基于ZigBee的花卉澆水控制系統的設計與實現

張雙德+蔣家和

摘要:針對花卉養殖者因遺忘對于花卉的澆灌,而導致名貴花卉死亡造成損失的情況,提出運用無線網絡,根據花卉種植環境的溫?濕度及光照的各種參量,下達噴淋灌溉指令的方法?結果表明,該方法在控制澆灌時間?水量等方面具有很好的效果?

關鍵詞:ZigBee網絡;噴淋灌溉;溫度;濕度;過程控制

中圖分類號:TP273+.5文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2014)11-2657-04

Design and Implementation of Watering Control System of Flowers Based on ZigBee

ZHANG Shuang-de,JIANG Jia-he

(1.Institute of Electric and Electronical Engineering, Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023, China;

2. Xianning Vocational Technical College, Xianning 437100, Hubei, China)

Abstract: Considering travel and forgotten watering flowers leading to the death of rare flowers the wireless network can give spray irrigation instructions according to the flower cultivation environment temperature, humidity, illumination was put forward. Results showed that the method controlling the irrigation time and irrigation quantity had a good effect.

Key words: ZigBee network; spray irrigation; temperature; humidity; process control

基金項目:武漢市科技攻關項目(201120722211)

當今社會,隨著生活品質的不斷提高,從事花卉養殖的人越來越多?對于從事花卉種植的從業者來說,能實時準確地獲得花卉溫室大棚內的各個區域的重要溫濕度?光照?二氧化碳含量,從而對相關因素進行控制,使人的看護工作量被系統所取代,顯得尤為迫切?為此,設計了基于ZigBee的花卉澆水控制系統,以期滿足農業智能灌溉的要求?

1總體設計方案

經過對花卉澆水/花卉養殖大棚灌溉系統需求的分析,結合ZigBee無線傳感網絡技術,提出了花卉溫室環境監控系統的總體設計方案模型[1],具體見圖1?

花卉的澆水系統是根據室內外裝設的溫度傳感器?濕度傳感器和光照傳感器等采集或觀測的溫室內外溫度?濕度?光照等環境因素,通過溫室設備進行控制,對溫室環境進行調節來達到栽培作物生長發育的需要,為花卉生長發育提供最適宜的生態環境,提高花卉的品質?

2硬件設計

2.1無線傳感網絡硬件設計及實現

無線傳感網絡主要包括兩類硬件平臺:協調器節點?傳感器采集節點?除此之外在無線傳感網絡的設計?調試等過程中還需要用到一些輔助設備,如編程器?仿真器等[2,3]?無線傳感網絡系統結構圖如圖2所示?

協調器節點和中心控制器之間是通過串口RS232連接進行通信的,傳感器節點和協調器節點是通過ZigBee無線傳感網絡進行通信的?系統主要是以溫室環境中的參數(如溫度?濕度和光照度)為監測對象,來達到實時監測的目的,且中心控制器可同時通過ZigBee網絡下達澆水指令,連接在無線節點上的電磁閥即刻開始工作,完成澆水過程?充分利用ZigBee網絡的雙向通訊功能[3]?

溫室環境監測是由集成傳感器?數據處理單元和通信模塊的節點通過自組織的方式連接在一起構成的網絡?無線傳感器網絡的優點包括檢測精度高?覆蓋區域大?容錯性強和可遠程監控等?由于網絡中節點的硬件設計時要求成本低?功耗小?壽命長,因此在硬件上要采用低功耗和低成本的芯片,軟件必須要支持多跳路由協議?為了達到減小硬件設計的復雜度和提高射頻通信系統的穩定性的目標,硬件采用TI 公司的CC2530 芯片來進行控制,CC2530 芯片是一個兼容 IEEE 802.15.4的片上系統,支持專有的 802.15.4 市場以及ZigBee?ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標準?協調器節點主要由智能主板模塊和無線節點模塊組成,傳感器采集節點主要由傳感器模塊?智能主板模塊和無線節點模塊組成?

2.2無線節點設計

無線節點模塊主要由射頻單片機構成,MCU是TI的CC2530芯片,用的是2.4 G載頻棒狀天線?無線傳感部分的CC2530采用核心板設計,與底板分開設計加工,便于更換和編程?整體模塊使用5 V供電輸入,在內部使用DC/DC芯片轉換成3.3 V(最大輸出200 mA電流)?CC2530系統使用單芯片解決方案,CC2530芯片的信號將從模塊層面引出并進行系統規劃?使用上電手動復位芯片完成可靠的上電復位操作[3]?使用專用的5 腳的FPC 插座完成2線DEBUG接口信號的引出,DEBUG信號使用額外的擴展小板轉換成標準的DEBUG 插頭可用的接口?另外將P2_1?P2_2 管腳引到擴展插座?無線節點模塊結構圖見圖3?

