文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)01-0060-03
我國是設(shè)施農(nóng)業(yè)大國,近年來各地設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速,僅遼寧省今年設(shè)施農(nóng)業(yè)將達(dá)到1 000萬畝[1]。江蘇省以“工業(yè)思維”來轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,提出要“用現(xiàn)代物質(zhì)條件、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代經(jīng)營方式武裝和改造農(nóng)業(yè)”[2]。我國雖然是設(shè)施農(nóng)業(yè)的大國,但并非是設(shè)施農(nóng)業(yè)的強(qiáng)國,設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動化和網(wǎng)絡(luò)化水平還不高。但我國設(shè)施農(nóng)業(yè)正呈現(xiàn)出規(guī)?;c集團(tuán)化的發(fā)展趨勢,集生產(chǎn)、加工、生態(tài)旅游、服務(wù)等多種功能于一體的現(xiàn)代農(nóng)莊已初現(xiàn)端倪。
本文針對溫室大棚環(huán)境參數(shù)的檢測與控制,充分利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)一次性構(gòu)建成本低、網(wǎng)絡(luò)自動組建、易維護(hù)且擴(kuò)展性好等優(yōu)點,設(shè)計了基于ZigBee的多參數(shù)、低成本、集測量與控制于一體的無線測控系統(tǒng),用于實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控。系統(tǒng)采用ZigBee無線收發(fā)模塊采集溫室大棚中的溫度、濕度、光照等參數(shù),并將其發(fā)送到ZigBee網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理后通過Internet上傳到上位機(jī),上位機(jī)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送溫度、濕度、光照等控制命令到ZigBee終端節(jié)點,控制相應(yīng)設(shè)備以調(diào)節(jié)大棚中相關(guān)環(huán)境參數(shù),從而實現(xiàn)對溫室大棚的遠(yuǎn)程測量與控制。
1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境測控系統(tǒng)如圖1所示,由無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點、ZigBee網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器)和上位機(jī)數(shù)據(jù)中心三部分組成,其中無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)中每個終端節(jié)點由一個ZigBee通信模塊和一個特定功能傳感器組成,測控大棚中的溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù),且每個ZigBee終端節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)與多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
整個系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括ZigBee網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器)和無線測控網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備兩部分。
2.1 ZigBee網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)
ZigBee網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器)硬件架構(gòu)如圖2所示,其主要功能是完成數(shù)據(jù)傳輸格式的轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸,實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)之間的通信連接,并與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行交互功能和對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理。本文采用廣州友善之臂計算機(jī)科技有限公司的Mini2440開發(fā)板和拓展ZigBee無線模塊作為ZigBee網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。Mini2440開發(fā)板以三星公司的32位高性能ARM微處理器S3C2440作為核心控制器,通過1個100 M以太網(wǎng)RJ-45口(采用DM9000網(wǎng)卡)實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)關(guān)與Internet的互聯(lián)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸[3],ZigBee通信模塊選用TI公司生產(chǎn)的低成本、低功耗、高集成度的工業(yè)用ZigBee射頻芯片CC2430,內(nèi)置一個AES協(xié)處理器,以支持IEEE802.15.4 MAC 安全所需的(128 bit關(guān)鍵字)AES的運(yùn)行,以盡可能少地占用微控制器。
2.2 無線測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點
