基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的蔬菜基地環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

張葉茂

(1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣西南寧 5300071； 2.電子科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，四川成都 610054)

隨著現(xiàn)代嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化的大棚蔬菜種植基地對(duì)環(huán)境參數(shù)控制的要求越來(lái)越智能化和精度化，主要表現(xiàn)在溫濕度、光照度等參數(shù)的智能化控制上。傳統(tǒng)的信息采集系統(tǒng)主要是采用CAN、RS485等有線(xiàn)的傳輸方式，采用的處理平臺(tái)一般是8位的處理器(簡(jiǎn)稱(chēng)CPU)，存在布線(xiàn)復(fù)雜，響應(yīng)速度不夠優(yōu)良的缺點(diǎn)；另外，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程智能控制的要求也對(duì)傳統(tǒng)的只有本地控制功能的系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。因此，本研究設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)智能監(jiān)控系統(tǒng)。環(huán)境參數(shù)采集傳感器可以通過(guò)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議(ZigBee)節(jié)點(diǎn)和主控平臺(tái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，將實(shí)時(shí)結(jié)果顯示在工控屏或者遠(yuǎn)程全球廣域網(wǎng)(web)端，用戶(hù)也可以通過(guò)web客戶(hù)端對(duì)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用溫濕度傳感器和光照度傳感器對(duì)蔬菜基地各區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度和光照信息進(jìn)行采集；區(qū)域終端ZigBee節(jié)點(diǎn)和區(qū)域路由節(jié)點(diǎn)以及中控平臺(tái)協(xié)調(diào)器進(jìn)行ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信。終端節(jié)點(diǎn)模塊一方面負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)及解析數(shù)據(jù)，將結(jié)果傳輸給中控平臺(tái)處理；另一方面須要接收中控平臺(tái)發(fā)來(lái)的指令，解析后控制現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)節(jié)器。中控平臺(tái)一方面將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)工控觸摸屏進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)送給遠(yuǎn)程的web客戶(hù)端，另一方面接收客戶(hù)發(fā)送過(guò)來(lái)的指令信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令給各ZigBee節(jié)點(diǎn)。用戶(hù)參數(shù)的設(shè)定主要通過(guò)中控平臺(tái)連接的工控觸摸屏，也可以通過(guò)遠(yuǎn)程web客戶(hù)端進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件模塊主要包括嵌入式最小系統(tǒng)、工控觸摸屏、網(wǎng)關(guān)電路、SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、CC2530節(jié)點(diǎn)電路、傳感器電路等。系統(tǒng)以STM32F103ZET6、SDRAM、FLASH以及網(wǎng)關(guān)電路、工控觸摸屏、鍵盤(pán)電路、電源電路、報(bào)警電路等構(gòu)成中控平臺(tái)。STM32F103ZET6作為中控端CPU，該處理器基于32位的核(Cortex-M3)架構(gòu)，外設(shè)總線(xiàn)接口豐富，最大可以在72 MHz工作頻率下運(yùn)行，適用于要求響應(yīng)速度快、功耗較低的場(chǎng)合。工控觸摸屏采用廣州大彩光電科技有限公司推出的工業(yè)串口屏，該串口屏集薄膜晶體管(簡(jiǎn)稱(chēng)TFT)顯示驅(qū)動(dòng)、圖形用戶(hù)界面(GUI)操作及圖片字庫(kù)存儲(chǔ)等各種組態(tài)控件于一體，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單方便。STM32處理器通過(guò)串口0與工控屏進(jìn)行通信，若需要3.3 V的TTL/COMS串口電平通信，可以直接跳過(guò)MAX232電平芯片，將串口屏設(shè)置為T(mén)TL模式。采用基于CC2530F256的ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器、區(qū)域路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)。CC2530F256最小系統(tǒng)擴(kuò)展存儲(chǔ)器、有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體(簡(jiǎn)稱(chēng)OLED)顯示器、傳感器、繼電器、鍵盤(pán)電路、蜂鳴器等相關(guān)硬件構(gòu)成終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)模塊溫濕度傳感器采用性?xún)r(jià)比較高的溫濕度傳感器(DHT11)，光照度傳感器采用ISL29003集成光傳感器。

