基于ZigBee的煙草育苗大棚群環境參數無線監測系統設計

魏興 祝詩平 黃華 賀園園

摘要：我國重慶地區煙草育苗大棚多建在偏遠山區農村，坐落在同一地點的多個大棚相對集中形成大棚群。為了對大棚群里每一個大棚的棚內空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質溫度以及水池溫度等環境參數實現實時監測，設計一套基于ZigBee的煙草育苗大棚群環境參數無線監測系統。系統以單片機為主控制器完成信息的采集、處理和GPRS遠程無線傳輸，在KELL C51和IAR Embeded Workbench for MCS-51 7.51 A上編寫ZigBee無線自組網、信息數據的采集與處理、TCP網絡通信的C程序，并在LabVIEW 2010環境下編寫系統上位機人機界面。系統可實現對煙草育苗大棚環境參數的采集、處理和無線傳輸，同時系統的上位機人機界面上可顯示、存儲數據并發布數據到Internet網絡上。

關鍵詞：ZigBee；GPRS；煙草育苗；大棚群；環境參數；無線監測；LabVIEW；數據庫

中圖分類號： TP212.6；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0414-04

收稿日期：2015-01-12

基金項目：中央高校基本科研業務費專項（編號：XDJK2013C107）。

作者簡介：魏興（1989—），男，四川營山人，碩士研究生，主要從事智能檢測與控制研究。E-mail：429249022@qq.com。

通信作者：祝詩平（1969—），男，四川巴中人，博士，教授，博士生導師，主要從事智能檢測與控制研究。E-mail：zspswu@126.com。煙草育苗是煙草栽培過程中一個非常重要的環節，培育出健壯、無病、適期、適齡、形體大小適宜的煙苗，在整個煙草種植過程中起很關鍵的作用[1]。例如，育苗播種后，溫室內的溫度須保持在25 ℃左右，濕度應保持在50%，這樣的環境最適宜煙苗發育生長。因此，在煙苗生長過程中的管理至關重要，對育苗環境參數的監測成了育苗過程中一項必不可少的工作。

隨著無線傳感器網絡技術的日益發展，近距離局域無線通信技術日趨成熟。ZigBee技術作為一種近距離、自組網、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，多用在區域內實現多點的信息采集[2-3]。ZigBee也通常與GPRS相結合，從而實現信息的多點采集與遠程無線傳輸，是采集點較集中而監測中心很遠的情況下的最佳應用組合[4]。

我國重慶地區的煙草種植基地分散在各縣（市、區）山村，某一村戶建造管理多個煙草育苗大棚，這些數量不多且相對集中在同一地點的大棚形成了大棚群。對育苗大棚環境參數的測量采用傳統溫度計人工測量方式，費勞費時；后來也有采用基于GPRS技術進行遠程無線監測，但是為了布線方便和節約成本，針對大棚群的多個大棚，往往只選其中1個大棚進行無線監測，以此代表整個大棚群的情況。針對這一情況，本研究將ZigBee與GPRS網絡相結合，ZigBee網絡節點對所有煙草育苗大棚的環境參數進行采集，GPRS將ZigBee網絡采集的環境參數遠程發送至監測中心，從而實現對整個煙草育苗大棚群里所有大棚的環境參數進行遠程無線監測。

1基于ZigBee的煙草育苗大棚群環境參數無線監測系統的總體設計結構為了讓系統能夠實現對煙草育苗大棚群環境參數的遠程無線監測，監測育苗大棚群里每一個育苗大棚的棚內空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質溫度以及水池溫度等環境參數，能夠給煙草育苗獲得更實時、準確的管理依據，給煙苗創造一個更適合茁壯成長的環境，對監測系統實行模塊化方案設計，該系統結構如圖1所示。

該監測系統主要由協調器主節點、信息采集終端子節點和上位機監測中心三大模塊組成。信息采集終端子節點通過區域內的無線網絡將采集到的信息數據發送到協調主節點，再由GPRS無線數據傳輸模塊將數據發送至Internet網絡，從而與上位機監測中心實現通信。

2基于ZigBee的煙草育苗大棚群環境參數無線監測系統的硬件設計在基于ZigBee的煙草育苗大棚群環境參數無線監測系統的硬件部分上，采用模塊化設計思想，須要對協調器主節點和信息采集的終端子節點進行設計。

