基于ZigBee和LabView的溫室溫度檢測系統(tǒng)

徐理政 張云翔

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，人們的生活水平和生產(chǎn)力得到了極大的提高。在大棚種植方面，溫度對于植物的生長影響很大，需要實時地去調(diào)節(jié)大棚的溫度來確保植物的正常生長。針對這情況，設(shè)計了一款基于ZigBee的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，終端能實時采集溫度，利用無線傳輸?shù)男问綄囟葦?shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器并在電腦上通過LabView上位機實時顯示，能夠?qū)崟r地監(jiān)測溫度的變化，方便及時采取相應(yīng)的措施。ZigBee的功耗低，穩(wěn)定性強，非常適合此類場景的使用。

關(guān)鍵詞： ZigBee; 溫度檢測; 無線傳輸; LabView

文章編號： 2095-2163（2019）03-0263-03 中圖分類號： TP274 文獻標志碼： A

0 引 言

中國作為一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，各種農(nóng)作物的需求量也日漸增多。溫室種植作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)構(gòu)成之一，也正在由傳統(tǒng)的培育模式逐步演變成滿足現(xiàn)代社會需求的高效可持續(xù)發(fā)展的先進生產(chǎn)模式。溫室大棚中種植的農(nóng)作物對溫度的要求極高，因而需要實時監(jiān)控溫度的變化，并采取相應(yīng)的措施。傳統(tǒng)的溫室大棚溫度往往靠人的經(jīng)驗或者有線的檢測系統(tǒng)，既不方便管理，也不利于設(shè)備的維護和移植。由于天氣環(huán)境等原因，穩(wěn)定性也較差?；诖耍O(shè)計研發(fā)一個無線實時監(jiān)控系統(tǒng)是十分有必要的。

ZigBee作為一款低功耗、低成本、穩(wěn)定性強的雙向無線通訊技術(shù)，能夠克服有線設(shè)備可移植性差、維護困難、不方便安裝的缺點。已經(jīng)廣泛地運用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的M2M行業(yè)，如智能電網(wǎng)、智能家居、智能交通，在農(nóng)業(yè)和林業(yè)方面也得到了迅速普及與應(yīng)用。本文設(shè)計的無線溫度采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)將溫度及時發(fā)送到電腦等上位機進行顯示。并能設(shè)置溫度上/下限，當溫度過高或者過低時能夠快速告知，并提醒人們采取相應(yīng)的措施。使得溫度始終保持在有利于植物生長的范圍內(nèi)。

1 整體設(shè)計方案

整個系統(tǒng)由3部分設(shè)計組成，即：終端傳感器、外部網(wǎng)絡(luò)和上位機監(jiān)控設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持3種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，分別為：星型、樹形和網(wǎng)狀型，這里的外部網(wǎng)絡(luò)采用點對點的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個協(xié)調(diào)器和多個終端組成。只存在協(xié)調(diào)器與終端之間的通訊，終端之間的數(shù)據(jù)只能通過協(xié)調(diào)器進行轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器的主要作用是建立整個網(wǎng)絡(luò)，也是網(wǎng)絡(luò)中的第一個設(shè)備。終端設(shè)備主要是采集溫度數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給協(xié)調(diào)器發(fā)送至上位機進行顯示。使得人們能夠及時采取相應(yīng)的措施。

