基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數無線監(jiān)測系統(tǒng)設計

魏興 祝詩平 黃華 賀園園

摘要：我國重慶地區(qū)煙草育苗大棚多建在偏遠山區(qū)農村，坐落在同一地點的多個大棚相對集中形成大棚群。為了對大棚群里每一個大棚的棚內空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質溫度以及水池溫度等環(huán)境參數實現(xiàn)實時監(jiān)測，設計一套基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機為主控制器完成信息的采集、處理和GPRS遠程無線傳輸，在KELL C51和IAR Embeded Workbench for MCS-51 7.51 A上編寫ZigBee無線自組網、信息數據的采集與處理、TCP網絡通信的C程序，并在LabVIEW 2010環(huán)境下編寫系統(tǒng)上位機人機界面。系統(tǒng)可實現(xiàn)對煙草育苗大棚環(huán)境參數的采集、處理和無線傳輸，同時系統(tǒng)的上位機人機界面上可顯示、存儲數據并發(fā)布數據到Internet網絡上。

關鍵詞：ZigBee；GPRS；煙草育苗；大棚群；環(huán)境參數；無線監(jiān)測；LabVIEW；數據庫

中圖分類號： TP212.6；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0414-04

收稿日期：2015-01-12

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務費專項（編號：XDJK2013C107）。

作者簡介：魏興（1989—），男，四川營山人，碩士研究生，主要從事智能檢測與控制研究。E-mail：429249022@qq.com。

通信作者：祝詩平（1969—），男，四川巴中人，博士，教授，博士生導師，主要從事智能檢測與控制研究。E-mail：zspswu@126.com。煙草育苗是煙草栽培過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，培育出健壯、無病、適期、適齡、形體大小適宜的煙苗，在整個煙草種植過程中起很關鍵的作用[1]。例如，育苗播種后，溫室內的溫度須保持在25 ℃左右，濕度應保持在50%，這樣的環(huán)境最適宜煙苗發(fā)育生長。因此，在煙苗生長過程中的管理至關重要，對育苗環(huán)境參數的監(jiān)測成了育苗過程中一項必不可少的工作。

隨著無線傳感器網絡技術的日益發(fā)展，近距離局域無線通信技術日趨成熟。ZigBee技術作為一種近距離、自組網、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，多用在區(qū)域內實現(xiàn)多點的信息采集[2-3]。ZigBee也通常與GPRS相結合，從而實現(xiàn)信息的多點采集與遠程無線傳輸，是采集點較集中而監(jiān)測中心很遠的情況下的最佳應用組合[4]。

我國重慶地區(qū)的煙草種植基地分散在各縣（市、區(qū)）山村，某一村戶建造管理多個煙草育苗大棚，這些數量不多且相對集中在同一地點的大棚形成了大棚群。對育苗大棚環(huán)境參數的測量采用傳統(tǒng)溫度計人工測量方式，費勞費時；后來也有采用基于GPRS技術進行遠程無線監(jiān)測，但是為了布線方便和節(jié)約成本，針對大棚群的多個大棚，往往只選其中1個大棚進行無線監(jiān)測，以此代表整個大棚群的情況。針對這一情況，本研究將ZigBee與GPRS網絡相結合，ZigBee網絡節(jié)點對所有煙草育苗大棚的環(huán)境參數進行采集，GPRS將ZigBee網絡采集的環(huán)境參數遠程發(fā)送至監(jiān)測中心，從而實現(xiàn)對整個煙草育苗大棚群里所有大棚的環(huán)境參數進行遠程無線監(jiān)測。

1基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數無線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計結構為了讓系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對煙草育苗大棚群環(huán)境參數的遠程無線監(jiān)測，監(jiān)測育苗大棚群里每一個育苗大棚的棚內空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質溫度以及水池溫度等環(huán)境參數，能夠給煙草育苗獲得更實時、準確的管理依據，給煙苗創(chuàng)造一個更適合茁壯成長的環(huán)境，對監(jiān)測系統(tǒng)實行模塊化方案設計，該系統(tǒng)結構如圖1所示。

該監(jiān)測系統(tǒng)主要由協(xié)調器主節(jié)點、信息采集終端子節(jié)點和上位機監(jiān)測中心三大模塊組成。信息采集終端子節(jié)點通過區(qū)域內的無線網絡將采集到的信息數據發(fā)送到協(xié)調主節(jié)點，再由GPRS無線數據傳輸模塊將數據發(fā)送至Internet網絡，從而與上位機監(jiān)測中心實現(xiàn)通信。

2基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計在基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分上，采用模塊化設計思想，須要對協(xié)調器主節(jié)點和信息采集的終端子節(jié)點進行設計。

為了保證各模塊能長時間穩(wěn)定工作，各模塊均采用易普EP-2不間斷電源供電。EP-2內置大容量高品質鋰離子電池可邊充電邊用，連續(xù)循環(huán)壽命達1 000次以上。精選進口電芯及IC，具備過充、過放、過流、短路及溫度保護，恒定電壓輸出，電流自適應，高達數十萬小時無故障時間，確保安全穩(wěn)定。使用該電源后，即使在長時間停電的情況下，也不會影響模塊的正常工作。

