ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)在大棚環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

胡偉偉 趙文龍 程若發(fā) 陳園

摘 要： 為了提高大棚種植效率，設(shè)計(jì)一種大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計(jì)基于ZigBee協(xié)議，以TI公司Z?Stack協(xié)議棧及CC2530為核心芯片，結(jié)合溫濕度傳感器DHT11，LabVIEW軟件編寫的上位機(jī)程序。分別組成協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)核心，負(fù)責(zé)組建整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，能解析當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包，通過RS 232協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)。終端節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境溫濕度信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，若有新的節(jié)點(diǎn)或者舊節(jié)點(diǎn)加入、離開網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器能立刻反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔、運(yùn)行穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)安全性可靠，有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： ZigBee； 協(xié)調(diào)器； 傳感器； CC2530； LabVIEW； 大棚種植； 環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號： TN99?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0035?04

Abstract： An environment monitoring system for greenhouse is designed to improve the efficiency of greenhouse planting， which is designed on the basis of the ZigBee protocol， taking the Z?Stack protocol stack and CC2530 of TI as the core， and combining with the temperature?humidity sensor DHT11 and host computer program compiled by using the LabVIEW software. The system is composed of a coordinator and multiple terminal nodes. The coordinator， as the core of the entire ZigBee network， is responsible for the formation of the entire system network， can parse data packets for terminal nodes of the current ZigBee network， and send them to the host computer by means of the RS 232 protocol. The terminal nodes collect the environment temperature?humidity information， and send it to the coordinator via the ZigBee network. If any new node or old node joins or leaves the network， the coordinator can immediately present the status of the current network. The results of the experimental test show that the system is simple in design， runs stably， has reliable network security and a good application prospect.

Keywords： ZigBee； coordinator； sensor； CC2530； LabVIEW； greenhouse planting； environment monitoring

0 引 言

我國是世界上人口最多的國家之一，如何提高糧食產(chǎn)量和種植水平是非常關(guān)鍵的問題。近些年來，大面積大棚種植技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，然而提高大棚管理技術(shù)，提高大棚產(chǎn)量需要科學(xué)的方法來實(shí)現(xiàn)。其中，及時(shí)檢測大棚內(nèi)空氣溫度和濕度，合理控制溫濕度是提高農(nóng)作物生長的重要方法。針對這樣的問題，本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。利用ZigBee協(xié)議的特點(diǎn)，以TI公司的CC2530低功耗無線專用芯片為核心。結(jié)合DHT11溫濕度傳感器以及外圍電路，編寫監(jiān)控上位機(jī)軟件，設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測大棚溫濕度的軟硬件系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 ZigBee及CC2530

ZigBee技術(shù)是近年來新興的一種低速率、低功耗、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一個(gè)簡稱。國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議IEEE 802.15.4，工作頻段在2.4 GHz，屬于免費(fèi)公用頻段[1?2]。目前主要應(yīng)用于智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、安全監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)視中。ZigBee有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3?5]。

