基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)

卜閃閃

（永城職業(yè)學(xué)院，河南 永城 476600）

0 引言

環(huán)境的實時監(jiān)測在對溫室的生產(chǎn)具有非常重要的地位，其通過實時監(jiān)測并及時反饋作物的生長狀況及其環(huán)境狀況，從而為用戶合理的調(diào)節(jié)環(huán)境因子促進(jìn)指導(dǎo)作物的生長提供指導(dǎo)，提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。然而，傳統(tǒng)的溫室監(jiān)測系統(tǒng)都是通過采集環(huán)境的濕度與溫度值，但是若需要精確的分析農(nóng)作物的生長狀態(tài)則該參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尤其是農(nóng)作物疾病的控制，不僅需要溫室的實時環(huán)境參數(shù)，葉片的溫度和濕度也是必不可少的。隨著溫室監(jiān)測與管理系統(tǒng)的發(fā)展，基于ZigBee技術(shù)的無線傳輸系統(tǒng)由于其具有體積小、功耗低、傳輸可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點，因而在溫室環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用前景將非常廣闊。

本文針對此設(shè)計并實現(xiàn)了基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對溫室內(nèi)的植物生長環(huán)境（土壤水分、空氣溫濕度以及CO2濃度等）信息進(jìn)行實時監(jiān)測并通過基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)傳輸，從而完成溫室環(huán)境的實時監(jiān)測。用戶可以通過這些信息對溫室的環(huán)境做出實時的監(jiān)測并作出調(diào)控，從而改善溫室的實時環(huán)境，從而實現(xiàn)提高作物的產(chǎn)量。

1 總體設(shè)計

本文設(shè)計和實現(xiàn)的溫室監(jiān)測系統(tǒng)主要由用戶終端、協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點和傳感器等幾個部分共同組成。ZigBee終端節(jié)點連接有各種傳感器，其中傳感器分布在溫室的各個監(jiān)測點，負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點；路由節(jié)點則是獲取各個終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并通過基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)將其轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時各個路由節(jié)點之間也是可以相互通信的，從而大大的延長了系統(tǒng)的有效的通信距離。協(xié)調(diào)器節(jié)點則通過串口與上位機(jī)極性實時通信，上傳實時監(jiān)測信息和接收實時的控制命令；最后上位機(jī)軟件完成對數(shù)據(jù)的存儲和顯示等工作。

2 硬件設(shè)計

本監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點采用基本相同的硬件設(shè)計，但又根據(jù)具體實現(xiàn)功能的區(qū)別而對各自的具體部分作出調(diào)整，同時通過改變主控芯片CC2530程序從而實現(xiàn)不同的節(jié)點功能。硬件系統(tǒng)主要由CC2530微處理器、串口輸出模塊、電源模塊、實時時鐘模塊、調(diào)試模塊、射頻模塊和傳感器模塊等組成。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。節(jié)點的主控芯片采用德州儀器公司的CC2530芯片，其內(nèi)置增強(qiáng)型8051內(nèi)核與RF無線收發(fā)器相結(jié)合，可在保證系統(tǒng)低功耗的情況下同時增強(qiáng)其信號的傳輸能力。若外加CC2591射頻功率放大電路與高增益天線，此時無線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍可達(dá)到450m甚至是千米之上。

圖1 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structural diagram of Coordinator node

協(xié)調(diào)器節(jié)點在整個監(jiān)測系統(tǒng)中是唯一的，負(fù)責(zé)整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建于運行，需要的能量較大，加上其與監(jiān)控主站相連，因此為滿足其能量的要求本系統(tǒng)采用有線的方式進(jìn)行供電。供電模塊采用5V電源，并通過電源轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為實際需要的3.3V電壓，電源轉(zhuǎn)換模塊的核心IC采用穩(wěn)定性很好的AMS1117穩(wěn)壓芯片。

當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點成功組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)后，便會開始與各個協(xié)調(diào)器節(jié)點進(jìn)行通信：通過上位機(jī)的串口接收用戶終端發(fā)送的命令；同時監(jiān)聽來自于網(wǎng)絡(luò)的反饋型消息，并上傳到用戶終端。因此協(xié)調(diào)器節(jié)點與其他節(jié)點相比增加了串口模塊，其中串口模塊采用MAX3232作為RS232串口芯片。

2.2 終端節(jié)點與路由節(jié)點硬件設(shè)計

終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如2所示。系統(tǒng)中所有節(jié)點均以低功耗和高穩(wěn)定性為準(zhǔn)則設(shè)計，因此由兩節(jié)5號干電池提供的能量足以滿足其工作需求。如圖2可知，除包含各個節(jié)點所擁有的共同部分以外，終端節(jié)點主要增加了傳感器模塊，該模塊可實現(xiàn)終端節(jié)點和各種傳感器之間的無縫連接。

圖2 終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structural diagram of End-node