相比ZigBee2006，ZigBee2007無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)能夠提供更多、更加精準的傳感器設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)的通訊接口也得到增加，因而有更多的網(wǎng)絡(luò)支持，處理數(shù)據(jù)的能力也在相當程度上得到提升。ZigBee技術(shù)的特性決定了其必將成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的最佳的選擇。這里選用的是ZigBee新一代的CC2530芯片，CC2530擁有一個完全集成的高性能的RF收發(fā)器和8051微處理器，8 KB的RAM以及其強大的配接其它外設(shè)的功能。ZigBee是IEE802.15.4協(xié)議的代名詞。IEE802.15.4是一個低速無線局域網(wǎng)的標準，該標準定義了協(xié)議棧的物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制層（MAC），其優(yōu)勢特點就在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，具有靈活的吞吐量。ZigBee協(xié)議棧建立在IEE802.15.4的PHY層和MAC子層規(guī)范之上。研發(fā)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，在應(yīng)用層內(nèi)提高了應(yīng)用支持子層和ZigBee設(shè)備對象先進性與適用性，ZigBee在數(shù)據(jù)傳輸方面具有良好的抗干擾能力。節(jié)點之間能夠靈活地進行組網(wǎng)，從而免去了繁瑣的布線工作。整個系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)協(xié)調(diào)器模塊的設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計采用德州儀器生產(chǎn)的2.4 GHz的CC2530（無線片上系統(tǒng)單片機）。CC2530結(jié)合了TI公司的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，提供了一個強大可靠的網(wǎng)絡(luò)解決方案，有著高性能、低功耗和一個帶有代碼預(yù)讀取功能的增強型8051微控制器內(nèi)核。增強型8051內(nèi)核每一個指令周期是一個時鐘，而不是標準8051的12個時鐘周期，由此消除了總線狀態(tài)的浪費可能，做到了對數(shù)據(jù)的實時處理。一個網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，當網(wǎng)絡(luò)初始化時，而且確定在通訊的范圍內(nèi)沒有其它協(xié)調(diào)器節(jié)點的情況下，協(xié)調(diào)器會選擇一個信道和PANID，不同信道之間的網(wǎng)絡(luò)無法進行通訊， 從而保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和抗干擾性。

協(xié)調(diào)器的主要功能是建立整個網(wǎng)絡(luò)，是無線網(wǎng)絡(luò)中的核心節(jié)點，負責接收終端傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，將CC2530的P0_2，P0_3配置成外設(shè)功能，其中P0_2為RX，P0_3為TX。默認采用了USART0串行通訊接口。通過USB轉(zhuǎn)串口功能與電腦等上位機相連。組建網(wǎng)絡(luò)的過程可解析為網(wǎng)絡(luò)的初始化和終端節(jié)點的加入兩個步驟。具體來說，初始化的目的及作用是確定網(wǎng)絡(luò)中是否存在協(xié)調(diào)器，并獲得網(wǎng)絡(luò)的PANID。終端節(jié)點通過發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請求來加入相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，這一過程通過ZigBee協(xié)議棧各層之間的原語通信來實現(xiàn)。研究中給出的設(shè)計工作流程如圖2所示。在Z-Stack協(xié)議棧中先執(zhí)行包括硬件、網(wǎng)絡(luò)層、任務(wù)層等在內(nèi)的初始化。然后執(zhí)行osal_start_system操作系統(tǒng)。在本次研究中擬用到的系統(tǒng)初始化函數(shù)就是任務(wù)的初始化osalInitTasks（），主要是分配任務(wù)的優(yōu)先級，創(chuàng)建用戶自己的任務(wù)。接著在main（）函數(shù)中調(diào)用osal_start_system，可用于分配相應(yīng)的任務(wù)使其與所關(guān)聯(lián)的taskID相匹配。系統(tǒng)會一直輪詢掃描，當有事件被觸發(fā)的時候，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

3 系統(tǒng)終端節(jié)點的設(shè)計

終端節(jié)點的溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃，在-10 ℃～+85 ℃時精度為±0.5 ℃。滿足大棚的溫度測量的要求，這里將其進行封裝，考慮到大棚潮濕的環(huán)境，本文選用的是不銹鋼的DS18B20封裝，同時也耐磨、耐碰、不易損壞。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，DS18B20能夠直接讀出被測的溫度并可根據(jù)背景環(huán)境的應(yīng)用要求提高精度。研究中采用了單線接口讀寫，總線可以給所接的DS18B20供電，無需外加電源，使得整體結(jié)構(gòu)更加簡單，穩(wěn)定性也得到增強。非常適用于各種場合的溫度測量。

