基于ZigBee技術(shù)的桑園環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

翁連娟　蔡沖　陳錫愛　姜建中

摘要：桑樹在食用、生態(tài)、藥用等方面都有很高的價值，為能使桑樹達(dá)到高產(chǎn)高質(zhì)，必須要精確地檢測和綜合地調(diào)控桑樹生長環(huán)境。設(shè)計(jì)一套基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以CC2530作為主控制芯片完成桑園環(huán)境信息的采集、處理和無線傳輸，傳輸?shù)絇C機(jī)上后通過上位機(jī)來顯示實(shí)時信息并完成數(shù)據(jù)的存儲。該系統(tǒng)以IAR Embedded Workbench作為開發(fā)平臺編寫ZigBee無線自組網(wǎng)、信息收集、信息傳輸和信息處理的C程序，并且通過模糊控制策略，自行開啟或關(guān)閉灌溉系統(tǒng)和光補(bǔ)償系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能完善、功耗低、性能穩(wěn)定，可以較好地改善桑園的環(huán)境。

關(guān)鍵詞：ZigBee;桑園環(huán)境;CC2530;監(jiān)控系統(tǒng);模糊控制

中圖分類號： S126;TP277.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0198-05

我國是世界上種桑養(yǎng)蠶最早的國家，桑樹的栽培已有 7 000 多年的歷史，桑樹品種繁多，品質(zhì)優(yōu)良，全身都具有很好的功效，被譽(yù)為“樹種之王”[1]。桑樹不僅是家蠶的主要飼料，還有巨大的生態(tài)功能[2]。控制環(huán)境因子能夠有效提高桑樹光合效率，確保獲得更大的經(jīng)濟(jì)利益。影響光合作用的環(huán)境因子主要有光照度、土壤水分等[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代通信技術(shù)已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用[4]，但是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在許多的局限性，許多特殊環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋，而無線通信技術(shù)正好解決了這一難題。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要有無線局域網(wǎng)、超寬帶通信、藍(lán)牙、紅外線數(shù)據(jù)通信及ZigBee技術(shù)等[5]。ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)以其低成本、低功耗以及良好的自組網(wǎng)特性和網(wǎng)絡(luò)管理功能，被廣泛應(yīng)用于軍事、智能家居、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及遠(yuǎn)程工業(yè)控制等領(lǐng)域[6]。

近年來，設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)逐漸滲透到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，其在大棚溫室中的應(yīng)用已經(jīng)成熟，但針對于桑園的設(shè)施農(nóng)業(yè)卻很少有研究。桑農(nóng)思想觀念落后、桑園種植規(guī)模小、對設(shè)施農(nóng)業(yè)的宣傳引導(dǎo)不夠等因素制約了桑園設(shè)施化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。在這一背景下，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)的桑園環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用ZigBee的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合桑樹生長的特性，能夠較好地將桑園環(huán)境控制在適合桑樹生長的環(huán)境內(nèi)。

1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和環(huán)境控制4個模塊組成。該系統(tǒng)的核心處理器選用的是CC2530，數(shù)據(jù)采集模塊中的傳感器選用的是DHT11、5506光敏電阻和土壤濕度檢測器。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含協(xié)調(diào)器（（zigbee coordinator，簡稱ZC）、路由器（zigbee router，簡稱ZR）、終端（zigbee endpoint，簡稱ZE）3種設(shè)備類型。協(xié)調(diào)器是整個設(shè)備的啟動和控制網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器存儲關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的信息，包括作為認(rèn)證中心和作為安全密鑰的貯藏所。路由器可以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，在障礙周圍動態(tài)路由，并且提供備份路由以防護(hù)網(wǎng)絡(luò)擁擠和設(shè)備失敗。終端設(shè)備有發(fā)送或接收1個信息的作用，但是不執(zhí)行任何路由操作，它們必須被連接到1個協(xié)調(diào)器或者1個路由器，終端設(shè)備不支持子設(shè)備。本系統(tǒng)設(shè)有3個終端節(jié)點(diǎn)和1個協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器同時收集3個終端節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境信息，整理好以后通過串口傳到電腦上。ZigBee作為一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有距離短、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低的特點(diǎn)，它可以形成星型、樹型、網(wǎng)狀等3種zigbee網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)選取最為簡單的星型拓?fù)湫问絹碜鳛樵撓到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行直接通訊。數(shù)據(jù)處理模塊主要包括數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲。環(huán)境控制模塊主要是桑園灌溉系統(tǒng)和光補(bǔ)償系統(tǒng)（圖1）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊

