基于ZigBee 與GPRS 的做青間溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

阮 星，吳清壽 ，李 桃

（1. 武夷學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建 武夷山354300；2. 認(rèn)知計(jì)算與智能信息處理福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 武夷山354300）

做青是形成武夷巖茶香氣和品質(zhì)的關(guān)鍵工序，溫度和濕度是影響做青環(huán)境的主要因素。在傳統(tǒng)的做青間中，對(duì)溫度和濕度的監(jiān)測(cè)主要采用人工監(jiān)測(cè)，在做青間中使用溫濕度計(jì)，通過(guò)人工讀取數(shù)據(jù)并記錄，效率低下且精度不足。

利用ZigBee 技術(shù)進(jìn)行的無(wú)線傳感器組網(wǎng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活、易于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離在滿足一定條件下，可達(dá)幾百米甚至幾公里［1］。GPRS 技術(shù)是面向移動(dòng)電話用戶的一種無(wú)線傳輸業(yè)務(wù)，采用分組交換技術(shù)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。

為此，本文選用ZigBee 技術(shù)與GPRS 技術(shù)相結(jié)合的方案，設(shè)計(jì)一個(gè)用于武夷巖茶做青間的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以對(duì)做青間的溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄，并可以預(yù)先設(shè)置報(bào)警閾值，在溫度或濕度超出范圍時(shí)提醒做茶師，從而節(jié)約人工，提高工作效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由運(yùn)行在服務(wù)器上的MONITOR、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)3 個(gè)部分構(gòu)成構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 系統(tǒng)工作流程

圖1 無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)外接溫濕度傳感器，用以采集巖茶做青間的溫濕度數(shù)據(jù)，利用Zigbee 網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)做初步的過(guò)濾與處理，以GPRS 數(shù)據(jù)包的方式發(fā)送至服務(wù)器，同時(shí)也可接收服務(wù)器發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的命令，用戶即可通過(guò)PC 機(jī)或手機(jī)終端實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

溫濕度采集節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的嵌入式軟件主要完成溫濕度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及發(fā)送傳輸?shù)裙δ?，屬于RFD（Reduce-function Device）節(jié)點(diǎn)［2］。經(jīng)過(guò)選型，最終采用MKW01Z128（以下簡(jiǎn)稱KW01）作為無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的控制芯片，該款芯片是飛思卡爾于2013 年推出的一款無(wú)線射頻芯片，基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核，內(nèi)核時(shí)鐘頻率高達(dá)48 MHz，功耗低至40 μA/MHz，具備128 kB Flash 和16 kB SRAM［3］，工作頻率范圍寬廣，能覆蓋ISM 的多個(gè)頻段［4］。此外，KW01 還內(nèi)置了豐富的通信接口，如A/D 轉(zhuǎn)換接口、GPIO 接口以及SPI 接口等，以便外接不同類型的傳感器。選用該芯片后，系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

2.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)

溫度傳感器有多種選擇，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，本文選擇了DS18B20 溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小、精度高的特點(diǎn)，測(cè)溫范圍為-55～125 ℃，溫度數(shù)據(jù)位可配置為9、10、11、12 位，固有測(cè)溫誤差1 ℃。且為單線接口方式，即只需要一條接口線便可與KW01 任一GPIO 口實(shí)現(xiàn)通信，支持多點(diǎn)測(cè)溫，無(wú)需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0～5.5 V。

2.2.2 濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

在巖茶的做青過(guò)程中，濕度是至關(guān)重要的數(shù)據(jù)，因此對(duì)濕度傳感器的要求也格外苛刻，經(jīng)過(guò)多方對(duì)比，最終選擇了HUMIREL 公司的HM1500LF。它是由濕敏電容制成的防護(hù)棒式濕度探頭，該傳感器可實(shí)現(xiàn)線性輸出，直接與微控制器相連，且能抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì)。5 V 恒壓供電，測(cè)量范圍為0%～100% RH，精度±3% RH。

2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一般需要處理多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，因此，需選擇性能更為強(qiáng)勁的MCU，本設(shè)計(jì)選用MK64FN1M0VLL12（以下簡(jiǎn)稱K64）作為系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主控。K64 由飛思卡爾公司于2013 年推出，主要面向以太網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)控制等領(lǐng)域，具備256 kB SRAM、1 MB Flash 以及66 個(gè)I/O 接口［5］，并且包含串口、SPI、I2C 以及以太網(wǎng)等多種通信接口［6］。

