基于ZIGBEE技術(shù)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要:溫室大棚的環(huán)境檢測(cè)與控制是當(dāng)前農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的熱點(diǎn)問題之一，基于ZigBee技術(shù)的無線大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿足大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)所提出的低功耗、低成本以及方便后期規(guī)模擴(kuò)展等要求，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無人值守，能夠?qū)Ω鞔笈锏沫h(huán)境進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控與調(diào)整，具有一定的工程實(shí)際意義和市場(chǎng)價(jià)值。

關(guān)鍵詞:環(huán)境子 監(jiān)控ZigBee技術(shù)

中圖分類號(hào):TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)08(c)-0118-01

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、無線射頻、專家系統(tǒng)、現(xiàn)代測(cè)控等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，拓寬了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展空間，重構(gòu)這世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新格局，已經(jīng)成為信息時(shí)代農(nóng)業(yè)的重要特征。用信息技術(shù)裝備農(nóng)業(yè)，用信息手段服務(wù)、支撐農(nóng)業(yè)，用信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)農(nóng)業(yè)，已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的客觀要求，同時(shí)也是我國(guó)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的重大技術(shù)選擇。

1ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度、濕度、光照強(qiáng)弱等環(huán)境因素對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)起著非常重要的影響。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，通過目測(cè)、經(jīng)驗(yàn)等手段來檢驗(yàn)這些因素，由于這些因素缺少量化的數(shù)據(jù)，并且經(jīng)驗(yàn)的積累也并不準(zhǔn)確，因此制約了農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，使我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期處于低層次水平 。

ZigBee技術(shù)是一種具有成本低、體積小、能量消耗小、傳輸速率低的無線通信技術(shù)。利用該技術(shù)本文研究了溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的不足，逐步提高生產(chǎn)質(zhì)量，增加經(jīng)濟(jì)效益，提升農(nóng)業(yè)成產(chǎn)水平。

ZigBee技術(shù)應(yīng)用在對(duì)傳輸速率要求不高、功耗要求很高的的領(lǐng)域。但較傳輸速率也成為了它的一大優(yōu)點(diǎn)，那就是超低的功耗。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)選擇

在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，使用采用ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采集終端設(shè)備互聯(lián)互通，采用B/S結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)匯集后通過某種連接的方式與Internet相連，然后上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)服務(wù)器，將信息傳遞給用戶。采用ZigBee技術(shù)的混搭型環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常有發(fā)展?jié)摿Φ募軜?gòu)。此結(jié)構(gòu)（圖1）所示。

優(yōu)點(diǎn):①無須布線，降低了系統(tǒng)安裝成本。②低成本、低功耗、體積小、維護(hù)方便。③數(shù)據(jù)的共享性好，有利于消除信息孤島。 ④兼容性、擴(kuò)展性好。

缺點(diǎn):對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的可靠性要求較高，它是系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

此系統(tǒng)由終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、終端設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、信息平臺(tái)等部分組成。

2.2.1終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主動(dòng)定期或被動(dòng)即時(shí)的采集大棚內(nèi)的光照、溫度、濕度等數(shù)值，上傳給網(wǎng)關(guān)設(shè)備。并且能夠接收網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送過來的命令，即時(shí)監(jiān)測(cè)某些數(shù)值。

2.2.2終端控制節(jié)點(diǎn)

終端控制節(jié)點(diǎn)用的功能是控制大棚內(nèi)的相關(guān)機(jī)電設(shè)備，用戶可以根據(jù)需要在異地遠(yuǎn)端，靈活的操縱相關(guān)設(shè)備。如灌溉設(shè)備、卷簾機(jī)等設(shè)備，硬件架構(gòu)如圖3。

2.2.3網(wǎng)關(guān)設(shè)備

網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)信息格式的轉(zhuǎn)換，是終端節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)程序通信的中樞。并各種信息以直觀和友好的方式展現(xiàn)給用戶。當(dāng)某些數(shù)值或設(shè)備處于異常狀態(tài)時(shí)，及時(shí)的將警報(bào)信息和異常信息發(fā)送給相關(guān)人員。

電源模塊支持市電和蓄電池兩種供電方式，增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的移動(dòng)性，滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用需求。觸摸屏顯示模塊選用七寸液晶屏，支持圖表、文字等，觸摸操作，簡(jiǎn)單易用。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

通過無線自組網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)精確采集到的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

它們的功能如下:無線通信模塊:網(wǎng)絡(luò)的加入及退出、傳感器數(shù)值的上傳及各種命令的接收等工作;數(shù)據(jù)采集模塊:傳感器數(shù)據(jù)的采集和封包等工作;人機(jī)交互模塊:用戶操作的輸入和系統(tǒng)信息的輸出等工作;電源監(jiān)測(cè)及控制模塊:供電電源電量的監(jiān)測(cè)和傳感器電源的控制;系統(tǒng)配置模塊實(shí):用戶遠(yuǎn)程對(duì)本節(jié)點(diǎn)某些參數(shù)的配置功能。

3.2 終端控制節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)榻K端控制節(jié)點(diǎn)需要灌溉、掛接卷簾等設(shè)備，因此采用市電供電。CC2430電源模式始終保持在工作狀態(tài)。控制節(jié)點(diǎn)設(shè)有安全機(jī)制。當(dāng)灌溉設(shè)備開啟時(shí)間過長(zhǎng)將自動(dòng)關(guān)閉，以免因錯(cuò)誤操作而對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行傷害，同時(shí)將狀態(tài)信息發(fā)送給上位機(jī)。

當(dāng)設(shè)備首次通電時(shí)，設(shè)備初始化，先確認(rèn)設(shè)備是否處于關(guān)閉狀態(tài)，避免設(shè)備由于意外被開啟。

3.3 數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備初始化階段包括協(xié)議棧初始化和2430芯片設(shè)置初始化兩部分。其中芯片初始化包括看門狗初始化、定時(shí)器初始化、串口初始化、IO數(shù)據(jù)方向初始化等。

程序分為收到上位機(jī)命令，下行發(fā)送控制或配置命令和傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來環(huán)境信息，發(fā)送給上位機(jī)兩個(gè)部分?？刂苹蚺渲妹畎l(fā)出后，會(huì)自動(dòng)返回給上位機(jī)一條信息。表示發(fā)送命令的成功或者是失敗。用0x00返回值代表發(fā)送成功;用0x01返回值代表終端節(jié)點(diǎn)收到命令后沒有正常返回確認(rèn)信息;用0x02返回值代表終端節(jié)點(diǎn)沒有正常發(fā)出輪詢信息，設(shè)備可能工作不正常;用0x03返回值代表上位機(jī)發(fā)來的命令數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

當(dāng)數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)收到終端信息時(shí)首先進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷。即判斷校驗(yàn)位是否正確。如校驗(yàn)和不正確則直接舍棄本包數(shù)據(jù)，繼續(xù)返回監(jiān)聽狀態(tài)。如果校驗(yàn)和正確則通過串口發(fā)給中轉(zhuǎn)模塊進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)。