基于ZigBee技術的溫室環境檢測系統設計

王立巖，楊世鳳

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

基于ZigBee技術的溫室環境檢測系統設計

王立巖，楊世鳳

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

針對現有溫室環境檢測裝置的成本高，安裝維護難度大等缺點，將短距離無線通信技術ZigBee引入到檢測系統中，設計了基于 ZigBee技術的溫室環境檢測系統，包括網關、路由節點和傳感器節點的硬件和軟件設計．實驗表明，該檢測系統能夠對溫室中溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度等參數進行快速、準確的檢測．

ZigBee；溫室；環境檢測；LabVIEW

Abstract：Because of the high investment costs of greenhouse and the difficulty of installation and maintenance，a new short-distance wireless communication technology named ZigBee was used in the measurement system，including the design of hardware and software for gateway，routing node，sensor node. Experiments show that this system can get the parameter in greenhouse quickly and exactly about temperature，humidity，dioxide content，illumination intensity，etc.

Keywords：ZigBee；greenhouse；environment monitoring；LabVIEW

當前，溫室種植作為提高農業生產效率的重要手段，應用日益廣泛．溫室中作物種植環境的檢測顯得尤其重要．為了達到檢測溫室環境參數的目的，溫室中布置了大量電子檢測裝置，由此造成溫室內線纜密布．這種檢測手段在提高溫室投資成本的同時，增加了安裝維護的難度[1]．

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，主要用于近距離無線連接．每個 ZigBee網絡節點不僅本身可以監控對象，還可以自動中轉由其他網絡節點傳過來的數據資料[2]．ZigBee技術具有以下幾個特點：低速率、低功耗、低成本、短時延、免許可無線通信頻段[3–5]．

正是因為 ZigBee的這些特點，將其引入到溫室檢測系統中可以很大程度上解決溫室監控的現有難題．本文采用USB接口與上位機進行通信，并可根據需要增刪路由節點，從而使該系統應用更方便；系統由 PC、網關、路由節點和傳感器節點組成，可以實現對溫室各環境參數科學、準確的檢測，用戶可以通過上位機界面看到檢測數據和分析結果，進而給出作物種植方法的判斷．

1 系統總體框架

溫室環境檢測系統由 PC、網關、路由節點和傳感器節點4部分組成，系統總體框架如圖1所示．

1.1 上位機

上位機 PC用于接收網關數據和發送命令，實現可視化、形象化人機界面．使用 LabVIEW8.6進行用戶界面設計，使得用戶可以在 PC上觀察到溫室環境參數的數值、變化情況以及相關數據分析．

圖1 系統總體框架Fig.1 Overall framework of monitoring system

1.2 網關

根據計算機發送的指令發送/接收路由節點或傳感器節點的數據，并將接收到的數據發送給計算機[6]．

1.3 路由節點

在網關不能與所有的傳感器節點通信時，它作為一種中介使網關和傳感器節點通信，實現路由通信功能，而且還具有普通傳感器節點的數據采集功能．

1.4 傳感器節點

傳感器節點通過傳感器進行數據采集后，ZigBee模塊的 CC2520單片機對數據進行處理，然后與路由節點或網關進行無線通信．基于 ZigBee2007協議棧的無線網絡，在網絡設備安裝、架設過程中自動完成．完成網絡架設后，用戶可以由PC發出命令，讀取網絡中設備上連接傳感器的數據．

2 硬件設計

2.1 傳感器節點設計

傳感器節點由傳感器和ZigBee無線通信模塊組成，傳感器主要用于數據的采集，包括DS18B20溫度傳感器、HS1101濕度傳感器、ON9668光照強度傳感器、MG811二氧化碳濃度傳感器；ZigBee無線通信模塊采用成都無線龍生產的 CC2520．傳感器節點結構框圖如圖2所示．

圖2 傳感器節點結構框圖Fig.2 Block diagram of sensor nodes

CC2520是 TI公司第二代的 ZigBee/IEEE 802.15.4RF收發器，主要用于 2.4,GHz的 ISM 頻段．CC2520可提供較好的靈敏度和共存性能，有較好的連接性能，并可低電壓工作．CC2520支持數據包處理、數據緩沖、突發傳輸、數據加密、數據鑒權、空閑通道檢測、連接質量顯示以及數據包定時信息等，從而降低了主控制器的加載．

2.2 網關設計

系統網關的硬件設計相對簡單，因為網關沒有連接傳感器，只需要組織管理網絡和收集傳感器節點的傳感器信息并發送給 PC，或是接收 PC的命令進行無線數據采集．

控制器MSP430F2618和芯片CC2520均采用SPI串行接口[7]，新型 PC無法與 SPI口直接相連，因此，采用了USB轉串口芯片將USB端口擴展為SPI口使用．