為了保證各模塊能長時間穩定工作，各模塊均采用易普EP-2不間斷電源供電。EP-2內置大容量高品質鋰離子電池可邊充電邊用，連續循環壽命達1 000次以上。精選進口電芯及IC，具備過充、過放、過流、短路及溫度保護，恒定電壓輸出，電流自適應，高達數十萬小時無故障時間，確保安全穩定。使用該電源后，即使在長時間停電的情況下，也不會影響模塊的正常工作。

2.1協調器主節點硬件模塊化設計

主控單元單片機（MCU）、ZigBee模塊、GPRS模塊三部分共同組成監測系統的協調器主節點。在主節點模塊，協調器MCU匯聚來自無線傳感器網絡各子節點采集到的信息數據，主控單元使用串行外設接口與協調器模塊相互連接，將信息數據經GPRS遠程數據發送模塊發送至監測中心。協調器主節點的硬件系統組成結構如圖2所示。

主控單元MCU選用STC12C5A60S2單片機，該單片機為單時鐘雙串口，工作電壓為3.3～5.5 V，以防電源抖動，含有60 kB可反復擦寫10萬次以上的Flash程序存儲器、1 280 B片內數據存儲器，其指令代碼與傳統的8051完全兼容，運行速度快，比普通的8051快8～12倍，而且具有能耗小、抗擾性能好的優點。因此，根據模塊硬件設計要求，采用這款性能比較好的單片機作為主控單元的MCU。

協調器主節點與終端子節點的無線通信采用TI公司的CC2530無線單片機。CC2530含有8051MCU內核，擁有高速SPI串行通信端口，滿足國際IEEE802.15.4協議和Z-Stack協議棧，適應2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發器[5]。此外，CC2530還具有不同的運行模式，各運行模式之間轉換時間短，使得其適應超低功耗要求的系統，能夠實現低功耗無線通信，是一款真正的片上系統芯片（SOC）[6]。

主節點的GPRS模塊采用SIM900a數據傳輸模塊，內置完善的TCP/IP協議簇，通過串口通信與主控單元MCU進行通信[7]。模塊能夠將采集到的數據自動處理成IP數據包，通過GPRS空中接口接入到GPRS網絡，最后經網關、路由和Internet網絡到達上位機監測中心，實現數據遠程無線傳輸[8]。

2.2終端子節點模塊設計

無線監測系統終端子節點模塊由單片機系統、棚內空氣溫濕度檢測、棚內照度檢測、棚外溫度檢測、大棚基質溫度檢測以及大棚水池溫度檢測傳感器組成，硬件系統結構如圖3所示。

CC2530模塊實現局域內系統的網絡自行組建，并實時采集獲取傳感器的信息數據，將有效的數據經ZigBee無線網絡發送回協調器再進行后續處理。

大棚內空氣溫濕度檢測采用數字型傳感器DHT21，單線制串行接口，功耗非常小、響應迅速、抗擾性強，傳輸信號距離超過20 m，在90%～100%RH的高濕度環境中仍然能夠長期確保準確輸出，對于濕度比較高的環境非常適用。

棚內光照檢測選用數字傳感器GY-30光照模塊，其BH1750FVI芯片內置16 bit AD轉換器，數字信號輸出，檢測照度范圍為0～65 535 lx，模塊內部包含通信電平轉換標準IIC通信協議，采集到的信息數據由CC2530單片機通過IIC總線定時處理。

棚外溫度檢測、大棚基質溫度檢測以及大棚水池溫度檢測均采用防水型DS18b20數字溫度傳感器探頭。數字溫度傳感器的測量分辨率可通過程序來進行9～12位的設置，測量的溫度低至-55 ℃左右，高達125 ℃左右，在-10～85 ℃的溫度范圍之內測量精度的范圍為±0.5 ℃。傳感器采用單總線接口，與MCU通信只需要1條口線，其探頭的密封使用導熱性能好的膠體，以確保溫度延遲小、靈敏度高、抗擾性能好，對處于較差場合下進行檢測的系統非常適用。

3基于ZigBee的煙草育苗大棚群環境參數無線監測系統的軟件設計3.1下位機軟件設計

系統下位機軟件設計主要包括無線傳感器網絡和GPRS無線數據傳輸兩大部分，以實現ZigBee在區域內自動組網和信息數據的無線傳輸。

3.1.1無線傳感器網絡系統的ZigBee無線傳感器網絡是基于IEEE802.15.4標準與ZigBee網絡協議而設計的無線數傳網絡[9]。嵌入由IAR Embedded Workbench for MCS.51開發的Z-Stack協議棧，能夠實現ZigBee的自動組網。

