基于ZigBee通信的防霜機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

車小偉

（天水師范學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，甘肅 天水 741000）

0 引言

霜凍是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種常見氣象災(zāi)害，常發(fā)生于春季溫度快速回升時。霜凍的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了果樹芽或花苞的生長，大幅降低果樹結(jié)果量，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了降低霜凍對植物生長的影響，常采用灌溉、熏煙和覆膜等保護(hù)措施，但這些方法操作費(fèi)時費(fèi)力，不力于規(guī)模農(nóng)業(yè)防霜作業(yè)。隨著技術(shù)的發(fā)展，利用逆溫原理，進(jìn)行氣流擾動增溫逐漸成為一種環(huán)保高效的防霜技術(shù)手段。該類型防霜機(jī)使用三相異步電動機(jī)作為動力源帶動風(fēng)葉轉(zhuǎn)動，從而強(qiáng)制將逆溫層的暖氣流吹送到近地面，提高近地面溫度，保護(hù)果樹。本文設(shè)計了基于ZigBee通信的防霜機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過采集的環(huán)境參數(shù)來決定防霜機(jī)是否啟動，并對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，從而提高農(nóng)業(yè)自動化程度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文在普通防霜機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為上位機(jī)計算機(jī)控制軟件部分和下位機(jī)控制器部分。計算機(jī)控制軟件主要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)顯示、防霜機(jī)啟停決策控制及多機(jī)聯(lián)控功能?？刂破靼惭b于防霜機(jī)上以采集防霜機(jī)周圍環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、大氣壓力值等參數(shù)并傳輸至控制計算機(jī)，計算機(jī)根據(jù)設(shè)定的防霜機(jī)啟動條件下發(fā)控制命令至控制器，控制器通過驅(qū)動繼電器讓繼電器常開觸點閉合、接觸器線圈得電，從而接觸器主觸點閉合，三相異步電動機(jī)帶動風(fēng)葉轉(zhuǎn)動，防霜機(jī)開始工作。系統(tǒng)通過光電編碼器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而得知電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防霜機(jī)控制器結(jié)構(gòu)圖

為了在較大區(qū)域內(nèi)進(jìn)行防霜凍作業(yè)，需要多臺防霜機(jī)同時工作，因此本設(shè)計使用ZigBee通信方式將多個防霜機(jī)組網(wǎng)控制。ZigBee作為常用的一種常見無線通信方式，具有低功耗、低成本、低速率、通信距離較遠(yuǎn)（在無遮擋情況下，通過增加天線發(fā)射功率，通信距離可達(dá)1～2公里）的特點，適合于本設(shè)計。

2 硬件設(shè)計

2.1 MCU選擇

由于本文設(shè)計的控制器使用ZigBee通信方式，因此控制器主控芯片選擇具有片上系統(tǒng)（SOC）功能的CC2530芯片，該芯片集成2.4-GHz IEEE 802.15.4 協(xié)議，配合少許電路，就可以實現(xiàn) ZigBee通信，降低了系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試難度，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 傳感器選擇

溫濕度傳感器選擇DHT11傳感器，DHT11是一款具有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出功能的溫濕度傳感器。其精度分別為：濕度±5% RH，溫度±2 ℃，量程濕度5-95% RH，溫度0～+50 ℃，與主控芯片間采用單總線方式通信，節(jié)省I/O引腳資源，DHT11的第2個引腳（數(shù)據(jù)引腳）與CC2530的P0.6連接進(jìn)行通信。

氣壓傳感器選擇BOSH公司的BMP390L傳感器，該傳感器為絕對氣壓傳感器，具有精度高、線性度好、穩(wěn)定性高的特點，通過I2C總線或SPI總線通信，并可以輸出高精度溫度值。由于DHT11與BMP390L傳感器均可測量溫度值，但BMP390L的溫度值精度更高，測量范圍為-20+65℃，所以溫度值由BMP390L傳感器獲得。BMP390L傳感器由P0.4（SDA）、P0.5（SCL）兩個引腳通過I2C總線連接至CC2530。

