基于PROFINET和無線Mesh網的大棚監測系統

郭 杰，雷 剛，羅光偉，陳健生，施 蕓

（1. 四川工程職業技術學院，德陽 618000；2. 清華大學 電子工程系，北京 100084）

0 引言

現代農業中，為提高農產品的生產效率和產品品質，需要及時掌握大棚相關信息，國內外研究人員對農業信息化做了大量的研究。Masayuki Hirafuji等人提出了利用無線網絡方式實現田間數據采集的方案[1]；中國農業大學精細農業實驗室提出了使用藍牙實現溫室檢測的方法[2]；東北農業大學寒地蔬菜生物學重點實驗室設計了一種可以監測溫度的無線傳感器節點[3]，將Zigbee技術應用到了土壤監測中；西北農林科技大學采用ARM9處理器和CC2430結合設計了一種Zigbee無線網絡的溫室監控系統[4]；南京農業大學將GPRS和移動終端技術應用于無線網絡中，實現了數據的移動采集和實時處理[5]。

現階段的研究，主要針對于無線網絡中的節點以及多個節點組成的單個Zigbee無線網絡進行分析和處理。隨著我國現代農業的發展，必定向更大規模、更加精細的方向發展，對此本文提出了一種利用PROFINET（工業以太網）、Mesh網絡和Zigbee技術的大棚環境監測系統。

1 系統結構

1.1 系統需求分析

進行監測系統的設計前，需要考慮應用環境的實際情況，充分考慮系統的有利因素和可能遇到的問題。基于PROFINET和Mesh網絡的大棚監測系統具有三個方面的特性：1）大棚面積大范圍廣；2）各區域間具備以太網絡連接；3）環境是動態變換的。

另外室外環境的不可預知性、各種惡劣自然環境的存在，對系統的設計和開發提出了挑戰。

1.2 系統總體結構設計

經過系統的應用分析，同時結合國內外同行的設計經驗，提出的大棚環境監測系統總體結構如圖1所示。

圖1 監測系統整體結構圖

該監測系統由監控中心、各區域無線Mesh網絡以及PROFINET（工業以太網）組成。每個區域的無線網絡由該區域的子網關以及各個參量監測節點組成，各節點將檢測到得溫度、土壤濕度、土壤鹽度、二氧化碳濃度、光照度等參數通過基于Zigbee技術組建的Mesh網絡傳遞到該區域的網關節點上。子網關再通過PROFINET（工業以太網）總線傳遞到信息監控中心，同時在各子網關上利用人機界面將該子區域的信息顯示出來，每個子網關也可以成為一個獨立的監測子系統。

PROFINET是一個符合TCP/IP和IT標準的、為自動化制定的開放的工業以太網標準，支持TCP/IP標準通訊、實時（RT）通訊、同步實時（IRT）通訊。

PROFINET網絡廣泛應用于工業自動化控制領域，具有很強的抗干擾性能以及支持不同制造商設備之間的兼容性，適用于較復雜的工作環境。

在本系統設計中，區域監控中心主機配置西門子工業以太網CP1616卡，用于PROFINET的鏈接與數據采集；安裝工業組態軟件WINCC，組態監控畫面，CP1616卡通過PROFINET直接與遠程子網絡進行數據交換，在區域監控中心主機上顯示和設定大棚環境參數。

基于監測大棚的數量和距離，在PROFINET（工業以太網）組建過程中配置工業網絡交換機（SCALANCE X200），減少監控中心到個區域子網絡的布線對數，也便于擴展。配置交換機的數量依據子網絡的數量而增減，各子網絡通過IP地址及MAC地址進行識別。

1.3 區域子網絡結構

該區域子網絡采用基于Zigbee技術的Mesh網絡結構，該網絡無線Mesh網絡是一種典型的多跳網絡模式，具備動態自組織和自配置功能。網絡中的每一個節點都具備路由功能，可以進行數據的發送和接收。在該網絡中，數據傳遞的可靠性和安全性較高，當某節點需要傳輸數據時，只需要將數據發出即可，附近的節點將對數據進行轉發，直到傳遞到接收位置[6～10]。在大規模的大棚中，如果使用單跳方式，需要設定一個中心節點，但由于WLAN發射功率問題，作用距離一般不超過500米，所以該模式不適應于在大規模大棚中推廣使用。而使用無線Mesh網絡，由于各節點都具有數據轉發功能，可以通過節點間的通信，完成遠距離的數據傳輸。Mesh網絡的基本結構如圖2所示。