本系統(tǒng)選用CC2530作為核心處理器，CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第2代支持IEEE 802.15.4和RF4CE的片上系統(tǒng)[7]。該芯片的工作頻率范圍是2 400～2 483.6 MHz，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)?50 kb/s，其內(nèi)部集成51控制器、射頻收發(fā)器，具有低功耗、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)簡單、功能強(qiáng)等特點(diǎn)[8]。CC2530有16個信道可供選擇，完美支持z-stack 2007Pro協(xié)議棧，具有多種模式選擇，完全符合該系統(tǒng)需求。

2.2 傳感器的選擇

2.2.1 溫濕度傳感器 本系統(tǒng)選用一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11。DHT11傳感器包括1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件，并與1個高性能8位單片機(jī)相連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高、體積超小、功耗極低[9]、信號傳輸距離可達(dá)20 m以上等優(yōu)點(diǎn)，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。

2.2.2 光敏電阻 本系統(tǒng)選用的光敏電阻為5506光敏電阻。該電阻是一種由半導(dǎo)體材料制成的電阻，其導(dǎo)電率隨著光照度的變化而變化（光線強(qiáng)阻值變?nèi)酰饩€弱阻值變強(qiáng)）。5506光敏電阻具有反應(yīng)速度快、體積小、靈敏度高、可靠性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種光控設(shè)備中[10]。

2.2.3 LM393 本系統(tǒng)選用以LM393電壓比較器做成的濕度檢測器來測量土壤濕度。該檢測器表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應(yīng)面積，可以提高導(dǎo)電性能，防止接觸土壤容易生銹的問題，延長使用壽命。該檢測器結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、靈敏度高，很適合用于本系統(tǒng)中。濕度檢測器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)啟動和配置網(wǎng)絡(luò)，這些完成后相當(dāng)于路由器，協(xié)助網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)相互通信。為方便起見，本系統(tǒng)直接采用PC機(jī)對協(xié)調(diào)器進(jìn)行供電。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)在硬件上基本相同，只是協(xié)調(diào)器不需要傳感器節(jié)點(diǎn)和繼電器等電路，而終端節(jié)點(diǎn)大多時候都會有這些電路模塊。協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是一種具有低功耗、低成本、安全可靠、時延短、自動組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)的無線通信技術(shù)[11]。本系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)由電源模塊、串口電路、CC2530芯片、天線、仿真模塊、鍵盤模塊、環(huán)境控制模塊組成，其主要作用是獲得桑園中的各種環(huán)境信息。環(huán)境信息由上述3種傳感器獲得，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將有效信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器中。在終端節(jié)點(diǎn)中光敏電阻、溫濕度傳感器、土壤濕度檢測器與CC2530主控芯片的硬件接口分別為P0.5、P0.7、P0.6。另外，ZigBee終端上還連有液晶顯示屏，用于顯示實(shí)時的環(huán)境信息。本設(shè)計(jì)使用OLED12864液晶顯示屏，該顯示屏制造工藝簡單、成本低、能耗低、低溫特性好、顯示屏幕更大，而且該顯示屏可以自身發(fā)光，有利于使用者在夜間觀察，很適合用于本系統(tǒng)中。此外，在本系統(tǒng)中，每個終端節(jié)點(diǎn)均帶有一套環(huán)境控制裝置，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接收到協(xié)調(diào)器發(fā)出的開啟環(huán)境控制裝置的命令時，開啟灌溉裝置或光補(bǔ)償裝置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)2個部分。本系統(tǒng)軟件是基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)的。Z-Stack實(shí)質(zhì)上就是一套ZigBee系統(tǒng)程序，是TI公司為自己的開發(fā)板量身定做的，提供了符合ZigBee2007協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)所要求每層操作相關(guān)的各種事件處理函數(shù)和1個名為操作系統(tǒng)抽象層OSAL的協(xié)議棧調(diào)度程序[12]。ZigBee終端和協(xié)調(diào)器共同的協(xié)議棧相同，不同的地方通過#ifdef來選擇編譯。Z-Stack的main（）函數(shù)做2件事：（1）系統(tǒng)初始化;（2）開始執(zhí)行輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)。Main（）函數(shù)在一開始關(guān)閉所有中斷，然后進(jìn)行一系列的硬件初始化，之后調(diào)用osal_init_system（）函數(shù)對操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化。在osal_init_system（）函數(shù)中最重要的是任務(wù)初始化函數(shù)osalInitTasks（），在該函數(shù)中又進(jìn)行一系列的任務(wù)初始化，最后進(jìn)行用戶創(chuàng)建的任務(wù)初始化SampleAPP_Init（taskID）。在一系列的初始化完成以后，main（）函數(shù)最后調(diào)用osal_start_system（）函數(shù)執(zhí)行操作系統(tǒng)，并不再返回。如下程序?yàn)閙ain（）函數(shù)的程序。

