基于無線Mesh網絡的智慧農業大棚監控系統

摘 要： 針對目前農業大棚生產的實際情況，提出一種基于無線Mesh網絡智慧農業大棚控制系統。系統采用TI公司的CC2530芯片作為無線ZigBee節點，組成無線Mesh網絡，該網絡具有自組網、信息監聽、等待、低功耗、多節點、數據透傳、自找空閑透傳路徑等特點。系統使用多組低壓繼電器控制大棚的通風窗、遮光簾、保溫簾、滴灌、補光器。控制系統可以進行算法設計，參數設計及手動和自動切換。系統通過人機界面設置的參數，算法及各種狀態，主控器將其儲存在自身的E2PROM中。主控制器通過數據比較與算法計算，通過無線網絡透傳給路由器，控制通風窗、遮光簾、保溫簾、滴灌、補光器，實現農業大棚現代化的數字化管理功能。

關鍵詞： ZigBee； Mesh網絡； 數字化大棚； 環境量傳感器； 工業觸摸屏

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）16?0071?04

Abstract：Aiming at the actual situation of agricultural greenhouse production， a kind of intelligent agricultural greenhouse control system based on wireless Mesh network is proposed in this paper. CC2530 chip of TI company is adopted in the system as the ZigBee wireless node to form the wireless mesh network. The network has the characteristics of self?organized network， information monitoring， waiting， low?power consumption， multi?node， data transmission and asking for leisure transmission path. The multiple sets of low?voltage relays are used to control ventilation window， curtain， blanket， drop irrigation， fill?in light of greenhouse. The control system can carry on the algorithm design， parameter design and manual and automatic switch. The parameters， algorithm and various state set through man?machine interface are stored in the E2PROM of the system by the main controller， and are sent to the router through a wireless network according to data comparison and arithmetic calculation to control the ventilation window， shade curtain， heat preservation curtain， drip irrigation and fill?in light， so as to realize the deigital management function of agricultural greenhouse modernization.

Keywords： ZigBee； Mesh network； digital greenhouse； environmental quantity sensor； industrial touch screen

0 引 言

菜農因其簡陋的大棚設施，必須每天花足夠多的時間給農作物通風、灌溉、施肥、導致收入利潤低下。因此設計安全、可靠、科學的數字化農業大棚很有必要。隨著現代無線傳感器網絡技術的發展，將無線Mesh網絡技術，自動控制技術、傳感器技術與農業生產實際相結合，將大大地提升農業生產的效率與質量。本文將信息技術與當前農業有機的結合，更好地解決農業生產中的一些實際問題[1?2]。

1 系統總體設計方案

系統采用工業觸摸屏作為人機界面，顯示各環境量、各執行器的開關狀態以及系統的設置參數和算法。工業觸摸屏通過Modbus協議與控制器單片機通信。ZigBee的各個節點控制器采集土壤溫濕度、室內溫濕度、室內光照、室外光照、室內CO2和室外CO2等環境量通過無線Mesh網絡進行透傳。進行算法計算和設定值比較，輸出執行器的輸出值給路由器，通過路由器的控制器控制各執行器的狀態。

當系統與網絡處于異常時，還可以通過手動方式切除控制系統的控制，通過手動的人工方式處理各執行器的狀態。系統結構圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

本系統的硬件電路較多，而且很多電路涉及無線射頻電路，因此硬件的穩定和抗干擾等性能是本系統設計的一大難題。由于系統電路比較復雜，而且許多元器件的成本都比較高，采用模塊化組裝的形式，構建系統的硬件電路，方便將來不會因某個模塊損壞就廢棄，只需更換該模塊即可。硬件電路中很多元器件都是貼片封裝，因此系統的所有電路都采用PCB制版，方便焊接和將來的大規模生產。

2.1 電源電路設計

穩定的電源電路是系統正常工作的基礎。本系統的電源主要有三種：觸摸屏電源24 V，ZigBee，MSP430，STC15W4K48S4單片機與若干傳感器電源3～3.3 V；繼電器電源5 V。系統采用開關電源給系統提供DC 24 V和5 V電壓。開關電源的輸入為AC 220 V，通過變壓器降壓，二極管組成整流橋進行整流，并聯多種阻值的電容濾波，最后使用穩壓芯片生成相應的電壓如圖2所示。

