基于ZigBee技術(shù)的塑料大棚溫濕度控制系統(tǒng)研究

江煜+楊忠+許飛云

【摘要】農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。ZigBee技術(shù)作為一種新興的短距離、低速率、低功耗、低成本的無線通信技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文采用ZigBee技術(shù)，結(jié)合農(nóng)業(yè)塑料大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，通過系統(tǒng)組網(wǎng)、溫濕度采集和上位機(jī)可視化顯示，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，并通過試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)塑料大棚的溫濕度控制。

引言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的高度集中和綜合運(yùn)用，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第3次浪潮[1]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，推動(dòng)粗放型、分散式的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向規(guī)?；?、集約化、智能化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的塑料大棚控制系統(tǒng)是其研究的最新熱點(diǎn)之一[2]。本文結(jié)合塑料大棚實(shí)際控制的需求，采用ZigBee通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器的組網(wǎng)和對(duì)塑料大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，并結(jié)合組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)界面的可視化，實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料大棚采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該技術(shù)代替了傳統(tǒng)塑料大棚采用的有線設(shè)備，不僅降低了系統(tǒng)成本和維護(hù)難度，也極大提高了塑料大棚系統(tǒng)和用戶的工作效率。

ZigBee技術(shù)

ZigBee又稱IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，是一種無線通信技術(shù)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、自組織能力強(qiáng)的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)，為短距離低速通信提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[3]。ZigBee有3個(gè)工作頻段，分別為2.4 GHz（全球范圍內(nèi)通用）、868 MHz（歐洲地區(qū)使用）和915 MHz（美國地區(qū)使用），分別具有最高250、20、40 Kbps的傳輸速率，傳輸距離在10～180 m。

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧（圖1）是由物理層（PHY）、媒體訪問控制子層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）四層模塊構(gòu)成，每一層為它的上一層執(zhí)行一組特定服務(wù)，即數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供的服務(wù)。

物理層（PHY）運(yùn)行在2個(gè)不同的頻率范圍：868/915 MHz和2.4 GHz，前者在歐美等國家使用，后者全球通用。媒體訪問控制層（MAC）負(fù)責(zé)相鄰節(jié)點(diǎn)間的可靠通信，防止碰撞和提高工作效率，同時(shí)也負(fù)責(zé)解析和打包數(shù)據(jù)。應(yīng)用層（APL）是由用戶自定義功能程序、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和應(yīng)用支持子層（APS）組成；網(wǎng)絡(luò)層（NWK）是由NWK負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，由連接設(shè)備、存儲(chǔ)路由信息、執(zhí)行路由選擇、分配IEEE地址等組成。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層（NWK）有星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]（圖2）。

星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)單跳網(wǎng)絡(luò)，有若干終端節(jié)點(diǎn)和唯一一個(gè)協(xié)調(diào)器。如果2個(gè)節(jié)點(diǎn)想要互相通信，必須將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器可以充當(dāng)路由器使用。

樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)，有唯一一個(gè)協(xié)調(diào)器、若干路由器和終端節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間相互通信時(shí)，必須沿著樹型網(wǎng)絡(luò)在建立時(shí)形成的路由路徑進(jìn)行消息傳遞，子節(jié)點(diǎn)必須通過父節(jié)點(diǎn)才能同其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。如果有一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)功能失效，那么以它為父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)使命也就終結(jié)。由此可見，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)耗資大、安全性低。

網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似，屬于多跳網(wǎng)絡(luò)，有一個(gè)協(xié)調(diào)器、多個(gè)路由器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。只要在節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，路由器與路由器之間、路由器與協(xié)調(diào)器之間就可以通信，與節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無關(guān)。進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，如果其中一個(gè)路由器不能繼續(xù)工作，那么發(fā)出消息的節(jié)點(diǎn)會(huì)重新搜索覆蓋范圍內(nèi)的其他路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定的容錯(cuò)性。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以降低數(shù)據(jù)的傳輸速率為代價(jià)，提高了數(shù)據(jù)可靠性。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

塑料大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含硬件部分和軟件部分（圖3）。硬件部分主要包含溫度傳感器、濕度傳感器、協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)的整體方案設(shè)計(jì)。軟件部分包括Z-Stack協(xié)議棧的設(shè)計(jì)、ZigBee設(shè)備間的通信、溫濕度數(shù)據(jù)采集、上位機(jī)軟件串口讀寫和塑料大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

塑料大棚控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要采用基于TI公司提出的SoC解決方案，核心芯片選用CC2530[9]。CC2530是增強(qiáng)型的8051CPU內(nèi)核，有18個(gè)中斷源且分為4組；有4個(gè)不同的存儲(chǔ)空間用于程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；有4組寄存器；有21個(gè)I/O口，可配置為通用I/O或外部設(shè)備，輸入口具有上拉或下拉能力，同時(shí)還有外部中斷能力；有2個(gè)串行通信接口，能運(yùn)行于異步UART模式或同步SPI模式。同時(shí)，CC2530具有良好的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，其內(nèi)部集成RF收發(fā)器，繼承了RF的優(yōu)良性能，能夠兼容ZigBee2007協(xié)議棧，是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案[6-9]。