終端節(jié)點的主要作用是周期性地采集相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，也能收到來自協(xié)調(diào)器的控制指令。在這里設(shè)置成每間隔1 s向協(xié)調(diào)器發(fā)送一次溫度數(shù)據(jù)。首先調(diào)用初始化函數(shù)void SampleApp_Init對系統(tǒng)進行初始化，然后調(diào)用任務(wù)事件處理函數(shù)UINT16 Sample App_Process Event，對各種不同類型的任務(wù)展開處理及操作，發(fā)送請求加入網(wǎng)絡(luò)并進行綁定，當成功加入網(wǎng)絡(luò)時協(xié)調(diào)器的LED燈開始閃爍，表明組網(wǎng)成功。本文研發(fā)設(shè)計的終端節(jié)點的工作流程如圖3所示。

4 上位機界面的設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試

4.1 上位機界面的設(shè)計

通常上位機界面的設(shè)計有2種方法。一種是傳統(tǒng)的代碼編程的方式，比如VB，VC++等。另一種是圖形化的編程方式。使用圖形化編程方式的突出優(yōu)點是開發(fā)周期短，且易于理解。故而，研究中采用了LabView的圖像化的編程方式，適用于各類不同知識層面的編程人員。

LabView是由美國國家儀器NI公司開發(fā)的一款功能強大的優(yōu)秀圖形化編程開放平臺，采用模型化的設(shè)計思想使得系統(tǒng)在調(diào)試、編寫、改良的過程中更趨簡捷便利。程序主要由前面板和程序框圖面板組成，前面板也稱為人機交互面板，由各種顯示控件組成。溫度檢測系統(tǒng)的前面板如圖4所示。其中，包含了當前實時溫度的數(shù)字和波形幅度顯示，并且可以靈活地設(shè)置溫度的上下限，當溫度過高、或者過低的時候溫度報警燈點亮提示人們要采取相應(yīng)的措施。

程序面板框圖如圖5所示。由圖5可知，程序框面板在設(shè)計上包括串口的配置工作、波特率串口號配置、數(shù)據(jù)的讀取和寫入，并且利用for，while函

數(shù)和邏輯判斷來實現(xiàn)系統(tǒng)的報警和閃光功能，數(shù)據(jù)存儲模塊主要由字符串常量、布爾值和數(shù)組等節(jié)點函數(shù)組成。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

通過設(shè)置串口號和波特率、溫度的閾值，終端能夠?qū)囟韧ㄟ^無線網(wǎng)絡(luò)實時傳送給協(xié)調(diào)器并在上位機上進行顯示，通過溫度曲線波形圖可以觀察到溫度的實時變化曲線。利用設(shè)置溫度的閾值，當溫度過高、或者過低的時候人們即能通過上位機的報警功能來采取相應(yīng)的措施。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用ZigBee CC2530作為核心硬件構(gòu)建了一個無線溫度傳感系統(tǒng)，上位機界面采用LabView進行編寫，非常便于后期的改進和功能的提升。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小、易于移植和拓展，能夠提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，對諸如大棚等類似的環(huán)境溫度進行實時的監(jiān)測，后續(xù)可以添加更多的功能模塊，如光敏感應(yīng)器和土壤濕度感應(yīng)器來使得大棚的管理更加智能化。

參考文獻

[1]夏立方 ，蔡嬌，趙升，等. 基于ZigBee技術(shù)的智能無線調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子測量技術(shù)，2013，36（10）：109-114.

[2]張緒偉，段培永，竇甜華，等. 基于LabVIEW和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 微計算機信息，2010，26（6）：98-100.

[3]張玉峰. 基于單片機的蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究，2010，32（3）：150-153.

[4]姜仲，劉丹. ZigBee技術(shù)與實訓(xùn)教程：基于CC2530的無線傳感技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[5]嚴雨，夏寧. LabVIEW入門與實戰(zhàn)開發(fā)100例[M]. 3版. 北京：電子工業(yè)出版社，2017.