環境量采集節點的電源由兩節干電池直接供電，供電電壓為3 V，因此沒有再穩壓，只是在MSP430和ZigBee的電源輸入端添加兩個電容，輔助提供模塊發射瞬間的瞬變電流的作用。

2.2 ZigBee模塊電路設計

ZigBee模塊主要由CC2530和CC2591兩個芯片構成。模塊引出了CC2530芯片的所有I/O口。該模塊設計成串口透傳形式，其與下位機通信采用Modbus協議。當要發送數據時，只需要喚醒ZigBee，發送目的地址加數據即可。ZigBee電路在原理上與TI公司給的一樣，但是需要注意在PCB板布局上，電容應該盡量靠近芯片引腳，而且通信走線盡量短且粗。復位線盡量不與其他走線并行，周圍盡量設計為地平面以起到屏蔽效果，復位線盡量短，全長盡量不超過50 mm，復位線上掛接元器件應盡量少，避免額外的干擾[3]。

2.3 環境量傳感器采集電路設計

本系統的傳感器大都是數字信號傳感器，采用的通信格式為Modbus和I2C，所設計的線路和處理上要滿足該通信格式的要求。串口和I2C通信所引出的線都不宜太長，而且都要求通信電纜要有外屏蔽線，防止外部環境對信號的干擾。

BH1750FVI是一種用于I2C通信的光照強度數字集成芯片。本模塊的ADDR引腳接地，采取高分率測量模式。I2C的兩個引腳都加一個10 kΩ的上拉電阻，加大引腳的驅動能力。電源端加一個104的獨石電容，為芯片濾波[4?5]如圖3所示。

空氣溫濕度傳感器選用SHT10芯片，為了數據的穩定性傳輸，需要在電源與地端接100 nF的電容，數據端接10 kΩ的上拉電阻。導線需要用有屏蔽干擾功能的電纜。

CO2模塊采用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中的CO2進行探測，該模塊為串口通信。電路原理圖較為簡單，該模塊有四個引腳，其中兩個串口引腳RX與TX端交叉連接到MSP430的串口1（P36與P37）。在PCB布局連線時，盡量讓連線短，有助于系統的穩定性。

3 系統軟件與測試

3.1 工業觸摸屏軟件設計

SuKon觸摸屏采用的編程軟件是HMI（Human Machine Interface），通過Modbus協議、CAN總線協議與控制器進行數據和控制信號的交互。

MSP430首先對自身進行初始化，選擇頻率輸入方式、定時器初始化、串口初始化，其次對ZigBee進行初始化，各個傳感器初始化。當定時器的時間溢出時，退出低功耗模式，便開始采集傳感器數據，喚醒ZigBee的終端設備，通過串口將數據透傳給終端設備。最后和終端設備一起進入低功耗模式，等待定時器的再次溢出[7]。

3.2 ZigBee軟件設計

ZigBee聯盟為ZigBee協議棧2007定義了2個規范：ZigBee與ZigBee PRO。ZigBee設備只要遵循該規范即可[8?9]。用戶如果改變規范，形成自己特定的網絡，那么ID號為0。該協議的規范ID（STACK_PROFILE_ID）在nwk_globals.h頭文件中有定義。

ZigBee設備的地址在整個協議棧開發中是很重要的，為保證設備地址的惟一性，協議棧通過分布式尋址分配網絡地址。

R=1，Cskip（d）=1+C*（L-d-1）；

R≠1，Cskip（d）=（1+C-R-C*R^（L-d-1））/（1-R）；

父設備的第n個子路由設備的短地址分配為：

n=1，Achild=Aparen+（n-1）*Cskip（d）+1；

n>1，Achild=Aparen+（n-1）*Cskip（d）；

父設備的第n個子終端設備的短地址分配為：

Achild=Aparen+R*Cskip（d）+n；

用戶在做具體的項目開發時，只能通過調用API接口進行設計，無法知道ZigBee協議棧實現的具體細節。ZigBee的協議棧由main（）函數開始執行，而該函數只做兩件事情：系統初始化；執行輪轉查詢式操作系統。其中系統初始化如圖4所示。