◆ 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備

硬件設(shè)計(jì)包含協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備。協(xié)調(diào)器功能主要是建立網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立好，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求，識(shí)別后就能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)終端節(jié)點(diǎn)都會(huì)被賦予一個(gè)唯一16位短地址，作為該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)（ID號(hào)）?？紤]塑料大棚溫濕度系統(tǒng)主要有ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)2個(gè)設(shè)備，本系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)，且由它進(jìn)行維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通信，終端設(shè)備只有擁有與協(xié)調(diào)器相同的ID號(hào)，才能入網(wǎng)直接與ZigBee協(xié)調(diào)器互相通信。

◆ 終端節(jié)點(diǎn)電路

在溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理，分布在塑料大棚中，把采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器（圖4）作為采集單元，傳感器是由電阻式感濕元件和NTC測(cè)溫元件組成的，并連接了一個(gè)高性能8位單片機(jī)。DHT11響應(yīng)快、抗干擾強(qiáng)、性價(jià)比高、體積小、信號(hào)傳輸距離長。相對(duì)于基于模擬信號(hào)測(cè)量的模擬式溫濕度傳感器，DHT11具有更好的穩(wěn)定性，不易受外界環(huán)境影響，誤差小。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主要采用2006Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計(jì)[10-11]。軟件主要包含3個(gè)模塊：溫濕度采集模塊、ZigBee無線通信模塊、上位機(jī)顯示模塊。溫濕度采集模塊DHT11主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)；ZigBee無線通信是由Z-Stack實(shí)現(xiàn)，其中通信單元中網(wǎng)絡(luò)層、物理層是由協(xié)議棧程序封裝，應(yīng)用層的軟件是通過用戶自定義完成；上位機(jī)顯示模塊主要采用java程序編寫界面和讀寫串口程序。

◆ 溫濕度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DHT11溫濕度傳感器的DATA引腳是用于與CC2530單片機(jī)進(jìn)行通信和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，單次通信時(shí)間大約為4 ms，數(shù)據(jù)有小數(shù)和整數(shù)2個(gè)部分，該系統(tǒng)沒有讀取小數(shù)部分即為零。當(dāng)用戶發(fā)送1次開始信號(hào)后，DHT11從低速模式轉(zhuǎn)換到高速模式，在主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)后，DHT11返回響應(yīng)信號(hào)，并發(fā)送40 bit的數(shù)據(jù)，進(jìn)行1次信號(hào)采集，讀取整數(shù)部分。當(dāng)總線空閑時(shí)為高電平，主機(jī)需把總線拉低直到DHT11來響應(yīng)，必須保證拉低時(shí)間長于18 ms，從而保證DHT11檢測(cè)到主機(jī)發(fā)來的起始信號(hào)。DHT11接收到開始信號(hào)后，延時(shí)等待20～40 μs左右，讀到DHT11的80 μs低電平響應(yīng)信號(hào)。DHT11這時(shí)可變到輸入模式或由上拉電阻把總線拉高。DHT11發(fā)送的數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)位是由高電平的時(shí)間長短來決定是數(shù)字0信號(hào)還是數(shù)字1信號(hào)（圖5）。

◆ Z-Stack協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧的每一層都是一個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)又劃分為多個(gè)事件，它們之間有可能同時(shí)操作。當(dāng)有多個(gè)事件同時(shí)被觸發(fā)，通過進(jìn)程調(diào)度程序來判斷各個(gè)事件的優(yōu)先級(jí)，然后根據(jù)優(yōu)先級(jí)通知相應(yīng)層的事件處理函數(shù)來處理優(yōu)先級(jí)[5-6]。

Z-Stack協(xié)議棧封裝了物理層和網(wǎng)絡(luò)層，其應(yīng)用程序在Z-Stack中的調(diào)用過程如下：

main（）--->osal_init_system（）--->osalInitTasks（）---> SerialApp_Init（）。main函數(shù)初始化所有硬件設(shè)備和檢驗(yàn)設(shè)備是否運(yùn)行正常，為初始化操作系統(tǒng)和啟動(dòng)操作系統(tǒng)做準(zhǔn)備，完成ZigBee設(shè)備通信工作。應(yīng)用層（SerialApp_Init）實(shí)現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)收發(fā)、事件處理、按鍵處理等功能。

