基于WiFi與ZigBee的山區(qū)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

韓團(tuán)軍

關(guān)鍵詞： 監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 實(shí)時(shí)采集; ZigBee; WiFi; 環(huán)境監(jiān)測(cè); CC2430

中圖分類號(hào)： TN926+.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）02?0014?04

Research on mountainous farmland environmental monitoring

system based on WiFi and ZigBee

HAN Tuanjun

（School of Physics & Telecommunications Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： A mountainous farmland environmental monitoring system based on WiFi and ZigBee is designed according to the environmental characteristics and application requirements of mountainous areas， so as to solve the limitations of the traditional mountainous farmland environmental monitoring system. The temperature?humidity sensor， illumination sensor and CO2 sensor are selected for the system to conduct real?time acquisition of environmental parameters. The CC2430 radio frequency chip is adopted to complete the function of the ZigBee protocol. Data transmission and connection to the upper computer are realized by combining with the WiFi protocol. The Web server is used for the personal computer to display， process and store data. The experimental results show that the system can realize accurate detection of environmental parameters， which can expand its application range.

Keywords： monitoring system; real?time acquisition; ZigBee; WiFi; environment monitoring; CC2430

隨著我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境要求不斷提升和農(nóng)業(yè)信息化水平的提高，實(shí)現(xiàn)山區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，智能傳輸和數(shù)據(jù)處理具有重要的戰(zhàn)略應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用單一的無(wú)線傳輸模式，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)境廣泛性和特殊性，這種監(jiān)測(cè)方法無(wú)法解決使用時(shí)的耗能和傳輸速率問(wèn)題，而且安裝不變[1?3]。

為了解決以上問(wèn)題，結(jié)合山區(qū)地貌的實(shí)際環(huán)境本文提出基于WiFi與ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該方法是將ZigBee技術(shù)的低功耗、可自組網(wǎng)和多跳傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和具有易于和工業(yè)以太網(wǎng)相互融合傳輸速率比較高的WiFi技術(shù)相結(jié)合?？梢詫?shí)現(xiàn)在低功耗和減少傳感器數(shù)量基礎(chǔ)上對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的精確測(cè)量[4?6]。

1 ?監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)是通過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)完成對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)的采集并將采集到的參數(shù)通過(guò)ZigBee協(xié)議傳輸?shù)絑igBee?WiFi網(wǎng)關(guān)。由于ZigBee技術(shù)無(wú)法與外網(wǎng)直接融合，所以必須使用WiFi技術(shù)作為中轉(zhuǎn)，ZigBee?WiFi網(wǎng)關(guān)作用就是實(shí)現(xiàn)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。

通過(guò)協(xié)議網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換，參數(shù)就可以在ZigBee和WiFi之間進(jìn)行傳輸和應(yīng)用。上位機(jī)接收、存儲(chǔ)和顯示通過(guò)ZigBee傳輸?shù)絑igBee?WiFi網(wǎng)關(guān)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)[7?9]。整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

2 ?硬件接口的設(shè)計(jì)

智能傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)，ZigBee路由節(jié)點(diǎn)硬件的關(guān)鍵是選擇能耗和成本比較合適的微處理器芯片，為了增加節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)能力，采用TI公司片上系統(tǒng)CC2430通信模塊。該模塊能夠滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段的應(yīng)用。該芯片集成了一個(gè)2.4 GHz DSSS的收發(fā)器和高性能的8051控制器，支持多種ZigBee協(xié)議。傳感器節(jié)點(diǎn)如圖2所示。當(dāng)?shù)貐^(qū)的溫濕度數(shù)據(jù)由SHT71傳感器采集，ISL29010完成地區(qū)的光照數(shù)據(jù)、濕溫度數(shù)據(jù)與光照數(shù)據(jù)通過(guò)I2C協(xié)議與CC2430進(jìn)行通信。CO2氣體濃度采集選用紅外原理的B530傳感器，其原理是根據(jù)CO2對(duì)一定波段紅外輻射的吸收作用，使得指定測(cè)量范圍內(nèi)輻射能量減弱程度來(lái)決定CO2的濃度。土壤的濕度由FDS100傳感器進(jìn)行采集。溫度采用DS18B20進(jìn)行測(cè)量，CO2和土壤的溫濕度參數(shù)都是通過(guò)CC2430的P0端口進(jìn)行采集電壓信號(hào)的變化。CC2430完成數(shù)據(jù)的打包與判斷，通過(guò)差分信號(hào)輸入到圖2中天線模塊;天線模塊對(duì)CC2430輸出的差分信號(hào)通過(guò)放大進(jìn)行發(fā)射，同時(shí)將接收網(wǎng)關(guān)傳回的信號(hào)傳入CC2430模塊中[10?14]。