2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)模塊處理器采用美國(guó)德州儀器公司的CC2530F256處理器。CC2530F256結(jié)合業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧(棧)，它具有極低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530F256具有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型51單片機(jī)內(nèi)核，具有領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，有8 kb 存儲(chǔ)器(RAM)可編程內(nèi)存及其他許多強(qiáng)大的功能[1]。CC2530F256具有多種運(yùn)行模式，超低功耗的模式尤其適合終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的要求，各種運(yùn)行模式切換迅速。以CC2530F256為核心，擴(kuò)展電源電路、傳感器信號(hào)輸入接口，按鍵電路及OLED顯示電路等相關(guān)硬件，完成監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)核心板電路原理如圖2所示。

2.2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

在大棚蔬菜場(chǎng)所，主要采集和調(diào)控光照度、溫度、濕度這3個(gè)重要參數(shù)。在這種環(huán)境下，光照度和溫濕度的參數(shù)范圍屬于正常的生產(chǎn)生活環(huán)境值，無(wú)須考慮過(guò)高或過(guò)低的溫度和光照度。一般地，系統(tǒng)的溫度誤差范圍控制在1 ℃，相對(duì)濕度控制在3% RH范圍內(nèi)即可(圖3)。系統(tǒng)溫度和濕度采集的傳感器采用已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的復(fù)合傳感器DHT11，該傳感器的主要特點(diǎn)是體積較小、響應(yīng)快速，具有功耗低和很強(qiáng)的抗干擾性的優(yōu)點(diǎn)。該傳感器分辨率濕度1% RH，溫度1 ℃；量程濕度20%～90% RH，溫度0～50 ℃。采用簡(jiǎn)化的單總線(xiàn)和CC2530F256處理器通信，電路中R30為上拉電阻，其作用是為了保證在總線(xiàn)空閑時(shí)，總線(xiàn)輸出狀態(tài)為高電平[2]。在大棚蔬菜種植基地，需要較高的光照要求精度，系統(tǒng)采用ISL29003 集成光傳感器，該傳感器能夠采集環(huán)境光照度， 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后通過(guò)內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的集成電路總線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)IIC)接口及整合的模數(shù)轉(zhuǎn)化(簡(jiǎn)稱(chēng)ADC)接口輸出數(shù)據(jù)信息。該傳感器的整合ADC具有15位分辨率，光照度調(diào)節(jié)范圍為 1～100 000 lx 之間。光照度傳感電路如圖4所示。

2.3 以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)模塊是智能化監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，STM32F103ZET6本身不帶有網(wǎng)絡(luò)接口，因此須要對(duì)其進(jìn)行硬件單元擴(kuò)展。該功能模塊使用單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器(簡(jiǎn)稱(chēng)DM9000)以太網(wǎng)芯片和輕量級(jí)的IP協(xié)議(簡(jiǎn)稱(chēng)Lwip)TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)。DM9000是一款集成有通用處理器接口的以太網(wǎng)控制器，其特點(diǎn)是完全集成化、傳輸速度快、性?xún)r(jià)比高。DM9000協(xié)議層接口對(duì)10 MB以下的3、4、5類(lèi)非屏蔽雙絞線(xiàn)和100 MB以下5類(lèi)非屏蔽雙絞線(xiàn)完全支持[3]。DM9000有多種型號(hào)，有100、48引腳的，本模塊設(shè)計(jì)選擇的是48引腳的DM9000，型號(hào)為DM9000CEP。DM9000的第34腳無(wú)中斷輸出時(shí)為低電平，當(dāng)有中斷輸出時(shí)，此引腳為高電平有效?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置DM9000的20(EECK)引腳來(lái)改變INT的有效電平，當(dāng)EECK拉高以后，INT低電平有效，否則的話(huà)INT是高電平有效。電路模塊中的R66為第20腳的上拉電阻，所以本模塊DM9000的INT引腳是低電平有效。