int main（void）

{

osal_int_disable（INTS_ALL）;//關(guān)閉所有中斷

HAL_BOARD_INIT（）;//初始化系統(tǒng)時鐘

zmain_vdd_check（）;//檢查芯片電壓是否正常

.......//一系列的硬件初始化

osal_init_system（）;//操作系統(tǒng)初始化

osal_int_enable（INTS_ALL）;//使能全部中斷

InitBoard（OB_READY）;//最終板載初始化

zmain_dev_info（）;//顯示設(shè)備信息

#ifdef LCD_SUPPORTED

zmain_lcd_init（）;

#endif

#ifdef WDT_IN_PM1

WatchDogEnable（WDTIMX）;

#endif osal_start_system（）; //正式開始執(zhí)行操作系統(tǒng)，進(jìn)入后不再返回

return 0;

}

3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的第1個開始的設(shè)備，或者是1個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的啟動或建立設(shè)備。協(xié)調(diào)器工作的主要流程結(jié)構(gòu)如圖4所示。上電之后，首先進(jìn)行CC2530和協(xié)議棧的初始化，然后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會嘗試建立網(wǎng)絡(luò)，并指定該網(wǎng)絡(luò)的ID號。建立網(wǎng)絡(luò)的2個主要步驟是網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)[13]。

網(wǎng)絡(luò)初始化首先要確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過調(diào)用NLME_NetworkFormationRequest（）函數(shù)請求組建1個新網(wǎng)絡(luò)并允許自己成為該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，若該節(jié)點(diǎn)沒有加入到其他網(wǎng)絡(luò)中并且具有協(xié)調(diào)器功能，則進(jìn)行下一步信道掃描工作，掃描1個合適的信道并為新網(wǎng)絡(luò)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通過MLME_START.request原語通知MAC層啟動并運(yùn)行新網(wǎng)絡(luò)，至此，網(wǎng)絡(luò)初始化基本完成。

1個節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)有2種方法：（1）通過使用MAC層關(guān)聯(lián)進(jìn)程加入網(wǎng)絡(luò);（2）通過與先前指定父節(jié)點(diǎn)連接而加入網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)是通過使用MAC層關(guān)聯(lián)進(jìn)程加入網(wǎng)絡(luò)的。首先，終端節(jié)點(diǎn)通過NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原語發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)層接收到這個請求后進(jìn)行信道掃描來搜索周圍是否存在協(xié)調(diào)器，若周圍有協(xié)調(diào)器的存在，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體發(fā)送1個MLME_ASSOCIATE.request原語到MAC層，地址參數(shù)設(shè)置為該協(xié)調(diào)器的地址，嘗試加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過MLME_ASSOCIATE.indication原語通知網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體1個節(jié)點(diǎn)正嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，如果協(xié)調(diào)器的地址資源足夠，它就會同意該節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并給該節(jié)點(diǎn)分配1個16位的短地址，至此終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器連接成功并可以相互通信（圖4）。

3.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集、環(huán)境控制等2個模塊，環(huán)境控制模塊又包括灌溉模塊、光補(bǔ)償模塊等2個部分。終端節(jié)點(diǎn)對桑園溫度、濕度、光照度信息實(shí)時采集，若是采集到的數(shù)據(jù)格式正確，終端節(jié)點(diǎn)則把數(shù)據(jù)打包傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器處理完數(shù)據(jù)后產(chǎn)生相應(yīng)的命令發(fā)回給終端節(jié)點(diǎn)。為方便采集環(huán)境信息的實(shí)時查看，每個終端節(jié)點(diǎn)都配有OLED顯示屏，上面顯示實(shí)時的環(huán)境信息和網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)。