2.1協(xié)調器主節(jié)點硬件模塊化設計

主控單元單片機（MCU）、ZigBee模塊、GPRS模塊三部分共同組成監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調器主節(jié)點。在主節(jié)點模塊，協(xié)調器MCU匯聚來自無線傳感器網絡各子節(jié)點采集到的信息數據，主控單元使用串行外設接口與協(xié)調器模塊相互連接，將信息數據經GPRS遠程數據發(fā)送模塊發(fā)送至監(jiān)測中心。協(xié)調器主節(jié)點的硬件系統(tǒng)組成結構如圖2所示。

主控單元MCU選用STC12C5A60S2單片機，該單片機為單時鐘雙串口，工作電壓為3.3～5.5 V，以防電源抖動，含有60 kB可反復擦寫10萬次以上的Flash程序存儲器、1 280 B片內數據存儲器，其指令代碼與傳統(tǒng)的8051完全兼容，運行速度快，比普通的8051快8～12倍，而且具有能耗小、抗擾性能好的優(yōu)點。因此，根據模塊硬件設計要求，采用這款性能比較好的單片機作為主控單元的MCU。

協(xié)調器主節(jié)點與終端子節(jié)點的無線通信采用TI公司的CC2530無線單片機。CC2530含有8051MCU內核，擁有高速SPI串行通信端口，滿足國際IEEE802.15.4協(xié)議和Z-Stack協(xié)議棧，適應2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器[5]。此外，CC2530還具有不同的運行模式，各運行模式之間轉換時間短，使得其適應超低功耗要求的系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)低功耗無線通信，是一款真正的片上系統(tǒng)芯片（SOC）[6]。

主節(jié)點的GPRS模塊采用SIM900a數據傳輸模塊，內置完善的TCP/IP協(xié)議簇，通過串口通信與主控單元MCU進行通信[7]。模塊能夠將采集到的數據自動處理成IP數據包，通過GPRS空中接口接入到GPRS網絡，最后經網關、路由和Internet網絡到達上位機監(jiān)測中心，實現(xiàn)數據遠程無線傳輸[8]。

2.2終端子節(jié)點模塊設計

無線監(jiān)測系統(tǒng)終端子節(jié)點模塊由單片機系統(tǒng)、棚內空氣溫濕度檢測、棚內照度檢測、棚外溫度檢測、大棚基質溫度檢測以及大棚水池溫度檢測傳感器組成，硬件系統(tǒng)結構如圖3所示。

CC2530模塊實現(xiàn)局域內系統(tǒng)的網絡自行組建，并實時采集獲取傳感器的信息數據，將有效的數據經ZigBee無線網絡發(fā)送回協(xié)調器再進行后續(xù)處理。

大棚內空氣溫濕度檢測采用數字型傳感器DHT21，單線制串行接口，功耗非常小、響應迅速、抗擾性強，傳輸信號距離超過20 m，在90%～100%RH的高濕度環(huán)境中仍然能夠長期確保準確輸出，對于濕度比較高的環(huán)境非常適用。

棚內光照檢測選用數字傳感器GY-30光照模塊，其BH1750FVI芯片內置16 bit AD轉換器，數字信號輸出，檢測照度范圍為0～65 535 lx，模塊內部包含通信電平轉換標準IIC通信協(xié)議，采集到的信息數據由CC2530單片機通過IIC總線定時處理。

棚外溫度檢測、大棚基質溫度檢測以及大棚水池溫度檢測均采用防水型DS18b20數字溫度傳感器探頭。數字溫度傳感器的測量分辨率可通過程序來進行9～12位的設置，測量的溫度低至-55 ℃左右，高達125 ℃左右，在-10～85 ℃的溫度范圍之內測量精度的范圍為±0.5 ℃。傳感器采用單總線接口，與MCU通信只需要1條口線，其探頭的密封使用導熱性能好的膠體，以確保溫度延遲小、靈敏度高、抗擾性能好，對處于較差場合下進行檢測的系統(tǒng)非常適用。

3基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計3.1下位機軟件設計

系統(tǒng)下位機軟件設計主要包括無線傳感器網絡和GPRS無線數據傳輸兩大部分，以實現(xiàn)ZigBee在區(qū)域內自動組網和信息數據的無線傳輸。

3.1.1無線傳感器網絡系統(tǒng)的ZigBee無線傳感器網絡是基于IEEE802.15.4標準與ZigBee網絡協(xié)議而設計的無線數傳網絡[9]。嵌入由IAR Embedded Workbench for MCS.51開發(fā)的Z-Stack協(xié)議棧，能夠實現(xiàn)ZigBee的自動組網。

在ZigBee數據采集子節(jié)點中，單片機先初始化協(xié)議棧和各傳感器模塊后，再發(fā)出申請加入ZigBee協(xié)調器網絡的加入信號，成功加入區(qū)域內無線網絡后再啟用協(xié)議棧，讀取各個傳感器相應的信息數據并將信息數據發(fā)送到協(xié)調器。無線數據采集終端子節(jié)點的主程序流程如圖4所示。