2.3中心控制器電路原理設計

中心控制器負責與協調器相連接,通過向協調器發送命令,完成對無線傳感器網絡中的無線節點數據的采集?同時,它會將實時動態采集到的數據,以Web頁的方式發布到互聯網上,管理員只需登錄到中心控制器上,就可完成對溫室大棚澆花系統的監控?本項目為中心控制器配置了GPRS接口及模組,以及3G模組,即使在溫室中沒有互聯網接入點的情況下,仍能將數據發布到互聯網上[4]?中心控制器采用Linux操作系統;處理器選擇三星公司S3C6410,這是一款產量大,成本低的高性能ARM處理器?這部分代碼在Linux下編寫,性能穩定?

2.4GPRS電路設計

GPRS是通用分組無線服務技術(General Packet Radio Service)的簡稱,它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務?GPRS可以說是GSM的延續?GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式不同,是以封包(Packet)式來傳輸?GPRS經常被描述成“2.5G”,也就是說這項技術位于第二代(2G)和第三代(3G)移動通訊技術之間?它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道,提供中速的數據傳遞?GPRS突破了GSM網只能提供電路交換的思維方式,只通過增加相應的功能實體和對現有的基站系統進行部分改造來實現分組交換,這種改造的投入相對來說并不大,但得到的用戶數據速率卻相當可觀?而且,因為不再需要現行無線應用所需要的中介轉換器,所以連接及傳輸都會更方便容易?SIM300是一款內帶TCPIP的GPRS模組,可簡單地設置成DTU模式,使用簡單,性能可靠[5]?圖4是SIM300的電路設計?

3軟件系統設計

項目的軟件系統大體上分為兩個部分?第一部分軟件為CC2530無線傳感節點運行軟件以及協調器采集軟件,這部分軟件是基于TI公司的Z-Stack平臺,編譯環境是IAR Embedded Workbench 7.2?TI Z-Stack 協議棧是基于一個輪轉查詢式操作系統的?Z-Stack的main函數在ZMain.c中,總體來說,它一共做了兩項工作,一個是系統初始化,即由啟動代碼來初始化硬件系統和軟件構架需要的各個模塊,另外一個就是開始執行操作系統實體?協調器匯聚節點主要完成和傳感器節點的通信以及和上位機的通信,等待發送端發送數據?傳感器采集節點主要是發送采集的數據,等待協調器加入網絡中進行無線通信?當協調器節點的ZigBee無線射頻通信模塊CC2530接通電源并且復位后,首先建立一個具有惟一ID標識的ZigBee網絡,然后應答與其綁定的傳感器模塊的請求把其加入到網絡中,同時要為發送模塊分配本網絡內惟一的16位地址,最后等待傳感器模塊發送數據,如果檢測到有數據時就接受這些數據,同時通過SP3232E把接收端數據包傳送給中心控制器[6]?協調器工作流程見圖5?無線傳感器節點軟件工作流程見圖6?

第二部分軟件是中心控制器部分軟件,這部分軟件運行在Linux操作系統下,主要代碼為CGI程序?中心控制器平臺下運行Thttpd Web服務器,CGI程序完成網頁的發布,管理者可以在遠地訪問此Web服務器,在Web頁中完成對花卉澆水系統的控制?后臺的CGI程序負責解釋命令,并把命令通過串口發到協調器中?此外,GPRS模組?短消息處理等軟件模塊也由中心控制器來實現,基本為Linux下的多線程應用層程序?

4小結

該項目首次將ZigBee和Wifi技術應用于農業花卉的澆水控制,并結合GPRS等公共網絡資源解決了大棚花卉澆灌系統的遠程控制,具有較強的創新性;該項目根據精準農業的要求,綜合運用傳感器網絡技術?無線通信技術和嵌入式技術,設計了一種基于手機的遠程智能澆水控制系統,能滿足農業智能灌溉的要求,具有較好的示范意義;實際應用表明,該成果具有較好的應用價值及推廣前景?

參考文獻:

[1] 袁艷霞. 基于zigbee的污水處理廠自動監控系統設計與實現[J].華章,2009(17):120,132.

[2] 朱德榮,黨保華. 基于單片機和電話網的遠程控制系統的設計與實現[J]. 機床電器,2011(4):32-35.

[3] 段筱雨,景新幸.基于PSTN的家用電器遠程智能控制系統[J]. 電子工程師,2007,33(10):75-77.

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[5] 周錦榮,周小方,陳煒明.基于電信網絡的家電智能控制[J].電子技術應用,2008(3):72-75.

[6] 劉芬,楊繼生.智能電話網遠程家電控制系統的設計[J].微型機與應用,2010(2):30-32.