土壤濕度處于50%～60%時，桑樹葉片凈光合速率高于其他的濕度范圍，且光量子通量密度在500～2 000 μmol/（m2·s）范圍內(nèi)，桑樹葉片凈光合速率維持在較高值，且沒有光抑制現(xiàn)象。影響桑樹凈光合速率的主導(dǎo)因子由土壤濕度過渡到光照度，土壤濕度的臨界值為51.17%[3]。桑園光補(bǔ)償過程：在指定時間區(qū)域內(nèi)，桑園光量子通量密度低于600 μmol/（m2·s）時，開啟光補(bǔ)償裝置，光量子通量密度高于1 000 μmol/（m2·s）時，光補(bǔ)償裝置關(guān)閉。由于桑樹吸收水分的根系主要分布在地表以下20～40 cm深處，地表灌溉水需要經(jīng)過較長時間才能滲透到桑樹吸收水分根系的主要分布區(qū)，導(dǎo)致灌溉系統(tǒng)產(chǎn)生一定的時滯，所以停止灌溉時不能用簡單的閾值分析來控制灌溉系統(tǒng)。為解決桑園控制環(huán)境具有大慣性、非線性和時延且很難建立精確的數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)[14]，本設(shè)計(jì)采用模糊控制的原理作為灌溉系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。

該模糊控制器為雙輸入單輸出的模糊控制器，其輸入變量為土壤水分的誤差e和誤差變化率ec，輸出變量為灌溉時間長度u。模糊控制系統(tǒng)的操作流程是先將輸入變量模糊化，在此將輸入變量e模糊化結(jié)果記為E，將ec模糊化結(jié)果記為EC。接著根據(jù)E、EC及模糊控制規(guī)則R，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量，再通過清晰化算法將輸出量反模糊，得到精確的控制量u，根據(jù)控制量u來判定電磁閥和水泵的開閉時間。模糊控制系統(tǒng)框如圖5所示。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以Visual studio 2013軟件作為上位機(jī)軟件的開發(fā)平臺。該上位機(jī)軟件可以實(shí)時顯示每個節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度、光照度，并將環(huán)境信息以曲線圖的形式顯示出來，所有采集到的環(huán)境信息均能存儲到Access中。此外，上位機(jī)還可以顯示灌溉系統(tǒng)或光補(bǔ)償系統(tǒng)的開啟時長，并且上位機(jī)有按鈕，可以直接在上位機(jī)上操作，進(jìn)行環(huán)境控制系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉。

上位機(jī)軟件采用定時器的方式來讀取串口數(shù)據(jù)，設(shè)定timer4的定時器間隔為100 ms，即每100 ms調(diào)用1次定時器。在定時器函數(shù)中讀取并處理串口數(shù)據(jù)，使環(huán)境數(shù)據(jù)顯示到相應(yīng)的textbox空間當(dāng)中。上位機(jī)程序流程如圖6所示。

4 測試結(jié)果

測試3個終端節(jié)點(diǎn)和1個協(xié)調(diào)器的桑園環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器直接用數(shù)據(jù)線連接在PC機(jī)上，終端節(jié)點(diǎn)均勻地分散在桑園中。在給終端上電之前先給協(xié)調(diào)器上電，上電后協(xié)調(diào)器D3是長亮的，終端上電后D1閃爍，入網(wǎng)成功后D3常亮，入網(wǎng)成功后按下終端S1鍵開始上傳數(shù)據(jù)。打開上位機(jī)，將波特率改成與協(xié)調(diào)器程序相對應(yīng)的波特率并打開串口，設(shè)置上位機(jī)更新數(shù)據(jù)的速率，可以監(jiān)測到桑園的環(huán)境信息，圖7為上位機(jī)接收到的1號終端數(shù)據(jù)生成的溫濕度曲線。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)1種基于ZigBee技術(shù)的桑園環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用ZigBee無線技術(shù)的低功耗、低復(fù)雜度、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合桑樹生長特性，成功實(shí)現(xiàn)對桑園土壤水分和光照度

的控制。現(xiàn)場實(shí)際測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能很好地采集桑園的溫度、濕度、光照度等環(huán)境信息，并將其上傳到上位機(jī)中，以便用戶實(shí)時查看。根據(jù)采集到的環(huán)境信息，CC2530芯片通過模糊控制的理論基礎(chǔ)進(jìn)行分析后，系統(tǒng)能很好地控制灌溉系統(tǒng)和光補(bǔ)償系統(tǒng)，使桑樹能夠處于適合于其生長的環(huán)境當(dāng)中。

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