基于ZigBee的溫室測控系統設計

趙 悅， 程 躍， 張宏坤， 車 健

(成都大學 工業制造學院，四川 成都 610106)

0 引 言

隨著傳感器技術以及低功耗無線通信技術的大力發展和應用，低功耗的傳感器節點共同組成無線傳感器網絡在實際生產中應用也越來越廣。這些低功耗傳感器網絡，通過節點間的相互協作，將其監測的多種環境信息收集并以無線方式發送出去。無線傳感器網絡與各種集成的外部傳感器協作，完成環境信息監測。極大地擴寬了人們獲取信息的能力，具有廣闊的應用前景。

傳統的溫室大棚的環境信息獲取都是靠人工實地檢測，或通過有線的方式，但這些方式在不同程度上都無法滿足現代溫室大棚智能化的要求。無線傳感器網絡可以對溫室大棚的環境信息實現快速、實時，低成本的獲取。同時在后期的管理和維護上也有著極大的便利。溫度，濕度，光照度對作物的生長至關重要，在溫室大棚中，培育高產的作物，環境信息監測變得必不可少，傳統的上述環境信息采集都或多或少的需要人實地查看，隨著無線傳感器網絡的興起，可以通過將溫度，濕度，光照度等信息加載到傳感器網絡上，實現無人值守的溫室大棚智能環境測控系統[1]。

1 系統設計簡介

在實際溫室大棚中，溫度，濕度和光照度對作物的生長起著決定性作用，在傳統溫室大棚中采用人工讀取儀表值或目測大棚中上述環境變量信息，由人工帶來的量化誤差和經驗性不具有推廣價值，采用較為先進的傳感器技術可以相對標準量化大棚中整個作物環境狀況。同時輔以ZigBee網絡可以真正實現無人值守的環境檢測系統，提高了效率，節約了成本！

同時對一個完整的大棚測控系統，在控制方面主要涉及到人為調節大棚中的作物生長環境參數，典型的控制機構有卷簾，滴灌，以及其他的一些開關量控制設備。對于現有的大棚控制系統，采用電子元器件模擬控制系統執行機構。整個系統分為上位機和下位機部分，下位機部分主要是對上位機的數據進行解析同時完成上位機對執行機構的控制命令，并反饋環境信息到上位機，下位機對執行機構采用開環控制[2-4]。

2 下位機系統設計簡介

下位機主要是由ZigBee網絡，傳感器，簡單控制模擬組成。溫濕度、光照度信息通過傳感器變換成數字信號通過ZigBee節點加上自身描述信息發送到上位機，自身描述信息包括該節點的網絡地址和節點類型。控制部分采用直流電機，步進電機，繼電器，LED燈模擬大棚中的控制系統執行機構。同時網路中任意一個節點都可以接收到上位機的有效控制數據，完成相應的動作。

整個下位機設計框圖如圖1所示。

下位機中節點分為協調器，傳感路由節點，傳感非路由節點，傳感終端節點，控制終端節點五大類，分類標準主要是考慮節點的功能需求，和Zigbee協議中節點的定義基本相同。

該設計框圖是滿足整個設計需求的最小系統，在系統需要更大的覆蓋區域，可以在網絡中添加路由節點(Router)。需要獲取更多的環境信息可以在傳感終端節點添加更多傳感器。

3 硬件設計

無線數據收發芯片采用TI的CC2530芯片，該芯片對TI的Z-Stack協議棧能夠提供很好的硬件平臺。溫濕度傳感器選用的是DHT11,測量范圍20%～90%RH，0～50 ℃，其中濕度(相對濕度)精度為±5%RH，溫度精度±2 ℃。在實際應用中可以選擇整體參數更優的DHT22。光照度傳感器BH1750測量范圍1～65535lx。主控MCU選用TI的MSP430F5529，該MCU為RISC 16架構。擁有128KB Flash 8KB SRAM。