CC2530是TI公司為ZigBee技術(shù)量身打造的一款MCU[6]，具有低功耗的特點(diǎn)，另外還加入強(qiáng)大的無線前端，集成RF無線收發(fā)機(jī)，射頻調(diào)制模式為直接序列擴(kuò)頻模式（DSSS），發(fā)射功率可以程控，CC2530有專用寄存器配置其發(fā)射功率；可編程輸出功率可達(dá)4.5 dB；在Z?Stack協(xié)議棧中接收數(shù)據(jù)包中就包含接收信號強(qiáng)度指示器（RSSI），接收可以通過讀取數(shù)據(jù)包中RSSI值判斷出當(dāng)前信號連接質(zhì)量[7?9]。僅需要很少的外圍電路就可構(gòu)成ZigBee協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即以一個(gè)協(xié)調(diào)器為網(wǎng)絡(luò)核心，多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò)且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間互不通信。采用星形結(jié)構(gòu)的好處是省去路由節(jié)點(diǎn)的中繼，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜆錉罹W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，都需要路由?jié)點(diǎn)作為中繼，會(huì)增加系統(tǒng)開銷，增加了系統(tǒng)能耗，使整個(gè)系統(tǒng)變得復(fù)雜化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)由上位機(jī)、協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。理論上ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最大支持?jǐn)?shù)為65 000個(gè)，系統(tǒng)只設(shè)計(jì)兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器?？稍诖笈锕芾碇行牡腜C機(jī)上運(yùn)行上位機(jī)軟件，操作人員坐在辦公室內(nèi)就可以實(shí)時(shí)觀測大棚內(nèi)溫濕度狀況。協(xié)調(diào)器是基于CC2530芯片，與PC機(jī)通過RS 232通信線連接，可將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包信息解析出來，然后通過RS 232傳送給上位機(jī)。終端節(jié)點(diǎn)同樣也是采用CC2530芯片為核心，通過芯片I/O口與DHT11傳感器進(jìn)行單總線數(shù)據(jù)通信，將采集的數(shù)據(jù)根據(jù)總線協(xié)議讀取出來，處理加入ZigBee協(xié)議報(bào)文中，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功后進(jìn)行報(bào)文傳送。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

為節(jié)省系統(tǒng)能耗，硬件設(shè)計(jì)盡量精簡。如圖2所示，協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)包含電源模塊、通信模塊、天線模塊；CC2530標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓3.3 V，需要外圍電源轉(zhuǎn)換電路，采用AMS1117?3.3 穩(wěn)壓芯片將USB接口5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V；通信模塊為MAX232電平轉(zhuǎn)換電路，將CC2530輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS 232電平與PC機(jī)串口通信；天線模塊為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，采用π型電路設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)外設(shè)電路包含DHT11傳感器采集模塊、天線和電池供電電路。

2.2 核心電路

協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)電路核心模塊采用相同設(shè)計(jì)，都采用主核心板PA和地板分離的方式，圖3為PA板上主要是芯片和射頻電路部分。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器即無線自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)包解析和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)。程序流程圖如圖4所示。利用IAR集成開發(fā)工具，移植TI官方Z?Stack協(xié)議棧。在協(xié)議棧的硬件層初始化系統(tǒng)需要使用到硬件設(shè)備。硬件初始化主要是對CC2530芯片外設(shè)時(shí)鐘、串口、RF射頻的初始化；初始化完成，程序就進(jìn)入?yún)f(xié)議棧任務(wù)函數(shù)，首先建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。有節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)，在協(xié)議棧內(nèi)部注冊SYS_EVENT_MSG系統(tǒng)消息事件，通過注冊的事件類型來調(diào)用應(yīng)用層事件處理函數(shù)Coordinator_ProcessEvent（），在處理函數(shù)中調(diào)用Osal_msg_receive（）消息處理函數(shù)來判斷具體觸發(fā)的事件類型，若為AF_INCOMING_MSG_CMD數(shù)據(jù)接收事件類型，則為ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)來數(shù)據(jù)包[10]。在afIncomingMSGPacket_t包中解析出數(shù)據(jù)內(nèi)容，并調(diào)用Uart_send（）函數(shù)，將數(shù)據(jù)按照自定義數(shù)據(jù)幀格式（在一幀數(shù)據(jù)前加上本次節(jié)點(diǎn)的幀頭數(shù)據(jù)，上位機(jī)根據(jù)幀頭數(shù)據(jù)可以解析判斷出是哪個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)）發(fā)送到上位機(jī)。除了解析出需要的有效信息外，還需要關(guān)注的就是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量。此時(shí)就需要在Z?Stack協(xié)議棧程序中找到接收報(bào)文的位置，提取在數(shù)據(jù)包函數(shù)afIncomingMSGPacket_t結(jié)構(gòu)體中的LinkQuality成員。計(jì)算出LinkQuality能夠反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中此數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量。根據(jù)公式（1）可在程序中計(jì)算出RSSI值[10?13]。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要功能是加入?yún)f(xié)調(diào)器自組織的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器。程序流程圖如圖5所示。