風(fēng)速傳感器由小型直流有刷電機(jī)與三杯式旋轉(zhuǎn)風(fēng)葉組成，其原理相當(dāng)于一小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，輸出量為感應(yīng)電動勢值，且基本滿足V=F/0.027的關(guān)系，式中V為感應(yīng)電動勢（單位為mV），F(xiàn)為風(fēng)速值（單位為m/s）。該傳感器與CC2530的P0.0引腳（AIN0通道）連接，并設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓為3.3V、10位分辨率。則ADC轉(zhuǎn)換值與風(fēng)速的關(guān)系為F=0.087*ADC_Value，式中ADC_Value為AIN0通道ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果值。

控件器電路如圖2所示。

圖2 控制器電路圖

3 軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)監(jiān)控軟件與控制器軟件兩部分。

3.1 控件器軟件

為了提高系統(tǒng)的可靠性，ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與監(jiān)控計算機(jī)連接ZigBee通信模塊設(shè)置為為協(xié)調(diào)器，其他設(shè)備分配為路由器，軟件使用IAR和Z-stack 2.5.1配合使用開發(fā)。對于每一個節(jié)點控制器，其功能主要由兩個任務(wù)完成：發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)使用10秒一次的間隔發(fā)送方式，每次將采集溫度、濕度、氣壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)，采用廣播的形式發(fā)送給協(xié)調(diào)器（監(jiān)控電腦）。主程序程序流程圖如圖3所示。

圖3 控制器程序流程圖

在數(shù)據(jù)發(fā)送時，為了確保接收器收到發(fā)送的數(shù)據(jù)，一個數(shù)據(jù)包由1字節(jié)數(shù)據(jù)頭（固定為0xFF）、8字節(jié)MAC地址、2字節(jié)溫度值、2字節(jié)濕度值、2字節(jié)大氣壓力值、2字節(jié)風(fēng)速值、2字節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速值及1字節(jié)校驗碼構(gòu)成，共占20字節(jié)。其中數(shù)據(jù)檢驗采用CRC8校驗方式，以確保數(shù)據(jù)在傳輸中的正確性，由于CC2530每個芯片都對應(yīng)有惟一的地址碼MAC，因此使用該碼來區(qū)別不同的控制器。

計算機(jī)端上位機(jī)軟件根據(jù)設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)和設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)比較，滿足運(yùn)行條件時，向設(shè)備發(fā)送啟動與停止命令，其數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù)頭（固定為0XFF），8字節(jié)MAC地址，1字節(jié)命令，1 字節(jié)CRC校驗。其中命令字節(jié)值為0XFF時，啟動防霜機(jī)運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)指示燈點亮，為0x00時，停止運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)指示燈熄滅，其他值為無效值，防霜機(jī)不動作。

3.2 計算機(jī)控制程序

計算機(jī)控制程序使用Visual Studio 2010基于MFC編寫，主要功能為每一個防霜機(jī)傳感器參數(shù)顯示、防霜機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示，以及設(shè)置防霜機(jī)自動運(yùn)行邏輯判斷條件。計算機(jī)通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，因此在MFC中使用系統(tǒng)API函數(shù)編寫串口通信功能，并且設(shè)置通信參數(shù)為：波特率=115200，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗，不使用流控制，串口號根據(jù)設(shè)備連接時自動分配的串口號。串口接收程序通過接收線程來完成，接收到數(shù)據(jù)后首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，以確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性，然后判斷接收數(shù)據(jù)中MAC地址值是否有對應(yīng)的設(shè)備，如果有對應(yīng)設(shè)備，將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，如果無對應(yīng)設(shè)備，則通過消息框提示。防霜機(jī)是否啟動的判斷條件通過邏輯判斷實現(xiàn)，將接收數(shù)據(jù)的參數(shù)值與啟動條件設(shè)定值比較，滿足則啟動。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了防霜機(jī)多機(jī)自動控制的實現(xiàn)方式，使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)將每個防霜機(jī)與上位機(jī)連接，通過網(wǎng)絡(luò)上傳傳感器數(shù)據(jù)，上位機(jī)根據(jù)設(shè)定條件決定防霜機(jī)是否啟動，實現(xiàn)了防霜機(jī)的自動遠(yuǎn)程控制。隨著著農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展，應(yīng)通過多傳感器、大數(shù)據(jù)方式智能化控制防霜機(jī)運(yùn)行，這也是未來研究的重點。