圖1 下位機設計框圖

傳感終端節點的硬件設計包括CC2530外圍電路設計，串口電路設計，以及傳感器接口電路設計。DHT11為單總線協議芯片。總體框架如圖2、3所示。

圖2 硬件設計框架圖

圖3 硬件設計圖

控制終端節點主要包括電源、CC2530核心板接口、電機、步進電機、按鍵、LED、繼電器。在設計方案中，ULN2003A驅動步進電機占用4個驅動口，剩下的3個口驅動直插式LED燈。PL2303用于CC2530和PC通訊，主要可以用過PC上的串口助手查看CC2530串口輸出信息，而MSP430F5529則不能通過PL2303和PC通訊，但留有IO口可以在需要的外接[5-7]。

電機驅動方案采用IR2104+MOSFET組成H橋，可以完成調速，調向。驅動電流可以達到3 A。步進電機驅動方案選用的達林頓晶體管陣列ULN2003A,對于單通道的驅動電流可以達到500 mA。對于小型4相5線性步進電機完全適用。繼電器驅動采用NPN三極管驅動。

4 系統軟件設計

Zigbee協議棧采用TI的Z-Stack協議棧，版本為2.5.1.協議棧中有很多例程，本系統基于Z-Stack協議棧中SampleAPP工程開發。考慮整個協議棧的初始化狀態，每個節點在復位后其網絡地址都是從父節點分配得到，設計時加上編譯選項，可以防止每次節點復位后網絡地址改變。同時每個節點的MAC地址不隨網絡狀態而改變，故每個節點在復位后都會發送自己的網絡地址、MAC地址到上位機。同時每個節點在發送數據到上位機時都會在數據幀中嵌入自己的網絡地址[8-11]。

考慮節點可控制，則節點與上位機之間通訊數據含義眾多，故在應用層添加自定義數據通信協議，如表1所示。

表1 數據通信協議

數據校驗采用的異或校驗，提高數據傳輸穩定性的同時減少了MCU的負擔。自定義數據協議可以發送變長數據，同時便于上位機數據解析以及后期系統功能擴展。

幾個關鍵節點的流程圖如圖4所示。

傳感終端節點主要是完成溫濕度，光照度信息的采集，每次發送的數據幀中包括節點類型。傳感終端發送的數據被協調器接受，由協調器根據底層協議獲取數據源節點的網絡地址，將網絡地址加入數據幀中傳給上位機。

傳感終端節點同時還可以通過協調器接受上位機的命令，包括啟動傳輸，停止傳輸，以及對單個傳感器數據的獲取，以及無線數據收發芯片電壓和溫度的獲取。

圖4 關鍵節點的流程圖

控制終端節點主要是模擬大棚中控制系統的執行機構，由于無線數據收發芯片引腳不多，且對于外設的控制能力較弱，所以外設采用單獨的MCU控制。

設計的主要思路考慮外設的底層驅動，以及和無線數據收發芯片之間的數據交換。對于每次收到的上位機數據都會進行數據意義適用性判別，從而降低了控制MCU的負擔，對于每次收到的控制命令都會返回當前控制外設的狀態。

協調器節點是整個ZigBee網絡的核心，負責整個網絡的建立與維護，協調器主要是對上位機的數據進行識別，由協調器確定轉發到具體的節點，同時協調器還負責對其余節點發送給上位機的數據幀添加網絡地址后轉發給上位機。其協調器節點流程圖如圖5所示[12-15]。

圖5 協調器節點流程圖

5 結 語

利用ZigBee網絡無線傳輸大棚中的環境信息參數，同時上位機無線控制執行機構，完成了整個溫室大棚測控系統的結構設計，整個系統的可擴展性和可移植性都比較好。

在設計后期測試下位機結果如下：不同節點之間的通訊在無障礙情況下可以達到150 m，在環境復雜的情況下能夠保有10 m的通訊距離，在通訊范圍內，通訊延遲控制在100 ms內；若在節點設計中添加PA，則單對單個節點通訊距離可以超過200 m。傳感終端節點周期性發送傳感器數據到上位機，通訊穩定，基本上無掉包情況發生。控制終端節點外設驅動穩定，直流電機驅動PWM達到80%的情況下節點無異常。

在后期更靠近大棚實際應用環境，整個環境信息采集可以多樣化，同時對于整個網絡的架構從下位機開環控制變為閉環控制，對于下位機的執行機構可以針對大棚具體需求設計完整機械結構。

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