基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室栽培溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉環(huán)

摘 要： 在溫室栽培中，溫度是作物培育的重要參數(shù)，但是采用一般的辦法并不能完成實際需求任務(wù)。針對這一問題，提出一種以Zigbee為基礎(chǔ)、無線網(wǎng)絡(luò)為媒介的溫室栽培溫度監(jiān)測系統(tǒng)。使用Zigbee協(xié)議棧搭建網(wǎng)狀拓撲的無線網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)終端為插在土壤中的傳感器節(jié)點，采集土壤的溫濕度數(shù)據(jù)，利用無線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)后并上傳到控制端，再由控制端的監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行相關(guān)的再處理。通過簡單操作，節(jié)點可以快速、靈活地組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，可靠性強。開發(fā)的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以在溫室中應(yīng)用，還可以將其作為一個后期繼續(xù)研究的開放平臺。

關(guān)鍵詞： Zigbee；狀態(tài)監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

Abstract：In greenhouse cultivation temperature is an important parameter of crop cultivation but the general method can not fulfill the actual required task. Aiming at this problem a kind of greenhouse cultivation temperature monitoring system based on Zigbee and wireless network is proposed. Zigbee protocol stack is used to build mesh topology of wireless networks network terminal is the sensor node inserted in a soil which could collect soil temperature and humidity data；using the wireless network after the data sent to the gateway and uploaded to the control side the data is related to processing again by the control of the monitoring system. Through simple operation the node can quickly and flexibly set up the wireless sensor network. The whole network performance is stable the reliability is good. The developed Zigbee wireless sensor network not only can be used in the greenhouse but also can be used as an open platform for further research.

Key words： Zigbee；condition monitoring；wireless sensor network

引言

溫室栽培是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要內(nèi)容之一，也是作物培養(yǎng)和農(nóng)業(yè)研究的必要手段。重點是基于溫室環(huán)境和各種調(diào)控方為作物提供最適宜的生長條件，擺脫季節(jié)和環(huán)境的制約，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的全年供給[1]。而在當(dāng)前國內(nèi)的基礎(chǔ)運營中卻已發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)代化程度較低、缺少溫室支持的相關(guān)技術(shù)等問題。針對這一現(xiàn)狀，就需要對溫室環(huán)境融入更多的自動化調(diào)控，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作物生長這一環(huán)節(jié)創(chuàng)造智能有利的技術(shù)支持。然而，由于人工培育主要依托經(jīng)驗而難以臻至精確，無法將土壤溫濕度實時控制在適宜范圍內(nèi)。因此，研究經(jīng)濟實用而設(shè)計合理的溫室土壤監(jiān)測系統(tǒng)則尤顯得必要與重要。

1 以Zigbee為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由區(qū)域傳感節(jié)點、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶控制監(jiān)測端組成，研究可得設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié)點之間可以自行組成無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并通過傳感節(jié)點信號收集目標(biāo)信號，收集范圍可以覆蓋全部網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。收集結(jié)束后，可將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶控制端[2] 。

作為一種應(yīng)用簡單、面向控制的行業(yè)專用標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee 具有組網(wǎng)方式多、網(wǎng)絡(luò)容量大、協(xié)議簡單、可靠性高、成本低等優(yōu)勢。Zigbee是建立在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上的一種組網(wǎng)技術(shù)，其中包括的物理層、MAC層和數(shù)據(jù)鏈路層均直接使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進行了擴充和完善[3]。Zigbee協(xié)議的開發(fā)基于IEEE802.15.3無線標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)在無線數(shù)據(jù)傳輸方面集成有先進的抗擾性與抗毀性，同時省去了檢測環(huán)境中布線的麻煩，節(jié)點自組織特性使無線網(wǎng)絡(luò)的管理更趨便捷、高效。因此，本系統(tǒng)采用了ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)有關(guān)溫室栽培的數(shù)據(jù)處理。

2 無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建

本系統(tǒng)通過對溫室栽培的溫度、濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)進行收集和監(jiān)控，并將收集的數(shù)據(jù)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶監(jiān)控端，數(shù)據(jù)在用戶監(jiān)控端將會設(shè)計得到指定的任務(wù)處理。研究內(nèi)容可解析論述如下。

2.1 Zigbee核心模塊方案設(shè)計與選擇

Zigbee通信節(jié)點的核心是射頻模塊和控制器模塊。目前，Zigbee核心模塊的解決方案有組合式和單芯片式兩種。具體功能分析可見如下。

（1） 組合式方案。Zigbee通信節(jié)點組合式方案結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。微處理器為主器件，RF收發(fā)器為從器件。微處理器包含特定的應(yīng)用邏輯，能夠用于IEEE 802.15.4 MAC層和Zigbee協(xié)議層的研發(fā)。時下，吸引更多關(guān)注的就是CHIPCON公司的CC2420+PIC系列單片機和FREESCALE公司的MC13192+MSP430系列單片機。