3軟件系統設計

項目的軟件系統大體上分為兩個部分?第一部分軟件為CC2530無線傳感節點運行軟件以及協調器采集軟件,這部分軟件是基于TI公司的Z-Stack平臺,編譯環境是IAR Embedded Workbench 7.2?TI Z-Stack 協議棧是基于一個輪轉查詢式操作系統的?Z-Stack的main函數在ZMain.c中,總體來說,它一共做了兩項工作,一個是系統初始化,即由啟動代碼來初始化硬件系統和軟件構架需要的各個模塊,另外一個就是開始執行操作系統實體?協調器匯聚節點主要完成和傳感器節點的通信以及和上位機的通信,等待發送端發送數據?傳感器采集節點主要是發送采集的數據,等待協調器加入網絡中進行無線通信?當協調器節點的ZigBee無線射頻通信模塊CC2530接通電源并且復位后,首先建立一個具有惟一ID標識的ZigBee網絡,然后應答與其綁定的傳感器模塊的請求把其加入到網絡中,同時要為發送模塊分配本網絡內惟一的16位地址,最后等待傳感器模塊發送數據,如果檢測到有數據時就接受這些數據,同時通過SP3232E把接收端數據包傳送給中心控制器[6]?協調器工作流程見圖5?無線傳感器節點軟件工作流程見圖6?

第二部分軟件是中心控制器部分軟件,這部分軟件運行在Linux操作系統下,主要代碼為CGI程序?中心控制器平臺下運行Thttpd Web服務器,CGI程序完成網頁的發布,管理者可以在遠地訪問此Web服務器,在Web頁中完成對花卉澆水系統的控制?后臺的CGI程序負責解釋命令,并把命令通過串口發到協調器中?此外,GPRS模組?短消息處理等軟件模塊也由中心控制器來實現,基本為Linux下的多線程應用層程序?

4小結

該項目首次將ZigBee和Wifi技術應用于農業花卉的澆水控制,并結合GPRS等公共網絡資源解決了大棚花卉澆灌系統的遠程控制,具有較強的創新性;該項目根據精準農業的要求,綜合運用傳感器網絡技術?無線通信技術和嵌入式技術,設計了一種基于手機的遠程智能澆水控制系統,能滿足農業智能灌溉的要求,具有較好的示范意義;實際應用表明,該成果具有較好的應用價值及推廣前景?

參考文獻:

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[5] 周錦榮,周小方,陳煒明.基于電信網絡的家電智能控制[J].電子技術應用,2008(3):72-75.

[6] 劉芬,楊繼生.智能電話網遠程家電控制系統的設計[J].微型機與應用,2010(2):30-32.

3軟件系統設計

項目的軟件系統大體上分為兩個部分?第一部分軟件為CC2530無線傳感節點運行軟件以及協調器采集軟件,這部分軟件是基于TI公司的Z-Stack平臺,編譯環境是IAR Embedded Workbench 7.2?TI Z-Stack 協議棧是基于一個輪轉查詢式操作系統的?Z-Stack的main函數在ZMain.c中,總體來說,它一共做了兩項工作,一個是系統初始化,即由啟動代碼來初始化硬件系統和軟件構架需要的各個模塊,另外一個就是開始執行操作系統實體?協調器匯聚節點主要完成和傳感器節點的通信以及和上位機的通信,等待發送端發送數據?傳感器采集節點主要是發送采集的數據,等待協調器加入網絡中進行無線通信?當協調器節點的ZigBee無線射頻通信模塊CC2530接通電源并且復位后,首先建立一個具有惟一ID標識的ZigBee網絡,然后應答與其綁定的傳感器模塊的請求把其加入到網絡中,同時要為發送模塊分配本網絡內惟一的16位地址,最后等待傳感器模塊發送數據,如果檢測到有數據時就接受這些數據,同時通過SP3232E把接收端數據包傳送給中心控制器[6]?協調器工作流程見圖5?無線傳感器節點軟件工作流程見圖6?

第二部分軟件是中心控制器部分軟件,這部分軟件運行在Linux操作系統下,主要代碼為CGI程序?中心控制器平臺下運行Thttpd Web服務器,CGI程序完成網頁的發布,管理者可以在遠地訪問此Web服務器,在Web頁中完成對花卉澆水系統的控制?后臺的CGI程序負責解釋命令,并把命令通過串口發到協調器中?此外,GPRS模組?短消息處理等軟件模塊也由中心控制器來實現,基本為Linux下的多線程應用層程序?

4小結

該項目首次將ZigBee和Wifi技術應用于農業花卉的澆水控制,并結合GPRS等公共網絡資源解決了大棚花卉澆灌系統的遠程控制,具有較強的創新性;該項目根據精準農業的要求,綜合運用傳感器網絡技術?無線通信技術和嵌入式技術,設計了一種基于手機的遠程智能澆水控制系統,能滿足農業智能灌溉的要求,具有較好的示范意義;實際應用表明,該成果具有較好的應用價值及推廣前景?

參考文獻:

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[4] 潘繼良,楊曉文,于錦燦.基于GSM的遠程電臺遙控報警監控系統[J].廣播電視信息,2009(8):86-88.

[5] 周錦榮,周小方,陳煒明.基于電信網絡的家電智能控制[J].電子技術應用,2008(3):72-75.

[6] 劉芬,楊繼生.智能電話網遠程家電控制系統的設計[J].微型機與應用,2010(2):30-32.