另外，DM9000的第21腳是設(shè)置數(shù)據(jù)位寬，模塊的R65為EECS的上拉電阻，因此為8位數(shù)據(jù)寬度。如果去除R65，模塊為16位數(shù)據(jù)寬度。DM9000網(wǎng)絡(luò)模塊電路原理如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)主要有主控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)、工控觸摸屏軟件設(shè)計(jì)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)、傳感器采集終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、web遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)5個(gè)部分。

3.1 主控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

將Ucos_Ⅲ移植到系統(tǒng)之后，建立任務(wù)0函數(shù)[Task0()]主要對(duì)系統(tǒng)硬件資源和時(shí)鐘初始化以及創(chuàng)建其他的任務(wù)。任務(wù)Task1()主要用于處理工控觸摸屏事件。中控平臺(tái)和工控觸摸屏采用串口0(Usart0)通信，通過(guò)串口中斷，將接收到的工控屏發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在先進(jìn)先出(FIFO)中。任務(wù)Task2()用于外設(shè)按鍵信號(hào)處理，Task3()用于系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)處理，Task4()用于遠(yuǎn)程監(jiān)控信號(hào)處理，各任務(wù)之間采用靈活的消息隊(duì)列及信號(hào)量進(jìn)行資源共享及數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)啟動(dòng)后，Ucos_Ⅲ操作系統(tǒng)和硬件資源開(kāi)始初始化后，用戶(hù)可以通過(guò)工控觸摸屏設(shè)定蔬菜棚里的溫濕度和光照度等參數(shù)的上下限值、采集數(shù)據(jù)及時(shí)間周期等參數(shù)設(shè)定，中控端主函數(shù)調(diào)用Usart0_send()函數(shù)向協(xié)調(diào)器發(fā)送帶設(shè)備地址的指令到相關(guān)區(qū)域的路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)后，終端節(jié)點(diǎn)處理器CC2530F256通過(guò)調(diào)用溫度控制子函數(shù)Tem_Con()、濕度控制子函數(shù) Hum_Con()及光照度控制子函數(shù)Led_Con()進(jìn)行參數(shù)設(shè)定[4]。當(dāng)用戶(hù)須要查詢(xún)參數(shù)指標(biāo)時(shí)，通過(guò)工控觸摸屏發(fā)送按鍵查詢(xún)指令，協(xié)調(diào)器接收到查詢(xún)指令后即解析指令的設(shè)備地址信息，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的區(qū)域路由節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確發(fā)送到相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)的處理器CC2530F256模塊通過(guò)采集傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及正確性分析，打包通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中控平臺(tái)，并在工控屏上顯示出來(lái)。中控臺(tái)整體軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

3.2 基于工控觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)

利用VisualTFT軟件進(jìn)行工控觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，須要預(yù)先裁剪好美工圖片，并進(jìn)行合適的排版及控件的布局。串口屏處理器會(huì)對(duì)TFT工程的所有控件、圖片及畫(huà)面各分配1個(gè)唯一的ID號(hào)，當(dāng)STM32處理器串口0接收到設(shè)備上傳的ID值，就可以判斷當(dāng)前的按鈕值，并發(fā)送相應(yīng)的指令更新畫(huà)面顯示或者通過(guò)串口1發(fā)送指令給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)控制電機(jī)、繼電器等。另外可以將采集的信息通過(guò)文本和圖片進(jìn)行顯示，還可以通過(guò)指令實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能[5]。

3.3 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。不同的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)采用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ZigBee節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)配置文件設(shè)置成協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)，采用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)節(jié)點(diǎn)的配置也不一樣[6]。系統(tǒng)采用TI公司的Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信。每個(gè)區(qū)域可以包括很多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行具體的任務(wù)如信息采集等，并與協(xié)調(diào)器或者路由節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，每個(gè)區(qū)域分別設(shè)置路由節(jié)點(diǎn)，為ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信提供中繼和路由。設(shè)備類(lèi)型是由Z-Stack的不同編譯選項(xiàng)來(lái)選擇的，系統(tǒng)上電后，ZigBee協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行初始化工作，初始化完成后協(xié)調(diào)器調(diào)用Z_Stack協(xié)議棧中的ZDApp_NetworkInit函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的建立及其初始化工作，組網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)afStatus_t AF_DataRequest()發(fā)送數(shù)據(jù)給路由節(jié)點(diǎn)，當(dāng)星型網(wǎng)絡(luò)組建成功之后，終端節(jié)點(diǎn)將采集得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)函數(shù)AF_DataRequest()發(fā)送到協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)判斷后通過(guò)USART0發(fā)送到STM32F103ZET6進(jìn)行顯示；同時(shí)，協(xié)調(diào)器將STM32F103ZET6給它的控制信號(hào)通過(guò)廣播的形式發(fā)送到各個(gè)終端，終端將控制信號(hào)作判斷后執(zhí)行控制。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