圖2 子網絡結構圖

PROFINET是一個符合TCP/IP和IT標準的、為自動化制定的開放的工業以太網標準，支持TCP/IP標準通訊、實時（RT）通訊、同步實時（IRT）通訊。

2 系統設計

2.1 子網關設計

網關采用ARM+Zigbee專用CPU模塊進行設計。ARM實現數據處理分析、圖形圖表顯示以及通過工業以太網接口與區域中心相連接；結合Zigbee技術的CC2530實現Mesh網絡的建立、管理等功能，兩個CPU之間通過串口進行數據的交換。基本結構如圖3所示。

圖3 網關硬件結構圖

在實際應用中，為簡化ARM板的電路設計、提高效率，選用某公司的SmartARM2300工控開發板為應用平臺。該工控板是基于32位的ARM處理器LPC2378開發的平臺，在該平臺上包含LCD驅動接口、RS232、RS485、CAN_BUS、SD/MMC、10/100M工業級以太網接口等開放接口，實際應用中可以根據需要進行合理的選擇，滿足不同接口方式的需要。Zigbee專用CPU模塊選用TI公司的CC2530芯片進行電路設計，該芯片由TI公司推出，基于 ZigBee/ IEEE 802.15.4 標準的SOC器件。CC2530內部包含低功耗的8051CPU，同時包含一個高性能的射頻收發器，工作時功耗只有27mA，同時具備低功耗和休眠模式[13]。

2.2 子網關設計

網關的軟件設計包含兩方面的內容，一是ARM工控板的系統程序開發，二是基于CC2530的Zigbee網關協議開發。

2.2.1 ARM系統程序

ARM程序主要包含顯示接口程序、總線數據處理、節點信息接收分析和ARM實時操作系統等幾部分。在該工控板中，已經預裝μC/OS-II 正版實時操作系統，在開發中對于不同的功能模塊，只需要添加任務項目即可。具體程序結構如圖4所示。

圖4 網關軟件流程圖

軟件包含2個部分，一是對ARM進行初始化設定，啟動μC/OS-II實時操作系統，并創建串口、LCD顯示和工業以太網任務。二是分別通過任務調度的方式實現各個應用程序的處理。

2.2.2 CC2530網關協調器程序

在本系統中，網關是實現Mesh網絡的關鍵。由于該網絡以Zigbee技術作為基礎，網關需要完成空閑信道的掃描、網絡的初始建立、提供新網絡節點的地址、路由表的配置和計算、以及網絡管理等工作。在一個Zigbee網絡中，包含APL(應用層)、NWK(網絡層)、MAC(數據鏈路層)、PHY(物理層)等結構，各層之間通過服務原語進行數據傳遞和反饋。實際應用中，當CC2530完成硬件和操作系統的初始化后，即可使用服務原語進行網絡的創建工作。

基本流程是：APL層向NWK層發送NLMENETWORK-DISCOVERY.request原語，協調器開始進行附近網絡狀態的掃描。網絡層得到NLMENETWORK-DISCOVERY.confirm原語，包含附近的信道使用和網絡狀態的詳細清單，應用層通過比較信道清單和網絡清單，選擇一個未使用過的信道，并通過NLME-NETWORK-FORMATION.request原語進行網絡的建立。

另外在本應用中，還需要通過串口與ARM進行數據的傳遞、控制命令的分析和執行等任務。程序流程如圖5所示。

圖5 協調器程序流程圖

2.3 節點設計

對于網絡節點，可以分為兩類。一類是既具備路由功能也具備檢測功能的節點，可以實現環境檢測，也可以為其他節點提供路由功能；另一類是終端節點，只具備檢測功能和數據發送功能，需要通過路由節點才能將數據傳遞出去。為簡化設計，在實際設計中統一選用CC2530作為節點的控制器。首先利用該CPU的Zigbee功能實現節點的無線網絡設計，其次再利用該芯片空余的I/O端口和A/D轉換器，添加溫度、濕度和鹽度的檢測探頭，實現物理量檢測。實際應用中，溫度測量使用DS18B20實現，濕度使用HIS-07電阻式溫度探頭，鹽度測量使用FJA-10型土壤鹽分測試探頭。在使用時，土壤的鹽分變化是很慢的，且在一片土壤中，鹽分差異較小，但溫度和濕度需要實時的檢測，所以在實際應用中，每個節點上溫度和濕度探頭是必須的，鹽分探頭只是在部分節點上安裝。

在傳感器與CPU的接口方面，溫度探頭DS18B20采用一線數字接口方式，只占用CPU的一個I/O端口；濕度和鹽度探頭是模擬量輸出器件，需要設計相應的調整電路，轉換為電壓量后利用CPU內部的A/D通道進行處理，得到對應的數值。節點電路結構如圖6所示。

