摘  要： 針對(duì)現(xiàn)有溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過軟硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)；軟件部分包括傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送、匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、上位機(jī)監(jiān)測(cè)管理3個(gè)部分。采用LabVIEW對(duì)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，人機(jī)交互界面友好。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布點(diǎn)靈活，可以實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的無線監(jiān)測(cè)。

　　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(guó)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(qiáng)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(zhǎng)。因此，對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是非常重要的，可以有效、準(zhǔn)確地了解當(dāng)前農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況，并及時(shí)采取措施調(diào)控溫室環(huán)境，使溫室環(huán)境達(dá)到最佳狀態(tài)[1]。

　　目前我國(guó)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)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(hù)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(shí)延、高可靠性等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)溫室中得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。本文設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，減少設(shè)備維護(hù)成本，使整個(gè)監(jiān)測(cè)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(jì)匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過RS-232串口上傳到監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行信息的存儲(chǔ)、顯示和查詢，同時(shí)監(jiān)測(cè)中心可向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令進(jìn)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(cè)系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)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(diǎn)組成，包括傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)；上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心由一臺(tái)PC充當(dāng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)采用簡(jiǎn)化功能設(shè)備RFD，可以與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，主要配置一些溫度、濕度、光照強(qiáng)度等類型的傳感器，負(fù)責(zé)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(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)采用全功能設(shè)備FFD，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，接收傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)監(jiān)測(cè)中心，同時(shí)發(fā)布監(jiān)測(cè)中心的指令；上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心利用LabVIEW軟件編寫，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲(chǔ)，用戶通過監(jiān)測(cè)中心能夠?qū)崟r(shí)了解到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)環(huán)境變化，并據(jù)此實(shí)時(shí)制定相關(guān)調(diào)控方案。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)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(jì)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)現(xiàn)物理數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送；（3）通過串口RS-232實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)且采用數(shù)字信號(hào)輸出[6]。SHT11和處理器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中時(shí)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(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)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(qiáng)度傳感器采用BH1750芯片，它們均是采用數(shù)字信號(hào)輸出，提供了簡(jiǎn)單的接口電路。

　　考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)際工作環(huán)境，節(jié)點(diǎn)的電源模塊采用3節(jié)干電池供電，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)功耗問題。

　　2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　匯聚節(jié)點(diǎn)同樣以TI公司的CC2530芯片為核心，在接口上增加了與上位機(jī)通信的RS-232電平轉(zhuǎn)換電路，在CC2530芯片中有USART0與USART1兩個(gè)通信串口，RS232電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX232芯片。匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　考慮到匯聚節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)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(jì)

　　3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)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(diǎn)（協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）。節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)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(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，一旦加入網(wǎng)絡(luò)成功，就進(jìn)入時(shí)間輪詢模式。為了降低節(jié)點(diǎn)功耗，本設(shè)計(jì)釆用休眠—喚醒的工作機(jī)制，只有在定時(shí)時(shí)間到時(shí)，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)工作流程如圖5所示。

　　3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

　　匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)、允許傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)。具體過程為：匯聚節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行CC2430硬件和ZigBee協(xié)議棧的初始化；然后進(jìn)行信道搜索，建立網(wǎng)絡(luò)，允許節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請(qǐng)并為其分配地址；接著接收節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。同時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)也負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的相關(guān)指令，并傳送至相關(guān)的傳感器節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)流程圖如圖6所示。

　　3.3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心的軟件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)測(cè)中心軟件系統(tǒng)采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，LabVIEW是美國(guó)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(tái)。人機(jī)接口采用圖標(biāo)創(chuàng)建，很容易建立友好的人機(jī)交互界面，具有編程簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)因子的存儲(chǔ)、顯示、分析和查詢等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的監(jiān)測(cè)管理。

　　4 測(cè)試與結(jié)果分析

　　通過上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面，很容易將數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單易懂地呈現(xiàn)出來。以溫濕度為例來測(cè)試系統(tǒng)能否正常工作以及系統(tǒng)的性能是否達(dá)到溫室監(jiān)測(cè)的需求，通過標(biāo)準(zhǔn)溫濕度計(jì)與SHT10溫濕度傳感器比較測(cè)量結(jié)果，從早上8：00-15：00每隔1小時(shí)采集溫室環(huán)境的溫度與濕度，測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

　　測(cè)量的結(jié)果表明：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)與溫濕度計(jì)所測(cè)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(shí)，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(gè)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

　　本設(shè)計(jì)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(cè)中，改變了傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)的方式。設(shè)計(jì)了星狀的無線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)溫室環(huán)境因子進(jìn)行采集；完成了節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)測(cè)管理模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)功能，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)可視化。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)布置靈活、工作穩(wěn)定、擴(kuò)展性強(qiáng)，能有效地對(duì)溫室中環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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