傳感器節點在對傳感器測得的數據進行處理后，與作為路由節點的模塊和網關組建 ZigBee網絡，通過無線通信方式把檢測數據傳送至網關，網關與上位機相連，把相關信息傳送到上位機．

3 軟件設計

3.1 網絡通信

通信過程是：PC通過 USB接口發送命令到網關，可以是采集數據命令，也可以是讀取網絡狀態命令；網關利用物理地址查找出節點的網絡地址后，以一定的數據格式通過無線通信把命令傳送到節點；節點完成采集或控制命令后，通過無線通信把傳感器數據或應答信號返回給網關；網關收到采集節點的數據后，把數據以同樣的格式返回給PC．

網關開始工作時，它首先初始化協議棧，然后進行能量檢測，選擇合適的信道，啟動網關；此后即可允許 ZigBee設備與其相連，接受它們傳輸的各節點傳感器的檢測值，并將其傳送給 PC，網關工作程序流程如圖 3所示．傳感器節點開始工作時首先進行信道掃描，尋找網關，然后與網關建立連接．連接成功后，它即通過網關發送的信標與網關實現同步，開始按周期采集本節點處的環境參數值，并將測量值傳送給網關，傳感器節點工作程序流程如圖4所示．

3.2 用戶界面

用戶界面采用LabVIEW8.6開發，利用其豐富的外設驅動和強大的編程功能，可以實現對溫室環境參數的分析處理，并實現與下位機的通信與交互[8]．

用戶界面可以實現實時顯示環境參數測量值、設置采樣頻率、數據查詢等功能；此外，在停止測量時界面會彈出 Excel表格，將本次測量值進行相應的統計和運算，把結果與農作物生長最適宜的環境參數相比較，向農戶通報環境改善建議．

圖3 網關工作程序流程圖Fig.3 Flow chart of gateway process

圖4 傳感器節點工作程序流程圖Fig.4 Flow chart of sensor node program

4 實 驗

選取農業示范種植基地進行系統測試，為了測試系統的穩定性和上位機界面的用戶可用功能，選取靠近控制室的任意 3個溫室進行實驗．在 3個溫室中各放置 1個傳感器節點(連接溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照強度傳感器)，并各用兩節五號電池給ZigBee模塊供電．在控制室內網關與PC相連，由用戶界面發出指令，對溫室環境參數進行采集．其中一個溫室檢測的用戶界面如圖5所示．

圖5 用戶界面Fig.5 User interface

人為檢查系統檢測的靈敏度，向二氧化碳濃度傳感器吹氣，控制室內該溫室用戶界面的二氧化碳濃度曲線如圖 6(a)所示；人為擋住光照強度傳感器，控制室內該溫室用戶界面的光照強度曲線如圖 6(b)所示，系統可在 ZigBee網絡覆蓋范圍內實時采集傳感器數據．

圖6 二氧化碳和光照強度檢測結果Fig.6 Measure resutlts of CO2and illumination

5 結 語

本文實現了一種基于ZigBee技術的溫室環境檢測系統，能夠采集溫室環境參數，包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等參數．系統的節點可以根據需要自由配置，在路由節點覆蓋范圍內增減網絡節點，還可以通過增加路由節點的數目擴大無線通信網絡的覆蓋范圍，可為復雜溫室環境檢測的應用場合提供參考．

［1］ Timmons N F，Scanlon W G. Analysis of the performance of IEEE 802.15.4 for medical sensor body area networking[J]. IEEE Wireless Communication，2004，26(8)：16–24.

［2］ 瞿雷，劉盛德，胡咸斌. ZigBee技術及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［3］ 張平，康桂霞，田輝. 甚低功耗無線通信技術[J]. 中興通訊技術，2006，12(4)：21–25.

［4］ 辛穎，謝光忠，蔣亞東. 基于ZigBee協議的溫度濕度無線傳感器網絡[J]. 傳感器與微系統，2006，25(7)：82–84.

［5］ 姚傳安，鄒彩虹. 基于無線傳感器網絡的溫室監測系統設計[J]. 鄭州輕工業學院學報：自然科學版，2008，23(1)：104–107.

［6］ 王賀. 基于 IEEE802.15.4/Zigbee的無線傳感器網絡的研究[D]. 哈爾濱：黑龍江大學電子工程學院，2008.

［7］ 李文仲，段朝玉. ZigBee2007/PRO 協議棧實驗與實踐[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［8］ 王磊，陶梅. 精通 LabVIEW8.X[M]. 北京：電子工業出版社，2008.

Design of Greenhouse Environment Monitoring System Based on ZigBee Technology

WANG Li-yan，YANG Shi-feng
(College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

TP273

A

1672-6510(2011)01-0060-04

2010–07–23；

2010–11–16

王立巖（1985—），男，河北保定人，碩士研究生；通信作者：楊世鳳，教授，yangsf@tust.edu.cn.