圖6 節點硬件結構圖

在該系統中，節點的軟件設計主要關注三個內容，一是外圍傳感器的接口程序設計，二是Zigbee網絡接入與路由的程序設計，三是節點的低功耗處理，盡量延長節點的工作時間。

2.3.1 傳感器接口程序設計

溫度傳感器DS18B20程序設計主要包含以下三個步驟：首先進行初始化，其次進行序列號的讀取操作，然后啟動溫度的轉換過程，進行溫度數據的讀取。濕度和鹽度探頭輸出的電壓信號使用CC2530的A/D通道進行轉換，其中濕度使用A/D通道3，鹽度使用A/D通道4，同時利用TI公司提供的ZStack協議棧中的HalAdcRead()函數，實現A/D的軟件設計。相應程序流程圖如圖7所示。

2.3.2 Zigbee節點網絡接入程序設計

圖7 節點軟件流程圖

節點的網絡接入流程：首先通過APL層發送NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原語，其中包含信道參數、掃描持續時間等信息；其次NWK層接收到該原語后，向MAC層發送MLMESCAN.request原語，MAC層進行主動掃描。當MAC層在掃描過程中得到有效的信標幀時，使用MLME-BEACON-NOTIFY.indication原語向NWK層回復。相關的數據包含該掃描得到的網絡ZigBee版本號、堆棧結構、網標識符（PANId）、邏輯信道和是否允許連接的信息。節點的網絡層對這些信息進行匹配驗證，如不匹配，則忽略該信標；反之，節點從接收到的信標中，將相關的信息復制到自己的鄰居表中。此時即可通過發送NLME-JOIN.request原語進行網絡的連接。

2.3.3 Zigbee節點的節能設計

在節點的設計中采用兩節18650鋰電池（單節容量2200mAh）進行供電，CC2530內核采用1.8V供電，傳感器與外部接口采用3.3V供電。在程序設計中，可以通過CC2530的PCON和SLEEPCMD兩個寄存器，工作于5種不同的工作模式，即當需要進行測量和數據傳輸時，啟用正常工作模式，否則進入睡眠模式。實際應用中，溫度、濕度和鹽度的變換差異較大。在這三者中溫度的變化相對較快，采用每隔5分鐘檢測一次，而濕度則可以每隔一個小時檢測一次，而鹽度的變化則更慢，每天檢測一次即可。

3 試驗測試

通過網關和節點的硬件和軟件分析，進行了系統的軟件和硬件設計和調試。網關和節點結構如圖8所示。

圖8 網關和節點

3.1.1 節點的功率測試

為檢驗節點的電源消耗情況，對節點的耗電量進行了測試。測試中，使用10歐姆的電阻串聯在電源中，測得電阻電壓波形如圖9所示。

圖9 節點功耗測試圖

從圖9中，可以得知當進行數據傳輸時，10歐姆電阻上出現峰值電壓200mV，其余時間電壓基本恒定為20mV～30mV之間。即節點在數據傳輸時，消耗電流為20mA左右，靜態時消耗電流為1mA ～1.5mA。測試表明該節點的節能設計是有效的。

3.1.2 一個子網中的通信性能測試

各無線節點在進行數據傳輸中，存在路徑損耗，為檢驗一個子網絡中的各節點的布局情況，進行試驗。首先，在空曠環境中測試節點與子網關之間的通信距離（模塊的發射功率為0dBm，接收靈敏度為-92dBm），經測試有效距離為75米～85米之間；其次在生長有辣椒作物（平均高度60厘米）的田間，有效距離降低為50～55米之間；另外如果加高天線高度，有效距離可以得到提高。對此，在進行無線網絡節點的布置中，應該注意三個問題。一是在網絡中，必須保證每個節點周圍50米范圍以內至少具有一個路由功能的節點，安全考慮保持兩個更可靠；二是在作物高度較高的環境中，可以通過選配高度較高的天線，減小有效距離的損失；三是可以通過增加模塊的發射功率增加距離，但是對節點的有效工作時間會產生影響。

4 結論

通過系統分析、系統設計和實際驗證表明，在現代農業中使用無線網絡技術與工業以太網結合的方式，可以提供一種成本相對經濟的解決方案。該方案具備以下特點：

1）采用工業以太網結合無線Mesh網絡的模式，為大面積的大棚監測提供了可行的解決方案；

2）網關采用ARM工控板+CC2530的設計構架，簡化了系統設計，降低了系統的開發難度，可行性較強；

3）節點采用一片CC2530完成網絡接入、路由和傳感器檢測，簡化了節點設計，采用低功耗設計，提高了電池的正常工作時間；

4）不同的大棚檢測環境，對于無線模塊的發送功率、天線高低、布置的密度需要進行適當的調整。

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