在ZigBee無線網絡的各個節(jié)點中，協(xié)調器主節(jié)點中的協(xié)調器處于最上端的核心位置，負責整個網絡的組建以及協(xié)調調度各個子節(jié)點，其主程序先要對內外部設備進行初始化后，再進行程序的循環(huán)等待終端子節(jié)點加入網絡，然后再處理接收到的信息數據。協(xié)調器主程序流程如圖5所示。

3.1.2GPRS無線傳輸軟件設計協(xié)調器主節(jié)點中的主控單元與SIM900a無線數據傳輸模塊相互連接和通信是使用串口來實現(xiàn)的。SIM900a無線數傳模塊內置TCP/IP協(xié)議簇，鑒于系統(tǒng)數據采集地點與監(jiān)測中心無線數傳的實時性和可靠性要求都非常高，雙方要保持隨時連接，所以選用面向連接的TCP傳輸控制協(xié)議作為GPRS的傳輸協(xié)議，以保證數據傳輸的可靠和準確[10]。

主控制器單片機通過AT指令驅動SIM900a模塊登陸上網、建立TCP連接來進行數據的遠程無線傳輸。數據遠程無線傳輸主程序流程如圖6所示，需要調用的一些主要函數如下：

Send_AT_Command（uchar type， uchar *str_at， uchar *str_code）； //寫模塊AT指令

Init_SIM900a（char *ptr1_at，char *ptr1_code） ； //SIM900a模塊初始化

GPRS_Set（char *ptr1_at，char *ptr1_code，char *ptr_tel）； //建立TCP連接，域名方式

GPRS_Data_Trans （uchar *data_str）； //檢驗GPRS網絡連接并進行數據傳輸

GPRS_Send（char *ptr1_at，char *ptr1_code）； // TCP數據發(fā)送

strsearch（uchar *ptr2，uchar *ptr1）； //處理字符串，驗證應答

3.2上位機監(jiān)測中心軟件設計

為了能方便、直觀、快捷地了解育苗大棚的實時狀態(tài)，在LabVIEW 2010環(huán)境下編寫1個可視化監(jiān)測平臺來處理下位機系統(tǒng)發(fā)送回來的數據，包括實現(xiàn)對數據的實時顯示、存儲和Internet網絡發(fā)布，以便于管理人員隨時分析決策[11]。

在接收數據過程中，服務器端調用TCP偵聽函數對特定的端口進行偵聽，讀取終端發(fā)送回的數據，將數據顯示在界面

上并存入數據庫。開啟LabVIEW集成開發(fā)環(huán)境中的LabVIEW Web Server服務器，配置好需要遠程發(fā)布VI的Internet配置，打開VI前面板窗口，使用LabVIEW 自帶的“Web Publishing Tool”就可將配置好的的VI發(fā)布到網絡上去[12]。這樣，無論電腦下有沒有安裝LabWIEW，只須在Web瀏覽器地址按規(guī)定格式輸入URL，就可訪問到在服務器上運行的VI了[13]。上位機軟件流程如圖7所示。

4基于ZigBee煙草育苗大棚群環(huán)境參數無線監(jiān)測系統(tǒng)的測試在大棚群現(xiàn)場的4個大棚里各部署1個信息采集終端子節(jié)點，協(xié)調器主節(jié)點放置在大棚管理室內，并設定各終端子節(jié)點每5 min采集發(fā)送1次數據，對系統(tǒng)進行為期1周的測試，結果如下：

（1）監(jiān)測中心能夠監(jiān)測到大棚群環(huán)境參數情況，并存儲歷史數據，上位機無線監(jiān)測中心數據顯示如圖8所示，節(jié)點數據存儲如圖9所示。

（2）在7 d的測試中，系統(tǒng)的網絡丟包率平均為0.53%，說明系統(tǒng)傳輸部分運行正常。網絡丟包率數據統(tǒng)計如表1所示。

測試結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠將采集到的環(huán)境信息實時快速地傳回至監(jiān)測中心，達到預期的效果。

5結束語

煙草育苗是烤煙生產的一個非常重要的階段，煙苗生長的好壞直接關系到煙農當年的經濟收入水平的高低。對于煙草育苗階段煙苗生長環(huán)境的監(jiān)測與日常管理顯得特別重要。因此，本研究開發(fā)一套基于ZigBee技術與GPRS技術相結合的煙草育苗大棚群環(huán)境參數遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)，對大棚群里每一個大棚的棚內空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質溫度以及水池溫度等環(huán)境參數實現(xiàn)實時監(jiān)測。該系統(tǒng)利用ZigBee無線自組網模塊進行自組網，實現(xiàn)局域內信息實時采集，并利

用GPRS模塊通過GPRS網絡與服務器建立可靠穩(wěn)定的連接，將各個育苗棚的環(huán)境信息實時快速地傳至監(jiān)測中心。對于環(huán)境參數信息的監(jiān)測，在采集點相對集中而監(jiān)測中心較遠的情況下均可運用該系統(tǒng)。

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