在網(wǎng)關(guān)的主控MCU 上運(yùn)行飛思卡爾的 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MQX-Lite，該操作系統(tǒng)是MQX（Message Queue eXecutive）的輕量化版本，專門(mén)針對(duì)資源有限的MCU 而開(kāi)發(fā)，目前僅支持M0+/M4 內(nèi)核，具有內(nèi)核精簡(jiǎn)、低資源需求以及高執(zhí)行效率等特點(diǎn)［7］。

2.4 GPRS 模塊設(shè)計(jì)

GPRS 模塊用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信。GPRS 模塊采用SIMCOM 公司的SIM900A 模塊，其采用了功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S 通信芯片。它是一個(gè)雙頻GSM/GPRS 模塊，工作在EGSM900 MHz 和DSC1 800 MHz 頻段，支持GPRS 多時(shí)隙Class 10/Class8 以及多種GPRS 編碼格式（CS-1、CS-2、CS-3 和CS-4），SIM900 具有性能穩(wěn)定、外形緊湊以及性價(jià)比高等特點(diǎn)。應(yīng)用表明該模塊能夠滿足系統(tǒng)的工作要求［8］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Monitor

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件Monitor 為B/S 結(jié)構(gòu)，基于TCP/IP 協(xié)議Socket 的通信架構(gòu)，采用C# 語(yǔ)言編寫(xiě)，運(yùn)行于服務(wù)器之上，用于偵聽(tīng)Socket 請(qǐng)求并建立特定的連接，將傳感節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)存入云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中［9］。用戶可利用瀏覽器獲取做青間的實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)，并且可以通過(guò)瀏覽器對(duì)溫濕度的閾值做設(shè)置。Monitor 的角色定位于服務(wù)器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的接口，借助于異步Socket 機(jī)制，能夠直接同網(wǎng)關(guān)的GPRS 模塊建立通信。用戶通過(guò)可配置Monitor，讓采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)特定的功能，從而大大降低用戶二次開(kāi)發(fā)的難度。圖2 為Monitor 工作流程。

圖2 Monitor 工作流程

3.2 數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)工作流程，數(shù)據(jù)幀可分為兩種類型，一種是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器數(shù)據(jù)幀，另一種是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀。表1 為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器數(shù)據(jù)幀格式，表2 為采集節(jié)點(diǎn)回送網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀格式。

如果需針對(duì)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作，可以對(duì)子命令字段賦值，以表示對(duì)采集節(jié)點(diǎn)的一系列操作，本系統(tǒng)對(duì)部分操作作出規(guī)定，并留有一定的擴(kuò)展空間，具體的操作可以根據(jù)需求自行定義。表3 給出了部分已定義的子命令。

數(shù)據(jù)幀的設(shè)計(jì)追求簡(jiǎn)潔的同時(shí)需要具備較為豐富的功能，使得在系統(tǒng)投入使用時(shí)既能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的目的，又能夠減少不必要的流量開(kāi)銷，從而起到節(jié)約流量資費(fèi)的作用。

表1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器數(shù)據(jù)幀格式

表2 采集節(jié)點(diǎn)回送網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀格式

表3 子命令的取值與操作

4 應(yīng)用

本系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于武夷山某小型茶廠的做青間，實(shí)現(xiàn)對(duì)做青間的溫濕度數(shù)據(jù)采集，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果如圖3 所示。運(yùn)行情況表明，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，操作簡(jiǎn)單，通信穩(wěn)定性較高，可以為武夷巖茶做青提供數(shù)據(jù)分析支撐，并能提高做青的效率，節(jié)約人力資源。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行

5 小結(jié)

本文依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則，設(shè)計(jì)出無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體框架和各部分的功能介紹，并針對(duì)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需求，遵循嵌入式構(gòu)件的設(shè)計(jì)原則，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以及Monitor 的功能。同時(shí)介紹了數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間無(wú)線通信的數(shù)據(jù)幀格式。本系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于武夷山某小型茶廠，收到了很好的效果。

在該系統(tǒng)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，可推廣應(yīng)用于相似的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，考慮到武夷山中小型茶廠數(shù)量眾多，該系統(tǒng)有一定的推廣和應(yīng)用前景。在今后的深入研究中，計(jì)劃進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性，為滿足多種終端的應(yīng)用需求，可以將系統(tǒng)做成小程序形式。