智能遠程溫室監控系統設計

孔曉紅等

摘要：設計了一種基于無線傳感器網絡的智能溫室監控系統，該系統硬件由CC2530作為控制模塊，實現數據無線傳輸，并帶有現場顯示和上位機遠程監控功能。網絡擴展方便，具有節點自組網功能，系統運行中能夠動態監測網絡信息，實現智能控制，達到綠色節能。基于ZigBee協議設計用戶應用程序，采用VB語言編寫監控系統的上位機界面，使用戶快捷方便地監測被控對象并調整控制參數。應用于溫室控制，能夠極大地提高自動化和信息化水平，改善溫室監控系統的可靠性以及實時性。

關鍵詞：無線傳感器網絡；溫室；上位機；監控

中圖分類號：S625.2；TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）17-4294-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.049

傳統的自動監控系統多采用有線方式，數據采集后經過處理由固定線路上傳，這種方式不便于系統組建，要求固定電源和網絡。近年來隨著無線通信技術的發展，無線傳感器網絡解決了上述矛盾，ZigBee無線傳感器網絡具有省電、可靠、網絡容量大、安全、工作頻段靈活等優點[1，2]。該網絡能夠極大地提高監控系統的實時性，降低管理成本，而且系統容易組建，便于擴展，尤其適用于無人區或人工不便監控的領域[3-5]。

本設計采用基于ZigBee協議的網絡結構，系統由終端設備、路由器、協調器三部分組成。終端設備是帶有傳感器的采集節點，把采集到的數據信息以特定的數據格式打包后，經過路由器，通過無線的方式發送到指定的接收裝置——協調器。協調器將各種監控信息傳送到上位機，然后在上位機中對信息進行統計、分析、顯示等，達到對被控對象實時監控的目的，同時能節省大量成本，其網絡組建、擴充方便。

1 系統軟硬件設計

系統采用TI公司生產的CC2530芯片構建無線網絡節點，節點具有信息采集、數據處理、自組網無線通信等功能，采集到的數據信息通過無線方式發送到指定的協調器。協調器接收到數據信息后，校驗有效的數據格式、有效信息通過串口傳送到上位機。本設計基于VB設計界面以便了解當前監控對象狀況。系統硬件主要由CC2530無線模塊、液晶顯示電路和串口轉換電路組成。

1.1 串口轉換電路

串口轉換電路如圖1所示，可將USB 接口轉換為UART串口，該電路采用FT232實現轉換功能，協調器通過串口與上位機進行通信。

1.2 顯示電路

顯示電路采用的是LCD12864點陣液晶顯示模塊，電路如圖2所示，為了節省主控芯片I/O口， 采用了74HC595移位寄存器，可以將串行輸入的數據轉換為8位并行輸出的數據。

1.3 無線傳感節點

傳感器節點電路如圖3所示，由CC2530主控芯片、射頻天線RF、晶振電路、復位電路和工作指示電路等組成。由于數據無線發送中對晶振的穩定性有較高的要求，所以CC2530外接了32 MHz和32.768 kHz兩種頻率的晶振電路，電路的兩個LED分別指示入網狀態和數據傳輸狀態。

2 系統的軟件設計

本設計基于Z-STACK協議棧實現應用，該協議棧的OSAL是一個循環查詢式的操作系統，采用任務管理機制，在系統中優先級較高任務總是先執行，優先級高的任務中的事件都具有最高的執行權限，保證高優先級任務的所有觸發事件得到及時的處理[6-8]。為了實現本設計功能，在應用層編寫相關代碼，配置相關的端口、短地址，注冊相應的事件，根據需要在應用層設計任務事件處理函數。

2.1 協調器節點程序

協調器不僅是網絡的創建者，而且是采集節點數據傳輸、處理中心，協調器工作流程如圖4所示，首先創建網絡，再判斷網絡創建是否成功。網絡創建成功后如果有節點申請加入，則批準。然后判斷有沒有接收到數據信息并調用數據處理函數，對數據的有效性進行驗證，并從接收的信息中按照特定的數據格式還原出數據。另一個任務就是將接收的數據信息在LCD12864顯示并且還要通過串口傳給上位機。

2.2 采集節點程序

無線傳感器采集節點按照一定的規律分布在監測環境中，工作流程圖如圖5所示，節點首先是搜索網絡、發現網絡，發起入網請求并獲得入網的許可之后，就調用數據采集發送函數，該函數可以實現周期性的采集發送、定義數據格式，在接收端必須按照相應的規則才能解析出信息。此外，傳感器網絡采集節點還具有檢測協調器節點是否在線的功能，當協調器節點因故障不能工作，傳感器節點將停止周期性的采集發送，這樣減小了不必要的電量消耗。

2.3 路由節點程序

路由節點主要功能是實現消息的中轉作用，解決數據傳輸距離問題。路由節點的工作流程如圖6所示，和采集節點的流程類似，剛開始搜索網絡，搜索到網絡后發送入網請求，加入網絡。采集節點有路由請求時，路由節點自動根據鄰接表的信息選擇路徑最短（跳數最少）的路由到目標地址。

2.4 上位機界面設計

上位機的顯示界面如圖7所示，顯示環境溫度參數，其他參數同樣。上位機界面采用VB語言開發，通過串口接收協調器節點的消息，解析出有效信息和用來區分不同設備的地址信息（IEEE地址），在上位機上用直觀的折線圖形式反映出監控參數的變化情況。另外還可以將節點采集信息保存在txt文本文件中，記錄數據包含當前的時間、節點地址信息、數據信息以及變化趨勢等。此外系統還可以設置上限的數據和下限的數據，當溫度超過或低于設定的域值，折線圖會用醒目的顏色告知用戶，在記錄txt文本中也同樣會記錄該溫度變化趨勢的相應提醒。

3 小結

本設計基于CC2530芯片設計無線傳感網絡溫室監控系統，該芯片支持TI公司推出的ZigBee2007協議，在組網方面具有更優越的性能和更高的穩定性，數據具有更好的可靠性和實時性。通過串口，檢測信息傳送到用戶的監控電腦中。用戶界面操作簡單、直觀，用戶可以從上位機方便查看被監測信息，該系統具有較好的實用價值。

參考文獻：

[1] 金海紅.基于Zigbee的無線傳感器網絡節點的設計及其通信的研究[J].合肥工業大學學報，2007，6（5）36-40.

[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.

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