在ZigBee數據采集子節點中，單片機先初始化協議棧和各傳感器模塊后，再發出申請加入ZigBee協調器網絡的加入信號，成功加入區域內無線網絡后再啟用協議棧，讀取各個傳感器相應的信息數據并將信息數據發送到協調器。無線數據采集終端子節點的主程序流程如圖4所示。

在ZigBee無線網絡的各個節點中，協調器主節點中的協調器處于最上端的核心位置，負責整個網絡的組建以及協調調度各個子節點，其主程序先要對內外部設備進行初始化后，再進行程序的循環等待終端子節點加入網絡，然后再處理接收到的信息數據。協調器主程序流程如圖5所示。

3.1.2GPRS無線傳輸軟件設計協調器主節點中的主控單元與SIM900a無線數據傳輸模塊相互連接和通信是使用串口來實現的。SIM900a無線數傳模塊內置TCP/IP協議簇，鑒于系統數據采集地點與監測中心無線數傳的實時性和可靠性要求都非常高，雙方要保持隨時連接，所以選用面向連接的TCP傳輸控制協議作為GPRS的傳輸協議，以保證數據傳輸的可靠和準確[10]。

主控制器單片機通過AT指令驅動SIM900a模塊登陸上網、建立TCP連接來進行數據的遠程無線傳輸。數據遠程無線傳輸主程序流程如圖6所示，需要調用的一些主要函數如下：

Send_AT_Command（uchar type， uchar *str_at， uchar *str_code）； //寫模塊AT指令

Init_SIM900a（char *ptr1_at，char *ptr1_code） ； //SIM900a模塊初始化

GPRS_Set（char *ptr1_at，char *ptr1_code，char *ptr_tel）； //建立TCP連接，域名方式

GPRS_Data_Trans （uchar *data_str）； //檢驗GPRS網絡連接并進行數據傳輸

GPRS_Send（char *ptr1_at，char *ptr1_code）； // TCP數據發送

strsearch（uchar *ptr2，uchar *ptr1）； //處理字符串，驗證應答

3.2上位機監測中心軟件設計

為了能方便、直觀、快捷地了解育苗大棚的實時狀態，在LabVIEW 2010環境下編寫1個可視化監測平臺來處理下位機系統發送回來的數據，包括實現對數據的實時顯示、存儲和Internet網絡發布，以便于管理人員隨時分析決策[11]。

在接收數據過程中，服務器端調用TCP偵聽函數對特定的端口進行偵聽，讀取終端發送回的數據，將數據顯示在界面

上并存入數據庫。開啟LabVIEW集成開發環境中的LabVIEW Web Server服務器，配置好需要遠程發布VI的Internet配置，打開VI前面板窗口，使用LabVIEW 自帶的“Web Publishing Tool”就可將配置好的的VI發布到網絡上去[12]。這樣，無論電腦下有沒有安裝LabWIEW，只須在Web瀏覽器地址按規定格式輸入URL，就可訪問到在服務器上運行的VI了[13]。上位機軟件流程如圖7所示。

4基于ZigBee煙草育苗大棚群環境參數無線監測系統的測試在大棚群現場的4個大棚里各部署1個信息采集終端子節點，協調器主節點放置在大棚管理室內，并設定各終端子節點每5 min采集發送1次數據，對系統進行為期1周的測試，結果如下：

（1）監測中心能夠監測到大棚群環境參數情況，并存儲歷史數據，上位機無線監測中心數據顯示如圖8所示，節點數據存儲如圖9所示。

（2）在7 d的測試中，系統的網絡丟包率平均為0.53%，說明系統傳輸部分運行正常。網絡丟包率數據統計如表1所示。

測試結果表明，系統運行穩定可靠，能夠將采集到的環境信息實時快速地傳回至監測中心，達到預期的效果。

5結束語

煙草育苗是烤煙生產的一個非常重要的階段，煙苗生長的好壞直接關系到煙農當年的經濟收入水平的高低。對于煙草育苗階段煙苗生長環境的監測與日常管理顯得特別重要。因此，本研究開發一套基于ZigBee技術與GPRS技術相結合的煙草育苗大棚群環境參數遠程無線監測系統，對大棚群里每一個大棚的棚內空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質溫度以及水池溫度等環境參數實現實時監測。該系統利用ZigBee無線自組網模塊進行自組網，實現局域內信息實時采集，并利

用GPRS模塊通過GPRS網絡與服務器建立可靠穩定的連接，將各個育苗棚的環境信息實時快速地傳至監測中心。對于環境參數信息的監測，在采集點相對集中而監測中心較遠的情況下均可運用該系統。

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