2.1 ?WiFi模塊的設(shè)計(jì)

硬件中WiFi模塊是針對(duì)ZigBee?WiFi設(shè)計(jì)的，其作用是完成數(shù)據(jù)從ZigBee模式向WiFi模式的轉(zhuǎn)換和WiFi模塊對(duì)信號(hào)的收發(fā)。WiFi模塊和CC2430通過(guò)串口進(jìn)行通信，WiFi模塊通過(guò)串口接收CC2430上傳的當(dāng)?shù)丨h(huán)境參數(shù)的采集信息，并通過(guò)WiFi協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信;同時(shí)上位機(jī)控制指令通過(guò)WiFi模塊發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其指令通過(guò)CC2430進(jìn)行處理后通過(guò)ZigBee協(xié)議傳送到相應(yīng)的智能采集節(jié)點(diǎn)。WiFi模塊采用ESP8266，特點(diǎn)是具有尺寸小、硬件接口多、功耗低、傳輸數(shù)據(jù)量大、速度快、通信協(xié)議簡(jiǎn)單、操作方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，最重要的是內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸更方便。單片機(jī)通過(guò)USART串口和該模塊進(jìn)行通信，發(fā)送AT命令即可輕松完成配置，全雙工通信的性能使得終端和底層硬件實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，有效地提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。設(shè)計(jì)中將WiFi模塊與單片機(jī)的串口2相連如圖3所示。

2.2 ?ZigBee模塊的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)ZigBee模塊時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件連接可以通過(guò)I2C串口數(shù)字模式讀取數(shù)據(jù)，這種設(shè)計(jì)方法不僅可以節(jié)省處理器接口資源而且連線方便。其中傳感器引腳一般接CC2430芯片的P06和P07接口。具體電路如圖4所示。

3 ?系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括ZigBee?WiFi網(wǎng)關(guān)程序和智能采集節(jié)點(diǎn)的程序。

1） 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)程序。該節(jié)點(diǎn)程序主要完成地區(qū)的數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)上電后先是各個(gè)節(jié)點(diǎn)初始化同時(shí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自檢，網(wǎng)絡(luò)建立成功后，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到網(wǎng)關(guān)指令系統(tǒng)時(shí)按照設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸，如果沒(méi)有新的指令系統(tǒng)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，等候網(wǎng)關(guān)有新命令傳達(dá)。具體流程圖如圖5所示。

2） ZigBee?WiFi網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序。ZigBee?WiFi網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序是建立在應(yīng)用層上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，完成整個(gè)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂埔约癦igBee和WiFi兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸中的協(xié)議轉(zhuǎn)換。通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以使傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在不存儲(chǔ)的情況下發(fā)送給上位機(jī)，也可以使上位機(jī)的指令發(fā)送給指定的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)流程圖如圖6所示。

4 ?系統(tǒng)的測(cè)試

為了方便讀取數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)Web服務(wù)器環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件，采用B/S結(jié)構(gòu)的Web服務(wù)器。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)測(cè)量，檢測(cè)軟件，用戶界面上能穩(wěn)定顯示當(dāng)前地區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)果，用戶顯示界面如圖7所示。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)可以穩(wěn)定對(duì)山區(qū)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳到ZigBee?WiFi無(wú)線網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)WiFi技術(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)應(yīng)用軟件。表1為系統(tǒng)中某一智能傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)回的當(dāng)?shù)貐^(qū)在1 h內(nèi)每隔10 min的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。

5 ?結(jié) ?論

根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境的要求和山區(qū)環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于WiFi與ZigBee的山區(qū)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)山區(qū)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可以通過(guò)ZigBee?WiFi網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)的無(wú)線傳輸，且方便接入上位機(jī)。通過(guò)LabVIEW實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)測(cè)量參數(shù)的實(shí)時(shí)處理和顯示。測(cè)量結(jié)果表明，該系統(tǒng)成本較低、功耗小，能夠滿足山區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求，具有一定的農(nóng)業(yè)推廣應(yīng)用價(jià)值。

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