基于ZigBee技術(shù)的溫室土壤溫度控制系統(tǒng)研究

馬薇，王洪凱，王秀梅

（1.長春工程學(xué)院，長春130012；2.國家電網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春130012；3.雅礱江公司二灘水力發(fā)電廠，成都610000）

基于ZigBee技術(shù)的溫室土壤溫度控制系統(tǒng)研究

馬薇1，王洪凱2，王秀梅3

（1.長春工程學(xué)院，長春130012；2.國家電網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春130012；3.雅礱江公司二灘水力發(fā)電廠，成都610000）

為了提高溫室養(yǎng)殖過程的實時性與準(zhǔn)確性，本文介紹了一款基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的土壤溫度控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和系統(tǒng)的軟件設(shè)計。系統(tǒng)通過溫度傳感器與cc2530芯片用來實時監(jiān)控棚內(nèi)情況和采集數(shù)據(jù)，以達(dá)到對溫室土壤溫度的監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

ZigBee；監(jiān)控系統(tǒng)；土壤溫度檢測

土壤溫度對于北方冬季溫床育苗的出苗率是最重要的因素，準(zhǔn)確控制土壤的溫度才能夠更好地提供幼苗生長周期所需的溫度。傳統(tǒng)的的溫室育苗是以多個溫室組成的溫室群，都是人工看守調(diào)節(jié)溫度，因此，迫切需要一種科學(xué)的方法來解決溫室群的調(diào)控問題。本系統(tǒng)是基于熱門的物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的育苗溫床土壤溫度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)整個檢測、控制過程實現(xiàn)了對溫室土壤溫度的監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在單獨(dú)的溫室中，土壤溫度監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議使用的是ZigBee協(xié)議，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)分為星形、簇樹形與網(wǎng)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星形的結(jié)構(gòu)簡單，它有一個中心節(jié)點，所有的消息都經(jīng)由它來傳輸。本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一個中心點下設(shè)N個節(jié)點的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。每個節(jié)點連接數(shù)字溫度傳感器，用來采集實時土壤溫度數(shù)據(jù)，節(jié)點把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee的協(xié)調(diào)器上，在通過串口RS232協(xié)議傳到本溫室的PC機(jī)上，把數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并給予相應(yīng)的分析處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 終端節(jié)點設(shè)計

當(dāng)采集溫度時，單片機(jī)線對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，做好傳輸準(zhǔn)備，傳感器采集土壤溫度數(shù)據(jù)后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)把儲存并處理過的數(shù)據(jù)通過CC2530的通信模塊與協(xié)調(diào)器進(jìn)行無線通信，當(dāng)傳輸完畢后，控制器進(jìn)入睡眠模式，可以延長電池的壽命。

土壤溫度傳感器采用的是美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器,它測量溫度范圍在-55℃～125℃，精度在±0.5℃，電壓范圍在3.0～5.5 V，可由數(shù)據(jù)線供電。它是單線接口方式，可以用一條信號線與單片機(jī)相連就可以實現(xiàn)處理器與本身的雙向通信。因為ROM中有在出廠時就設(shè)定的64位序列號，每個序列號都是唯一的，所以可實現(xiàn)一個單片機(jī)帶多個DS18B20，極大地減少了I/O的占用。結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖2 溫度采集終端節(jié)點設(shè)計框圖Fig.2 Temperature acquisition terminal node design block diagram

2.2 中心節(jié)點設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中心是協(xié)調(diào)器，它通過RS232串口通信將接收到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，同時傳達(dá)上位機(jī)所下達(dá)的指令，它的運(yùn)行直接決定了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。協(xié)調(diào)器采用CC2530F256芯片，它是IT公司新一代產(chǎn)品，比上一代CC2430F128系列Flash增大一倍，有標(biāo)準(zhǔn)8051增強(qiáng)型處理器，內(nèi)置射頻前段CC2520，增強(qiáng)了RF模塊的無線收發(fā)能力［1］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 節(jié)點軟件設(shè)計

本系統(tǒng)通過對硬件部分的軟件編程來實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立。協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的消息中心，它承擔(dān)著發(fā)送建立網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點、收發(fā)信息的重任。

中心節(jié)點通電后，先是硬件與ZigBee協(xié)議棧的初始化，選擇空閑信道建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有節(jié)點請求加入時，給予同意并分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，等待采集數(shù)據(jù)命令，然后將所有數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到PC機(jī)上［2］。

終端節(jié)點被初始化后，開始搜索指定網(wǎng)絡(luò)信道的協(xié)調(diào)器，并發(fā)出組網(wǎng)請求。成功加入后，進(jìn)入省電模式，當(dāng)有發(fā)送請求時，進(jìn)行接收與發(fā)送請求，發(fā)送完成后再次進(jìn)入省電模式，等待下一次請求的到來。中心節(jié)點與終端節(jié)點組網(wǎng)通信流程如圖3。

圖3 中心節(jié)點與終端節(jié)點組網(wǎng)通信流程Fig.3 Center node and end node network communication process

3.2 軟件測試

本系統(tǒng)軟件使用LABVIEW開發(fā)，主要由界面、數(shù)據(jù)儲存與串口通信3部分組成。用戶可以通過軟件看到各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點檢測的土壤溫度實時數(shù)值和歷史數(shù)值曲線圖，并能自行設(shè)定溫度的報警閾值。因為協(xié)調(diào)器是通過RS232口與PC機(jī)相連接，從而達(dá)到收發(fā)數(shù)據(jù)與命令的功能，測試時采用COM6串口通信，波特率為9600 b/s，結(jié)果證明各節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)正常。測試結(jié)果如圖4。

圖4 監(jiān)控界面Fig.4 Monitoring interface

4 結(jié)語

隨著農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化、規(guī)模化的迅速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)才是其重要的推動力。無線土壤溫度監(jiān)控系統(tǒng)能夠更實時、準(zhǔn)確的顯示育苗溫床的溫度，讓監(jiān)控者更好地了解農(nóng)作物的生長環(huán)境，從而更實時有效的控制農(nóng)作物生長周期中土壤溫度的變化，有利于其更快更好地成長。

［1］張猛，房俊龍.于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(1)：127-128.

［2］衣翠平.于Zigbee技術(shù)的CC2530糧庫溫濕度檢測系統(tǒng)研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報，2011，34(4)：54-55.

［3］陳樹成，楊志勇.于MSP430和CC2530的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2014，22(5)：168-171.

Research on the Soil Temperature Control System in Greenhouse Based on ZigBee Technique

MAWei1,WANGHong-kai2,WANGXiu-mei3
(1.Changchun Institute of Technology,Chang Chun 130012,China；
2.Jilin Electric Power Co.Ltd.,SGCC,Chang Chun 130012，China；
3.Yalongjiangcompany Ertan hydroelectric power station，Chengdu 610000,China)

In order to improve the real-time performance and accuracy ofgreenhouse culture,a soil temperature control system based on ZigBee wireless network is introduced in this paper.The system can monitor the greenhouse situation and collecting data by temperature sensor and cc2530 chip,it realize the greenhouse soil temperature monitor and control.

ZigBee;Monitoringsystem;Soil temperature monitor

S625.5

B

1674-8646（2015）09-0012-02

2015-08-14

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目（2014333）

馬薇（1982-），女，吉林長春人，實驗師，從事軟件工程研究。