無線測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點原理圖如圖3所示,每個終端節(jié)點以CC2430為核心,通過信號調(diào)理電路連接溫度、濕度、光照傳感器和相關(guān)執(zhí)行器。其中溫度傳感器選用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。濕度傳感器選用電容式濕度傳感器HS1101,其在電路中等效于一個電容器C,其電容隨所測空氣的濕度增大而增大,在相對濕度為0~100%RH的范圍內(nèi),電容的容量由160 pF變化到200 pF, 其誤差不大于±2%RH,具有響應(yīng)時間快、可靠性高和長期穩(wěn)定性好等特點,不需要校準(zhǔn)的完全互換性[4]。光照強(qiáng)度傳感器選用LXD/GB5-A1E, 隨光照度變化線性輸出,內(nèi)置濾光鏡,與光譜響應(yīng)特性類似,低工作照度符合RoHS指令等[5]。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
整個測控系統(tǒng)軟件由ZigBee網(wǎng)關(guān)軟件和無線傳感測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點軟件兩部分組成。這兩部分都需要向其ZigBee模塊移植ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack),尤其是與硬件底層密切相關(guān)的PHY層和MAC層的實現(xiàn),它為上層通信應(yīng)用提供API接口函數(shù)。
3.1 ZigBee網(wǎng)關(guān)部分的軟件設(shè)計
ZigBee網(wǎng)關(guān)向下管理無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)各個終端節(jié)點, 向上連接實現(xiàn)和上位機(jī)數(shù)據(jù)中心交互功能, ZigBee網(wǎng)關(guān)初始化后首先格式化網(wǎng)絡(luò)并選擇信道,建立新的網(wǎng)絡(luò),允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)并分配網(wǎng)絡(luò)ID,廣播數(shù)據(jù)采集命令等[6],程序流程圖如圖4所示。
3.2 無線傳感器測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點軟件設(shè)計
傳感器終端節(jié)點的主要工作是數(shù)據(jù)信息采集、網(wǎng)絡(luò)連接并承擔(dān)部分路由功能, 保持與臨近節(jié)點的通信, 檢測鏈路狀態(tài)等。為降低網(wǎng)絡(luò)的平均功耗終端節(jié)點模塊應(yīng)用軟件的設(shè)計既要盡量長時間地使各模塊處于休眠狀態(tài),盡量減少喚醒ZigBee模塊的次數(shù)[7]。無線傳測控網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點的程序流程圖如圖5所示。
4 系統(tǒng)調(diào)試效果
為了驗證系統(tǒng)參數(shù)的動態(tài)變化性能,在實驗過程中人為地對各相應(yīng)的傳感器進(jìn)行了遮擋、加熱、加濕等干擾,從實驗結(jié)果上看這些干擾都很及時地在上位機(jī)監(jiān)測界面中有所反映,監(jiān)測界面的右下角實時顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)變化值, 實驗監(jiān)測界面圖如圖6所示,顯示數(shù)據(jù)曲線呈跳躍式變化正好說明了系統(tǒng)響應(yīng)速度快,在很短時間內(nèi)可以采集環(huán)境參數(shù)的變化。
本文探討了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室大棚環(huán)境測控中的應(yīng)用, 包括系統(tǒng)的總體架構(gòu)、ZigBee網(wǎng)關(guān)和傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點的軟硬件設(shè)計。從實驗結(jié)果來看,此無線測控系統(tǒng)效果良好,系統(tǒng)功耗小、移動性強(qiáng)、被測數(shù)據(jù)可以實時上傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示和記錄。
參考文獻(xiàn)
[1] 遼寧省設(shè)施農(nóng)業(yè)獎達(dá)1000萬畝[EB/OL].[2011-07-28]. http://www.csh.gov.cn/xxlr1_354414.html.
[2] 郭奔勝,陳剛,鄧華寧.江蘇省以“工業(yè)思維”牽引農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[N].現(xiàn)代快報.2011-04-15(23).
[3] Mini2440現(xiàn)配備128 M/256 M/1 GB Nand Flash可選容量[EB/OL].[2011-07-28].http://www.arm9.net/mini2440-feature asp.
[4] 電容式濕度傳感器HS1101介紹及應(yīng)用電路[EB/OL]. [2011-07-28]. http://www.61mcu.com/bbs/dispbbs.asp?BoardID=12&reply ID=295&ID=108&skin=1.
[5] 光敏傳感器:LXD/GB5-AIE[EB/OL].[2011-07-28].http://www.lxdcn.com/lxd-gb5-a1e(1).htm.
[6] 鄧小蕾,鄭立華,車艷雙,等.基于ZigBee和PDA的農(nóng)田信息無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(2):103-108.
[7] 韓華峰,杜克明,孫忠富,等.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(7):158-163.