3.4 傳感器終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器終端節(jié)點(diǎn)上電以后，終端節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)，與路由節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)成功后，CC2530F256單片機(jī)開(kāi)始初始化內(nèi)部資源，包括IO口、串口、定時(shí)器、總線(xiàn)等的初始化。處理器啟動(dòng)定時(shí)器0和定時(shí)器1，定時(shí)器0主要負(fù)責(zé)定時(shí)1 s的環(huán)境參數(shù)周期采樣中斷，定時(shí)器1負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)間監(jiān)測(cè)。終端節(jié)點(diǎn)每隔1 s對(duì)溫濕度傳感器和光照度傳感器進(jìn)行參數(shù)采集，一方面將采集的結(jié)果經(jīng)軟件濾波和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分析判斷之后，在終端節(jié)點(diǎn)模塊的OLED屏上顯示出來(lái)；另一方面， 系統(tǒng)將采集的參數(shù)信息打包發(fā)給區(qū)域路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器之后，主控CPU發(fā)出應(yīng)答信號(hào)。在接收到主控器件發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)之前，終端節(jié)點(diǎn)工作在自控模式，當(dāng)協(xié)調(diào)器通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令給終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，還須根據(jù)接收到的ZigBee中斷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，此時(shí)終端節(jié)點(diǎn)工作在主控模式。終端節(jié)點(diǎn)在主控模式下，若網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性異常，將報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，而協(xié)調(diào)器超過(guò)30 s未發(fā)送控制指令，則終端節(jié)點(diǎn)恢復(fù)到自控模式進(jìn)行預(yù)設(shè)定的異常處理[7]。傳感器終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

3.5 基于Lwip的遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)

Lwip是輕量級(jí)的IP協(xié)議，系統(tǒng)首先須要將Lwip移植到STM32F103ZET6上，并修改cc.h、lwipopts.h、sys_arch.h、dm9000.c、ethernetif.c、lwip_comm.c等6個(gè)頭文件，DM9000ReadReg()和DM9000_WriteReg這2個(gè)函數(shù)為讀寫(xiě)DM9000內(nèi)部寄存器的函數(shù)， DM9000_PHY_ReadReg ()和

DM9000_PHY_WriteReg()為讀寫(xiě)DM9000內(nèi)部PHY寄存器的函數(shù)。DM9000_SendPacket()函數(shù)為數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，將指定的pbuf結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)通過(guò)DM9000發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，Lwip中用pbuf結(jié)構(gòu)體來(lái)表示數(shù)據(jù)包[8]。在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，須要先關(guān)閉DM9000的中斷，等發(fā)送完成以后再打開(kāi)中斷。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以按下面的步驟進(jìn)行：首先向發(fā)送靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱(chēng)TX_SRAM)中寫(xiě)入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后向寄存器TXPLL和TXPLE寫(xiě)入要發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，最后將TCR寄存器的bit0置1，啟動(dòng)發(fā)送即可。

4 結(jié)論與討論

基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)和嵌入式的大棚蔬菜環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)所的測(cè)試，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，數(shù)據(jù)采集精度較高，信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠。既可以通過(guò)工控觸摸屏進(jìn)行溫濕度和光照度參數(shù)的采集和設(shè)定，也可以通過(guò)web網(wǎng)遠(yuǎn)程進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)定。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚蔬菜基地等場(chǎng)合，有很好的性?xún)r(jià)比和可操作性。

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