綜合考慮具體的監(jiān)測要求、溫室環(huán)境、測量精度以及傳感器等因素，本系統(tǒng)采用如下所示的幾種傳感器：土壤水分傳感器、CO2濃度傳感器以及DHT21溫濕度傳感器。各傳感器主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 傳感器主要性能指標(biāo)Tab.1 Primary performance indicators of sensors

該系統(tǒng)中，路由節(jié)點和終端節(jié)點采用相同的配置，但其不具有傳感器模塊，由此不僅縮短了研發(fā)周期，并且進(jìn)一步降低了節(jié)點成本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的溫室無線傳感網(wǎng)路主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點三個部分組成。其中，路由節(jié)點可看成是具有與路由相同功能的協(xié)調(diào)器節(jié)點，其在子網(wǎng)中充當(dāng)著協(xié)調(diào)器節(jié)點的角色，管理網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。同時它的網(wǎng)絡(luò)層會多出一個路由功能，即為通過其轉(zhuǎn)換和發(fā)送的數(shù)據(jù)流尋找一條最為合適的路徑，文中軟件設(shè)計時移植了Z－Stack協(xié)議棧，該協(xié)議棧提供完整路由協(xié)議，并在應(yīng)用層是透明的，只需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)議棧，該協(xié)議棧即會自動的尋找路徑，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地址，因此本設(shè)計在程序開發(fā)上，主要任務(wù)是在ZStack協(xié)議棧基礎(chǔ)上，完成對協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由節(jié)點的程序設(shè)計。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建立和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行。系統(tǒng)上電之后，協(xié)調(diào)器節(jié)點會掃描并選擇一個最合適的信道建立一個初始網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有新的設(shè)備申請加入該網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器節(jié)點則會分配一個16位的短地址給它，并允許其加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)組網(wǎng)完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點開始接受從終端節(jié)點與路由節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并且通過USB接口將其上傳到上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點的工作流程圖如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the coordinator node software

3.2 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點的主要任務(wù)是以ZigBee協(xié)議的方式將采集到的溫濕度、土壤水分和CO2濃度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點。節(jié)點完成對傳感器和協(xié)議棧的初始化后，即開始掃描信道，尋找合適的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的信息，當(dāng)?shù)玫酱_認(rèn)的答復(fù)后，即進(jìn)入休眠模式以節(jié)約能量，當(dāng)定時器喚醒收到喚醒指令后，則開始通過節(jié)點上的傳感器采集相應(yīng)的參數(shù)信息，并將其上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點。終端節(jié)點軟件流程圖如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the terminal node software

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)測試為了模擬真實的溫室環(huán)境，選擇在某單位的花卉培養(yǎng)室中進(jìn)行，一方面可驗證網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，另一方面也可驗證設(shè)計的系統(tǒng)能否在溫室這種復(fù)雜的環(huán)境中正常工作，實驗時間為2014年8月20日，天氣晴朗，室外溫度在35℃左右，濕度在46%RH左右。

該實驗所組建的網(wǎng)絡(luò)，是由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、兩個路由節(jié)點和四個終端節(jié)點所組成的簡單的星形網(wǎng)絡(luò)。其中，終端節(jié)點必需連接傳感器，負(fù)責(zé)采集溫室現(xiàn)場的實驗數(shù)據(jù)。

而當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后，即會構(gòu)成一個新的網(wǎng)絡(luò)。之后會分別給兩個路由節(jié)點和四個終端節(jié)點上電，并加入新建的網(wǎng)絡(luò)。

通過實驗可知，該網(wǎng)絡(luò)可以完成溫濕度、土壤水分和CO2濃度等數(shù)據(jù)的采集，并可通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，這表明本文所設(shè)計的溫室無線傳感網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)良好。同時也可說明所測試得到的數(shù)據(jù)基本與該環(huán)境符合，傳感器在溫室潮濕并且悶熱的環(huán)境中并未失準(zhǔn)，可以正常工作。

5 結(jié)束語

本文基于ZigBee技術(shù)，提出了一種溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，設(shè)計了以CC2530芯片為核心的硬件結(jié)構(gòu)節(jié)點，并移植了ZStack協(xié)議棧，以此對系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計。實驗結(jié)果表明：本文設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測溫室的溫濕度、土壤水分和CO2濃度等數(shù)據(jù)，并且能將這些信息準(zhǔn)確的傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，最終傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

［1］侯佳佳.基于ZigBee的溫室WSN監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].江蘇大學(xué),2009.

［2］龐娜,程德福.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].吉林大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版,2010,01：55-60.

［3］陳保站.基于ZigBee的溫室環(huán)境參數(shù)多路監(jiān)控系統(tǒng)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

［4］蘇維均,邵軍,于重重,王曉,楊揚.基于ZigBee的溫室監(jiān)測系統(tǒng)的低功耗設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,2012,07：1812-1814.

［5］譚石堅,董明利,壽國梁.基于ZigBee技術(shù)的低功耗溫室監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,10：213-217+222.