協議棧的每一層設計了事件處理函數，處理當層相關的事件，這些事件處理函數其實就是協議棧每一層相對應的任務。通過調度協議棧的任務進行處理，那么協議棧便會以時間為順序，有條不紊的運行程序[10?11]。

3.3 系統測試

設計完系統的硬件原理圖后，便開始PCB制版與焊接，主控制板的硬件實物如圖5所示，板子的面積為9.7 cm×9.7 cm，板子的最大高度為2 cm，板子引出了單片機另外三個串口，方便未來擴展。所有多余的I/O口都用接線端子引出，ZigBee模塊另接一個50 Ω的天線。板子里有兩個貼片的LED：一個為電源指示燈，另一個為ZigBee組網狀態指示燈。板子四腳留有過孔，方便安裝與固定。

節點采集板如圖6所示，底板面積為6 cm×7 cm，高度2 cm。由于底板不留MSP430的仿真下載口，所以MSP430另作小板，下完程序再插接上。底板留出了四組傳感器接口和16個I/O口，四角留有過孔。留有一個跳帽和LED，LED可以觀察到終端設備是否連接上網絡，當不需要LED指示組網情況時，可拔掉跳帽，節省功耗。PCB引腳連線的線寬都為0.5 cm，底板Top Layer大面積鋪地，增加了系統的抗干擾能力。

系統的采集節點每一分鐘采集一次數據，將數據發送給路由器，路由器再轉發給協調器。其余時間，采集板上的ZigBee，MSP430和傳感器都進入休眠狀態。路由器、繼電器板、主控制器與觸摸屏長時間處于供電工作狀態。主控制器將節點采集的數據上傳給觸摸屏，并通過手動切換控制繼電器，所有一切設備都能正常工作，如圖7所示。

3.3.1 系統穩定性測試

測試設備：30個環境量采集板，每個板掛接2個溫濕度傳感器、1個光照傳感器；5個繼電器板；1個主控制器和1個觸摸屏。

測試分布：隨機分布在1.5 km的范圍內。

測試結果：所有設備都正常工作，30個溫濕度傳感器同一時刻采集的溫度最大值與最小值的差為0.5 ℃；濕度最大值與最小值的差為1%RH；30個光照傳感器采集的最大值與最小值差為4 lux。

3.3.2 采集板功耗測試

本系統的關鍵是在采集板用普通兩節1號干電池供電工作半年以上。普通的一號干電池含電量為2 500 mA·h，但電池會有自放電現象，假設干電池在半年的時間里自放電達自身電量的30%，那么可用電量為1 750 mA·h。終端設備每分鐘工作時間為1 s，休眠狀態電流為20 μA，工作狀態電流為20 mA。平均電流為353 μA，工作半年需要1 524 mA·h。因此兩節普通1號干電池供電可達半年以上。

3.3.3 系統性能評估

本系統經過多天的測試，性能如下：組成的網絡，系統沒出現過調網現象。每個節點在空曠場地的非視距傳播距離為1.3 km。終端設備進入休眠，在3 V供電的電流為20 μA。終端設備在喚醒后工作電流（3 V供電）為20 mA（包括三個傳感器）。系統的無線數據丟失率低于0.01%。

4 結 語

本文以ZigBee，MSP430，STC15W4K48S4為控制核心，配套相關傳感器，并設計制作了人機界面。本系統將無線傳感器網絡應用到農業生產中，對農業大棚的環境參數進行實時在線監測，同時通過無線網絡對相關的執行器進行控制，實現農業大棚生產的自動化、智能化，提高生產效率和質量，節省了人力。系統設計并制作了實物樣機，經過實驗和測試，系統工作穩定，性能良好，達到了實際應用的效果。

參考文獻

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