摘 要： 針對現(xiàn)有溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)，通過軟硬件相結(jié)合實現(xiàn)了溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。硬件部分以CC2530為核心構(gòu)建ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點；軟件部分包括傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送、匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、上位機監(jiān)測管理3個部分。采用LabVIEW對上位機監(jiān)測軟件系統(tǒng)進行開發(fā)，人機交互界面友好。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，布點靈活，可以實現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的無線監(jiān)測。
關(guān)鍵詞： 溫室環(huán)境；ZigBee；CC2530；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LabVIEW
近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，以溫室種植技術(shù)為代表的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用，而溫室內(nèi)的溫濕度、光照強度以及二氧化碳含量等環(huán)境因子直接影響農(nóng)作物的生長。因此，對溫室環(huán)境進行實時監(jiān)測是非常重要的，可以有效、準確地了解當前農(nóng)作物生長狀況，并及時采取措施調(diào)控溫室環(huán)境，使溫室環(huán)境達到最佳狀態(tài)[1]。
目前我國溫室環(huán)境監(jiān)測主要基于有線方式，其存在布線復(fù)雜、抗干擾能力差、投資成本高和安裝維護的難度大等缺陷。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)以其近距離、低成本、低速率、低功耗、短時延、高可靠性等特點，在農(nóng)業(yè)溫室中得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。本文設(shè)計的溫室環(huán)境監(jiān)測引入ZigBee無線通信技術(shù)，其不但可以降低系統(tǒng)成本和功耗，而且提高了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，減少設(shè)備維護成本，使整個監(jiān)測系統(tǒng)得到有效的優(yōu)化。系統(tǒng)采用CC2530芯片為核心設(shè)計匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點，系統(tǒng)根據(jù)傳感器節(jié)點釆集溫室環(huán)境參數(shù)，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將傳感器釆集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過RS-232串口上傳到監(jiān)測中心進行信息的存儲、顯示和查詢，同時監(jiān)測中心可向傳感器節(jié)點發(fā)出控制指令進行環(huán)境參數(shù)的采集。
1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)溫室環(huán)境的應(yīng)用需求，溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和上位機監(jiān)測中心兩部分組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在溫室中的ZigBee節(jié)點組成，包括傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點，其網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)；上位機監(jiān)測中心由一臺PC充當。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在溫室環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點采用簡化功能設(shè)備RFD，可以與匯聚節(jié)點進行通信，主要配置一些溫度、濕度、光照強度等類型的傳感器，負責采集溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并將釆集到的數(shù)據(jù)以無線的方式傳遞到匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點采用全功能設(shè)備FFD，主要負責網(wǎng)絡(luò)的建立與維護，接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過串口RS-232將數(shù)據(jù)傳送到上位機監(jiān)測中心，同時發(fā)布監(jiān)測中心的指令；上位機監(jiān)測中心利用LabVIEW軟件編寫，主要負責數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲，用戶通過監(jiān)測中心能夠?qū)崟r了解到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)環(huán)境變化，并據(jù)此實時制定相關(guān)調(diào)控方案。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計
傳感器節(jié)點主要負責環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理和無線傳輸，按照模塊化的設(shè)計思想，主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、電源管理模塊組成。傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
處理器模塊和無線通信模塊采用TI公司的CC2530芯片[5]，其片上集成了IEEE802.15.4標準2.4 GHz頻段的RF收發(fā)器和高性能低功耗的8051微處理器。CC2530芯片與外圍模塊功能實現(xiàn)包括：（1）通過A/D轉(zhuǎn)換接口控制傳感器模塊釆集溫室環(huán)境參數(shù)因子；（2）控制無線通信模塊實現(xiàn)物理數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送；（3）通過串口RS-232實現(xiàn)匯聚節(jié)點與監(jiān)測中心的通信。
