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基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計
2014年微型機與應用第13期
黃智勇,王啟志,嚴 麗
華僑大學 機電及自動化學院,福建 廈門
摘要: 針對現有溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足,設計了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的監(jiān)測系統(tǒng),通過軟硬件相結合實現了溫室環(huán)境數據的實時監(jiān)測。硬件部分以CC2530為核心構建ZigBee無線傳感器網絡,包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點;軟件部分包括傳感器節(jié)點的數據采集和發(fā)送、匯聚節(jié)點數據接收和發(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。測試結果表明,該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定,結構簡單,布點靈活,可以實現溫室內環(huán)境數據的無線監(jiān)測。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 針對現有溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足,設計了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的監(jiān)測系統(tǒng),通過軟硬件相結合實現了溫室環(huán)境數據的實時監(jiān)測。硬件部分以CC2530為核心構建ZigBee無線傳感器網絡,包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點;軟件部分包括傳感器節(jié)點的數據采集和發(fā)送、匯聚節(jié)點數據接收和發(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。測試結果表明,該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定,結構簡單,布點靈活,可以實現溫室內環(huán)境數據的無線監(jiān)測。

  關鍵詞: 溫室環(huán)境;ZigBee;CC2530;無線傳感器網絡;LabVIEW

  近年來,隨著我國農業(yè)科技的發(fā)展,以溫室種植技術為代表的現代化農業(yè)得到了廣泛的推廣與應用,而溫室內的溫濕度、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、準確地了解當前農作物生長狀況,并及時采取措施調控溫室環(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。隨著無線通信技術的發(fā)展,ZigBee無線網絡以其近距離、低成本、低速率、低功耗、短時延、高可靠性等特點,在農業(yè)溫室中得到了廣泛的應用[2-4]。本文設計的溫室環(huán)境監(jiān)測引入ZigBee無線通信技術,其不但可以降低系統(tǒng)成本和功耗,而且提高了監(jiān)測網絡的可擴展性,減少設備維護成本,使整個監(jiān)測系統(tǒng)得到有效的優(yōu)化。系統(tǒng)采用CC2530芯片為核心設計匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點,系統(tǒng)根據傳感器節(jié)點釆集溫室環(huán)境參數,利用ZigBee無線網絡將傳感器釆集的數據信息發(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)境參數的采集。

  1系統(tǒng)總體結構

  根據溫室環(huán)境的應用需求,溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器網絡和上位機監(jiān)測中心兩部分組成。無線傳感器網絡由分布在溫室中的ZigBee節(jié)點組成,包括傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點,其網絡的拓撲結構采用星型網絡;上位機監(jiān)測中心由一臺PC充當。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

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  在溫室環(huán)境監(jiān)測網絡中,傳感器節(jié)點采用簡化功能設備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,負責采集溫室內的環(huán)境參數,并將釆集到的數據以無線的方式傳遞到匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點采用全功能設備FFD,主要負責網絡的建立與維護,接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數據,并通過串口RS-232將數據傳送到上位機監(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,主要負責數據的接收、顯示和存儲,用戶通過監(jiān)測中心能夠實時了解到監(jiān)測區(qū)域內環(huán)境變化,并據此實時制定相關調控方案。

  2 系統(tǒng)硬件設計

  2.1 傳感器節(jié)點的硬件設計

  傳感器節(jié)點主要負責環(huán)境數據的采集、預處理和無線傳輸,按照模塊化的設計思想,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)點的硬件結構框圖如圖2所示。

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  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包括:(1)通過A/D轉換接口控制傳感器模塊釆集溫室環(huán)境參數因子;(2)控制無線通信模塊實現物理數據的接收與發(fā)送;(3)通過串口RS-232實現匯聚節(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,負責傳送數據,同時DATA數據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,在設計時應重點考慮節(jié)點功耗問題。

  2.2 匯聚節(jié)點的硬件設計

  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電平轉換電路,在CC2530芯片中有USART0與USART1兩個通信串口,RS232電平轉換電路采用MAX232芯片。匯聚節(jié)點硬件結構框圖如圖3所示。

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  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。電壓轉換電路如圖4所示。

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  3 系統(tǒng)軟件設計

  3.1 傳感器節(jié)點的軟件設計

  傳感器節(jié)點的主要任務是負責溫室環(huán)境數據的采集,并把數據封裝成一定的數據包格式發(fā)送至匯聚節(jié)點(協(xié)調器節(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,并完成相關參數及工作模式的設置;然后申請加入網絡,一旦加入網絡成功,就進入時間輪詢模式。為了降低節(jié)點功耗,本設計釆用休眠—喚醒的工作機制,只有在定時時間到時,節(jié)點被喚醒并轉入工作模式,完成數據的采集與無線發(fā)送。傳感器節(jié)點工作流程如圖5所示。

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  3.2 匯聚節(jié)點的軟件設計

  匯聚節(jié)點主要負責整個ZigBee網絡的建立和維護、允許傳感器節(jié)點的網絡加入以及數據的處理,并通過串口RS-232將數據傳送至上位機。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,建立網絡,允許節(jié)點的入網申請并為其分配地址;接著接收節(jié)點上傳的數據,并通過串口將數據傳送給上位機。同時,匯聚節(jié)點也負責接收上位機的相關指令,并傳送至相關的傳感器節(jié)點。匯聚節(jié)點流程圖如圖6所示。

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  3.3 上位機監(jiān)測中心的軟件設計

  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:數據顯示模塊、串口通信模塊以及數據庫訪問模塊。通過該軟件實現溫室內節(jié)點采集到的環(huán)境數據因子的存儲、顯示、分析和查詢等功能,實現對溫室環(huán)境的監(jiān)測管理。

  4 測試與結果分析

  通過上位機監(jiān)測界面,很容易將數據簡單易懂地呈現出來。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,測量數據對比如表1所示。

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  測量的結果表明:監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數據與溫濕度計所測的數據存在一定的誤差,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。同時,表1說明采集的數據已經通過ZigBee無線傳感器網絡發(fā)送出去,且整個無線網絡數據傳輸穩(wěn)定可靠。

  本設計將基于ZigBee的無線傳感器網絡技術應用于農業(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。設計了星狀的無線傳感器監(jiān)測網絡,對溫室環(huán)境因子進行采集;完成了節(jié)點硬件設計和軟件設計,設計了基于LabVIEW的上位機監(jiān)測管理模塊,實現數據顯示和存儲功能,使整個網絡監(jiān)測可視化。測試結果表明,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

  [1] 張興偉.基于WSN的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計[D].太原:鄭州大學,2013.

  [2] 陳曉燕,龐濤.基于ZigBee網絡的溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2013(5):82-85.

  [3] 苗連強,胡會萍.基于ZigBee技術的溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器,2010(10):108-110.

  [4] 韓華峰,杜克明,孫忠富,等.基于ZigBee網絡的溫室環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用[J].農業(yè)工程學報,2009,25(7):158-163.

  [5] 李新慧,俞阿龍,潘苗.基于CC2530的水產養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2013(4):85-88.

  [6] 陳子龍,張紅雨,李俊斌.CC2540和SHT11的無線溫濕度采集系統(tǒng)設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)的應用,2013(4):41-44.


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