◆ 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)顯示界面和串口通信是使用Eclipse進(jìn)行設(shè)計(jì)，屬于java語言編程環(huán)境。協(xié)調(diào)器根據(jù)從終端接收到的數(shù)據(jù)通過串口上傳給PC機(jī)。步驟如下：①進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試之前，先進(jìn)行串口配置，設(shè)置波特率為38400，數(shù)據(jù)位為8位。②使用開源java類庫RXTX串口通信，其兼容windows，Linux等操作系統(tǒng)。上位機(jī)程序設(shè)計(jì)包含串口程序（主程序）和界面程序。

主程序 該類實(shí)現(xiàn)了線程Runnable接口以及串口事件監(jiān)聽接口，用于監(jiān)聽系統(tǒng)中可用端口的收發(fā)數(shù)據(jù)。程序首先初始化串口，然后實(shí)現(xiàn)接口SerialPortEventListener中的方法，該方法可以讀取由協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送給上位機(jī)的字節(jié)數(shù)據(jù)。同時(shí)outputStream流可以發(fā)送信息給協(xié)調(diào)器。

界面程序 界面采用swing編程。該類實(shí)現(xiàn)了線程Runnable接口以及事件監(jiān)聽接口。界面可以顯示溫濕度的大小并實(shí)時(shí)刷新（圖6）。

系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行可靠性和穩(wěn)定性檢測(cè)。首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)能力進(jìn)行測(cè)試。該網(wǎng)絡(luò)包括1個(gè)協(xié)調(diào)器和1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，它們之間通過PC機(jī)USB轉(zhuǎn)串口線供電，測(cè)試距離室外50 m、室內(nèi)10 m。協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)端口為COM1，波特率為38400 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)和流量控制。首先使用IRA分別將生成好的Coordinator.hex和EndDevice.hex下載到協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備；其次，通過串口線將協(xié)調(diào)器和終端連接到PC機(jī)USB接口，再打開協(xié)調(diào)器開關(guān)上電，接著啟動(dòng)Eclipse環(huán)境，運(yùn)行serialport工程。上電后協(xié)調(diào)器D3燈常亮，終端D1燈不停的閃爍，則表示終端入網(wǎng)成功（圖7）。此時(shí)，在設(shè)備管理器中配置好串口，按下終端S1按鍵就能夠上傳傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)上位機(jī)顯示界面能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到終端傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)。如果想停止數(shù)據(jù)上傳，再次按下S1按鍵。上位機(jī)監(jiān)測(cè)圖如圖8所示，當(dāng)前溫度為24℃，濕度為44%。

經(jīng)測(cè)試，在有效傳輸距離范圍內(nèi)移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)有時(shí)會(huì)暫時(shí)脫離網(wǎng)絡(luò)，不能上傳數(shù)據(jù)，但很快又能重新加入網(wǎng)絡(luò)。此外，隨著節(jié)點(diǎn)間障礙物的增加，信號(hào)穿透能力逐漸減弱，節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸中可能出現(xiàn)短暫的中斷，但網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠自組織并自我修復(fù)重新加入網(wǎng)絡(luò)。所以系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試存在2種情況：①在無障礙環(huán)境中將協(xié)調(diào)器位置固定，終端節(jié)點(diǎn)在有效傳輸范圍內(nèi)移動(dòng)，丟包率隨著距離的增加而增大。在50 m之內(nèi)，協(xié)調(diào)器能準(zhǔn)確收到終端數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸可靠，但超過50 m，丟包率呈上升趨勢(shì)，數(shù)據(jù)傳輸變得不可靠。②在有障礙環(huán)境下測(cè)試，傳輸可靠距離較之無障礙有所縮短，超過40 m就開始出現(xiàn)嚴(yán)重丟包。

結(jié)論

本文以塑料大棚溫濕度參數(shù)為監(jiān)控目標(biāo)，通過以CC2530為核心的單片機(jī)和ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)塑料大棚溫濕度監(jiān)控。當(dāng)該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器負(fù)責(zé)采集大棚內(nèi)溫濕度參數(shù)；ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳給協(xié)調(diào)器；ZigBee協(xié)調(diào)器接收終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)并通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)顯示并存儲(chǔ)。同時(shí)，上位機(jī)可以判斷溫濕度范圍，當(dāng)超出預(yù)設(shè)范圍，將通過協(xié)調(diào)器向終端發(fā)送指令，開啟水泵或加熱器等設(shè)備，來實(shí)施溫濕度實(shí)時(shí)控制。最后通過運(yùn)行測(cè)試，證實(shí)系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

致謝

感謝金陵科技學(xué)院于進(jìn)月同學(xué)的硬件支持！

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*項(xiàng)目支持：金陵科技學(xué)院高層次人才引進(jìn)基金（JIT-6-201623，JITFHXN201608）；國家自然科學(xué)基金（51575101，51305176）。

作者簡介：江煜（1975-），博士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、聲發(fā)射結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。