單片機于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010，6：38-40.

［6］徐振福.ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［D］.北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2014.

［7］史德林.基于ZigBee的溫室大棚自動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.學(xué)術(shù)探討，2014，20（7）：220.

［8］夏飛.基于Z-Stack協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點研究［J］.電子元器件應(yīng)用，2009，11（12）：74-76.

［9］余貴水，趙奎，朱倪瑤，左雷.基于Zigbee技術(shù)的大氣溫濕數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.艦船電子工程，2015，35（5）：85-91.

［10］Yan Dongmei，Dan Zhiguang.ZigBee-based Smart Home system design［J］.IEEE Computer Society，2010（8）：39-44.

［11］EdCallawayLowPowerConsuptionFeaturesof IEEE802.15.4/ZigBee LR-WPAN Standard presented in SenSy［J］.www.ZigBee.org.2010（8）：66-74.

［12］Yan Dongmei，Dan Zhiguang.ZigBee-based Smart Home system design［J］.IEEE Computer Society，2010（8）：40-44.

Design of Crop Canopy Temperature，Humidity and Light Intensity Data Monitoring System Based on ZigBee Tree Network

YU YaosongCHENG Yuyi
（School of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan430033）

Since the ZigBee technology is proposed.The application of ZigBee wireless sensor network is widely used in the fields of intelligent home，industry，medical health and others implies.This paper designs the crop canopy temperature，humidity and light intensity data monitoring system based on ZigBee tree network，and proposes the system architecture which can monitor the crop canopy environment，and designs the related parameters acquisition hardware circuit and software process.A kind of a tree wireless network includes several end nodes，router nodes and a coordinator node is built using the SOC chip CC2530.Each terminal can acquisite temperature，humidity and light intensity data by using digital DHT11 sensor and TSL2561，then converge the data directly or transmit the data indirectly through router nodes to the coordinator through network.At last the effectiveness of the design and application value is tested through the experiment.

ZigBee，CC2530，tree form，DHT11，TSL2561

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.032

2017年1月5日，

2017年2月26日

于耀淞，男，碩士研究生，研究方向：信號與信息處理。程宇一，男，碩士研究生，研究方向：信號與信息處理。