硬件初始化后程序就進(jìn)入?yún)f(xié)議棧的任務(wù)輪詢[13]，判斷是否存在相應(yīng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)成功后，協(xié)議棧的ZDO層會(huì)向應(yīng)用層發(fā)送SYS_EVENT_MSG的消息事件；協(xié)議棧會(huì)根據(jù)相應(yīng)的事件ID類型來調(diào)用事件處理函數(shù)，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)通知應(yīng)用層。應(yīng)用層接收到狀態(tài)改變后開始調(diào)用時(shí)間管理函數(shù)Osal_start_timerEx（ ）來周期性地調(diào)用DHT11_data_event（）讀取DHT11數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，并調(diào)用Send_data_event（）發(fā)送數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)沒有加入成功之前，ZDO設(shè)備對象層向應(yīng)用層傳遞的狀態(tài)是未連接狀態(tài)，應(yīng)用層就調(diào)用LED_ulink_task（）函數(shù)，節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈會(huì)一直處于閃爍狀態(tài)，加入網(wǎng)絡(luò)成功后，LED_link_task（）函數(shù)就會(huì)被調(diào)用。指示燈為常亮狀態(tài)，表示此時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接正常。

3.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用NI公司的LabVIEW軟件，需安裝NI公司的VISA驅(qū)動(dòng)使用串口通信[9]。設(shè)計(jì)包括兩部分，前面板的界面設(shè)計(jì)和后面板的程序設(shè)計(jì)。前面板主要是界面布局和控件擺放。前面板界面如圖6所示。

后面板主要實(shí)現(xiàn)邏輯代碼功能。代碼包含初始化串口資源配置，循環(huán)查詢串口緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)。滿足條件讀取串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，按照協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解包，如圖7所示。協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議幀格式第一個(gè)字節(jié)為0X0A，0X0B，…，后兩個(gè)字節(jié)為實(shí)際數(shù)據(jù)。上位機(jī)在串口緩沖區(qū)提取到數(shù)據(jù)幀后，規(guī)定幀格式解析出相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息。將相應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行ASCII碼和數(shù)值轉(zhuǎn)換，送到顯示控件顯示數(shù)值，將數(shù)值綁定到波形圖表控件顯示相應(yīng)的溫濕度波形。

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

為了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分別對某一天不同時(shí)間點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比分析，如表1所示。溫度測量值和實(shí)際值平均誤差為4.2%；濕度測量值與實(shí)際平均誤差為2.9%。在實(shí)際大棚管理中，能滿足實(shí)際要求。此外需要測試可靠性問題：距離和數(shù)據(jù)丟包率之間的關(guān)系。為了測試設(shè)備是否能滿足實(shí)際環(huán)境的要求，在空曠無任何障礙物阻擋的情況下，進(jìn)行不同距離傳輸對丟包率[10]和RSSI值的影響，實(shí)驗(yàn)采用2.4 GHz高增益、阻抗匹配50 Ω的RF射頻天線，每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行50次測量取平均值。數(shù)據(jù)分析如表2所示。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析得出：在一般正常情況下，協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)距離500 m左右，數(shù)據(jù)丟包率在1.5%左右，實(shí)際中小規(guī)模的大棚距大棚管理中心半徑距離也是500 m左右。若要用在大規(guī)模大棚種植中，可以在程序里修改發(fā)射功率寄存器的值，提高終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率至3 dB；有效距離就會(huì)相應(yīng)增加，但增加功率的同時(shí)也會(huì)增加終端節(jié)點(diǎn)的功耗，這樣終端節(jié)點(diǎn)的電池壽命就會(huì)隨之減少。所以根據(jù)實(shí)際情況可以做出適中的選擇。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)采用ZigBee星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以CC2530芯片為核心，設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，協(xié)調(diào)器能夠自組織網(wǎng)絡(luò)；終端節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定地加入網(wǎng)絡(luò)中并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送；上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測到各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)溫濕度信息，能夠準(zhǔn)確地判斷出各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路連接情況。與傳統(tǒng)人工監(jiān)測相比，可大大減少人工作業(yè)時(shí)間，減少看管人員，很好地提高了大棚管理的效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡慶新，程陣.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35（11）：26?29.