溫濕度傳感器采用瑞士Sensirion公司的STH11芯片，其具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優(yōu)點且采用數(shù)字信號輸出[6]。SHT11和處理器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中時鐘線SCK用于微處理器與SHT11之間通信同步，DATA是雙向串行通信線，負責傳送數(shù)據(jù)，同時DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻。CO2傳感器采用T6004芯片，光照強度傳感器采用BH1750芯片，它們均是采用數(shù)字信號輸出，提供了簡單的接口電路。
考慮到傳感器節(jié)點實際工作環(huán)境，節(jié)點的電源模塊采用3節(jié)干電池供電，在設(shè)計時應(yīng)重點考慮節(jié)點功耗問題。
2.2 匯聚節(jié)點的硬件設(shè)計
匯聚節(jié)點同樣以TI公司的CC2530芯片為核心，在接口上增加了與上位機通信的RS-232電平轉(zhuǎn)換電路，在CC2530芯片中有USART0與USART1兩個通信串口，RS232電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX232芯片。匯聚節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
考慮到匯聚節(jié)點與上位機相連，因此電源管理模塊采用市電供能，市電220 V通過電源適配器轉(zhuǎn)換成5 V直流供電，再通過AS1117-3.3線性穩(wěn)壓芯片將5 V電壓降至3.3 V工作電壓，滿足CC2530芯片所需的3.3 V供電需求。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計
傳感器節(jié)點的主要任務(wù)是負責溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并把數(shù)據(jù)封裝成一定的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送至匯聚節(jié)點（協(xié)調(diào)器節(jié)點）。節(jié)點上電后，首先進行CC2430硬件的初始化和ZigBee協(xié)議棧的初始化，并完成相關(guān)參數(shù)及工作模式的設(shè)置；然后申請加入網(wǎng)絡(luò)，一旦加入網(wǎng)絡(luò)成功，就進入時間輪詢模式。為了降低節(jié)點功耗，本設(shè)計釆用休眠—喚醒的工作機制，只有在定時時間到時，節(jié)點被喚醒并轉(zhuǎn)入工作模式，完成數(shù)據(jù)的采集與無線發(fā)送。傳感器節(jié)點工作流程如圖5所示。
3.2 匯聚節(jié)點的軟件設(shè)計
匯聚節(jié)點主要負責整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和維護、允許傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)加入以及數(shù)據(jù)的處理，并通過串口RS-232將數(shù)據(jù)傳送至上位機。具體過程為：匯聚節(jié)點上電后，首先進行CC2430硬件和ZigBee協(xié)議棧的初始化；然后進行信道搜索，建立網(wǎng)絡(luò)，允許節(jié)點的入網(wǎng)申請并為其分配地址；接著接收節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機。同時，匯聚節(jié)點也負責接收上位機的相關(guān)指令，并傳送至相關(guān)的傳感器節(jié)點。匯聚節(jié)點流程圖如圖6所示。
3.3 上位機監(jiān)測中心的軟件設(shè)計
監(jiān)測中心軟件系統(tǒng)采用LabVIEW進行開發(fā)，LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。人機接口采用圖標創(chuàng)建，很容易建立友好的人機交互界面，具有編程簡便等特點。監(jiān)測中心軟件主要包含：數(shù)據(jù)顯示模塊、串口通信模塊以及數(shù)據(jù)庫訪問模塊。通過該軟件實現(xiàn)溫室內(nèi)節(jié)點采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)因子的存儲、顯示、分析和查詢等功能，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的監(jiān)測管理。
4 測試與結(jié)果分析
通過上位機監(jiān)測界面，很容易將數(shù)據(jù)簡單易懂地呈現(xiàn)出來。以溫濕度為例來測試系統(tǒng)能否正常工作以及系統(tǒng)的性能是否達到溫室監(jiān)測的需求，通過標準溫濕度計與SHT10溫濕度傳感器比較測量結(jié)果，從早上8：00-15：00每隔1小時采集溫室環(huán)境的溫度與濕度，測量數(shù)據(jù)對比如表1所示。
測量的結(jié)果表明：監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)與溫濕度計所測的數(shù)據(jù)存在一定的誤差，其中溫度誤差不超過 0.5℃，濕度誤差不超過1%RH，整體誤差較小，在允許范圍之內(nèi)。同時，表1說明采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，且整個無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。
本設(shè)計將基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室的環(huán)境監(jiān)測中，改變了傳統(tǒng)有線監(jiān)測的方式。設(shè)計了星狀的無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對溫室環(huán)境因子進行采集；完成了節(jié)點硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，設(shè)計了基于LabVIEW的上位機監(jiān)測管理模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和存儲功能，使整個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測可視化。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)節(jié)點布置靈活、工作穩(wěn)定、擴展性強，能有效地對溫室中環(huán)境因子進行監(jiān)測。
參考文獻
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