（2）單芯片方案。單芯片設(shè)計集成了射頻和微控制器，使得Zigbee的組建更加簡便，具有代表性的芯片就是TI的CC2430[4]。

對比2種解決方案可以看出，組合式方案優(yōu)勢在于系統(tǒng)各個部分相對獨立，一旦出現(xiàn)問題不會對其它部分產(chǎn)生影響，可以根據(jù)客戶要求和市場情況靈活選擇其中的各部件更換；但是由于組合式方案部件較多，設(shè)計、裝配和調(diào)試比較復(fù)雜，相互間還會帶來匹配和干擾問題，無法有效滿足系統(tǒng)小型化的要求。單芯片方案的芯片選擇受制于市場供應(yīng)，整個系統(tǒng)完全與特定芯片相對應(yīng)，導(dǎo)致芯片型號無法更換；但是單芯片方案外圍電路設(shè)計簡潔、研發(fā)周期短，因而整體優(yōu)勢明顯。綜上所述，結(jié)合本文設(shè)計要求，單芯片方案更適用于本系統(tǒng)，故采用CC2430單芯片解決方案。這里，將給出其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，CC2430芯片的MCU內(nèi)核為8位，現(xiàn)已在各類采用Zigbee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著無法替代的重要作用。

CC2430內(nèi)嵌了 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC，并配置有21個可編程的 I/O管腳。本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器使用一個 UART部件端口與用戶控制端通信；終端設(shè)備由數(shù)字輸入、輸出接口、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)發(fā)送和射頻模塊管腳組成。

2.2 溫度和濕度傳感器方案的選擇

溫濕度傳感器的設(shè)計方案均可分為溫度傳感器和濕度傳感器兩種。考慮到模擬傳感器還需要單獨設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，具有電能消耗大等缺點，而分體傳感器會使終端的數(shù)據(jù)讀取過程趨于復(fù)雜，因此根據(jù)溫室作物栽培的實際要求，擬采用溫濕度一體的數(shù)字傳感器[5]。研究中綜合衡定了測量范圍、測量精度、時漂和溫漂及投入成本等情況后，最終選定了DHT11溫濕度一體數(shù)字傳感器。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器由電阻式感濕元件和NTC測溫元件組成，傳感器內(nèi)部已包含校準(zhǔn)系數(shù)，校準(zhǔn)系數(shù)保存在OTP存儲器中，這些校準(zhǔn)系數(shù)可以在系統(tǒng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理中進行實時調(diào)用[5]。研究中將涉及的性能指標(biāo)說明可詳見表1。

由表1可知，DHT11能夠滿足溫室作物栽培的要求。本系統(tǒng)采用單總線通訊方式，并設(shè)計了實際的連接電路，如圖4所示。

3 基于Z-Stack的無線通訊設(shè)計

Z-Stack采用任務(wù)激活機制，系統(tǒng)初始化時處于暫停狀態(tài)，當(dāng)有任務(wù)觸發(fā)時，系統(tǒng)就進入中斷事件處理模式，任務(wù)完成后又進入暫停狀態(tài) [6]。對本系統(tǒng)而言，在相同的協(xié)議棧下，系統(tǒng)啟動、驅(qū)動初始化并無區(qū)別，區(qū)別在于進入任務(wù)輪循之后，不同的節(jié)點對應(yīng)不同的任務(wù)。

3.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點可以根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定任務(wù)來對溫室環(huán)境中的數(shù)據(jù)進行定時收集、上傳和處理，在完成任務(wù)后傳感器節(jié)點自動轉(zhuǎn)為低功耗模式 [7]。首先，傳感器節(jié)點開啟初始化，而后將陸續(xù)逐項展開執(zhí)行協(xié)議棧、加入網(wǎng)絡(luò)、建立通信連接表等系統(tǒng)任務(wù)。系統(tǒng)應(yīng)用層在加入網(wǎng)絡(luò)后，睡眠定時器就會運行保持在低功耗模式中。在低功耗模式下，傳感器節(jié)點雖然處于電路關(guān)閉狀態(tài)，但是仍能收取無線數(shù)據(jù)，并可以對無線數(shù)據(jù)進行處理[8]。當(dāng)接到收集命令時，傳感器即進入收集工作模式。在收集工作模式中就根據(jù)睡眠定時器是否溢出，來判斷決定是否中斷收集的過程。同時，還要分析檢測環(huán)境參數(shù)閾值，并根據(jù)閾值狀態(tài)來辨識掌控是否執(zhí)行相應(yīng)處理任務(wù) [9]。傳感器節(jié)點的工作流程如圖5所示。