HU Qingxin， CHENG Zhen. The design of wireless sensor network platform positioning system based on ZigBee [J]. Application of electronic technique， 2009， 35（11）： 26?29.

[2] 王鑫，潘賀，楊簡.基于CC2530的ZigBee無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（3）：217?220.

WANG Xin， PAN He， YANG Jian. Design of ZigBee wireless temperature and humidity monitoring system based on CC2530 [J]. Journal of Chinese agricultural mechanization， 2014， 35（3）： 217?220.

[3] 任志健，莫偉健，萬智萍.基于CC2530的ZigBee2007/PRO協(xié)議的無線溫濕度系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（10）：40?43.

REN Zhijian， MO Weijian， WAN Zhiping. A wireless temperature and humidity monitoring system based on CC2530 ZigBee2007/PRO protocol stack [J]. Electronic design engineering， 2012， 20（10）： 40?43.

[4] ZHANG Qian， YANG Xianglong， ZHOU Yiming， et al. A wireless solution for greenhouse monitoring and control system based on ZigBee technology [J]. Journal of Zhejiang University?Science A （Applied physics & engineering）， 2007， 8（10）： 1584?1587.

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

ZHANG Weicong， YU Xinwu， LI Zhongcheng. Wireless network sensor node design based on CC2530 and ZigBee protocol stack [J]. Computer systems & applications， 2011， 20（7）： 184?187.

[6] 衣翠平，柏逢明.基于ZigBee技術(shù)的CC2530糧庫溫濕度檢測系統(tǒng)研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，34（4）：53?57.

YI Cuiping， BAI Fengming. ZigBee?based CC2530 granary temperature and humidity monitoring System [J]. Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural science edition）， 2011， 34（4）： 53?57.

[7] 倪敬飛.ZigBee?2006協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2009.

NI Jingfei. Implementation and application of ZigBee?2006 protocol stack [D]. Suzhou： Soochow University， 2009.

[8] 焦尚彬，宋丹，張青，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2013，27（5）：436?442.

JIAO Shangbin， SONG Dan， ZHANG Qing， et al. Coal mine monitoring system based on ZigBee wireless sensor networks [J]. Journal of electronic measurement and instrument， 2013， 27（5）： 436?442.

[9] 朱斌，譚勇，黃江波.基于ZigBee無線定位技術(shù)的安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18（6）：1247?1249.

ZHU Bin， TAN Yong， HUANG Jiangbo. Design of safety monitoring system based on ZigBee wireless position technology [J]. Computer measurement & control， 2010， 18（6）： 1247?1249.

[10] 周賢偉，覃伯平，徐福華.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與安全[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

ZHOU Xianwei， QIN Boping， XU Fuhua. Wireless sensor network and safety [M]. Beijing： National Defense Industry Press， 2007.

[11] 張堃，欒卉，蔣明杰，等.具有環(huán)境監(jiān)測功能的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（12）：61?64.

ZHANG Kun， LUAN Hui， JIANG Mingjie， et al. The design of intelligent street lamp control system with the function of environment monitoring [J]. Research and exploration in laboratory， 2015， 34（12）： 61?64.

[12] 周嶺松，余春暄.基于ZigBee技術(shù)的溫濕度控制系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2011，34（6）：47?50.

ZHOU Lingsong， YU Chunxuan. Temperature and humidity controlling system based on ZigBee [J]. Electronic measurement technology， 2011， 34（6）： 47?50.

[13] 葉楊婷.基于ZigBee和GPRS的地鐵環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（12）：65?68.

YE Yangting. Design of subway environment monitoring system based on ZigBee and GPRS [J]. Research and exploration in laboratory， 2015， 34（12）： 65?68.