基于Zigbee協(xié)議，保證每個傳感器節(jié)點都配設(shè)安裝著一個微型操作系統(tǒng)，則溫濕度數(shù)據(jù)采集、發(fā)送等動作均能夠在系統(tǒng)中自動運行。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計流程如圖6所示。初始化進程過后，開始組建無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點收到信息時，會分析數(shù)據(jù)內(nèi)容并做出不同動作[10]。當(dāng)收到?jīng)]有標(biāo)明地址信息的時候，系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點會把這個地址信息發(fā)送到地址表中，而且還會轉(zhuǎn)發(fā)給用戶控制端。當(dāng)收到溫度和濕度數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點在發(fā)給用戶控制端后，用戶控制端就會運行處理數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容。同時，可根據(jù)實際的監(jiān)測需求，將網(wǎng)絡(luò)地址與傳感器的數(shù)據(jù)信息生成一一對應(yīng)，并在上位機（用戶監(jiān)控端）界面發(fā)布提供信息的實時顯示。

3.3 路由節(jié)點設(shè)計

路由器節(jié)點程序工作流程如圖7所示，路由器節(jié)點工作流程與網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作流程非常相似。路由器節(jié)點在初始化后就加入網(wǎng)關(guān)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中，并且發(fā)送信息通知鄰近的傳感器節(jié)點需要啟動查找、加入和系統(tǒng)綁定的設(shè)定功能環(huán)節(jié)。

4 系統(tǒng)實驗結(jié)果與分析

本系統(tǒng)旨在實現(xiàn)溫室栽培溫濕度參數(shù)的實時采集和監(jiān)控。將傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和路由節(jié)點按需求分別布置在相應(yīng)位置，各節(jié)點上電，并進行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試完成后，傳感器節(jié)點加入無線網(wǎng)絡(luò)，每10 min向上位機發(fā)送溫度、濕度和節(jié)點電壓數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)、RS232串口與用戶控制端通信。系統(tǒng)在與區(qū)域內(nèi)檢測點建立連接和收集數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)開始對數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)處理過程會實時顯示在系統(tǒng)界面上，并且為了保證數(shù)據(jù)的實時性，會定時刷新數(shù)據(jù)處理的界面。運行界面如圖8所示。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理界面刷新頻率為10 min/次，從界面上顯示的數(shù)據(jù)能夠直接分析溫室中的環(huán)境情況，實現(xiàn)了對溫室環(huán)境的監(jiān)測。

將數(shù)據(jù)采集時間定為5 s，經(jīng)過100次傳輸，接收到數(shù)據(jù)98次，（傳輸失敗是組網(wǎng)成功時間偏短，未處理數(shù)據(jù)）接收率98%，有2次數(shù)據(jù)錯誤（空數(shù)據(jù)或亂碼），總傳輸成功率為96%，可以滿足系統(tǒng)的要求。從結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)能夠達到無線測量溫濕度的目的；能夠根據(jù)短地址分辨不同的傳感器節(jié)點，且網(wǎng)形拓撲結(jié)構(gòu)中能夠部署大量節(jié)點，故可以同時測量多個測點的溫濕度結(jié)果。測量結(jié)果有輕微波動及誤差，可在上位機通過軟件進行結(jié)果補償。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)以Zigbee模塊為基礎(chǔ)，采用一體化溫濕度傳感器作為系統(tǒng)的傳感器節(jié)點的硬件構(gòu)成，同時由路由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點等組成區(qū)域范圍的無線網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上與用戶控制端進行通信，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的發(fā)送、處理、監(jiān)控、事件響應(yīng)等任務(wù)，有效解決了溫室環(huán)境監(jiān)測的需求。本文對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計與搭建、系統(tǒng)程序流程的設(shè)計方法，都給出了全面的分析與論述。此外，本系統(tǒng)的用戶控制端監(jiān)測部分還具有擴展性，可以根據(jù)溫室栽培的具體要求在數(shù)據(jù)采集模塊上進行相應(yīng)傳感器的擴充，增加特定的參數(shù)監(jiān)測功能。本系統(tǒng)具有搭建環(huán)境靈活、低功耗、成本低、自動化程度高等特點，因此在各類操作場景中取得了良好的應(yīng)用效果。

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