基于Zigbee無線傳感器網絡的溫室栽培溫濕度監測系統設計

劉環

摘 要： 在溫室栽培中，溫度是作物培育的重要參數，但是采用一般的辦法并不能完成實際需求任務。針對這一問題，提出一種以Zigbee為基礎、無線網絡為媒介的溫室栽培溫度監測系統。使用Zigbee協議棧搭建網狀拓撲的無線網，網絡終端為插在土壤中的傳感器節點，采集土壤的溫濕度數據，利用無線網絡，數據發送到網關后并上傳到控制端，再由控制端的監控系統對數據進行相關的再處理。通過簡單操作，節點可以快速、靈活地組成無線傳感器網絡，整個網絡性能穩定，可靠性強。開發的Zigbee無線傳感器網絡不僅可以在溫室中應用，還可以將其作為一個后期繼續研究的開放平臺。

關鍵詞： Zigbee；狀態監測；無線傳感器網絡

Abstract：In greenhouse cultivation temperature is an important parameter of crop cultivation but the general method can not fulfill the actual required task. Aiming at this problem a kind of greenhouse cultivation temperature monitoring system based on Zigbee and wireless network is proposed. Zigbee protocol stack is used to build mesh topology of wireless networks network terminal is the sensor node inserted in a soil which could collect soil temperature and humidity data；using the wireless network after the data sent to the gateway and uploaded to the control side the data is related to processing again by the control of the monitoring system. Through simple operation the node can quickly and flexibly set up the wireless sensor network. The whole network performance is stable the reliability is good. The developed Zigbee wireless sensor network not only can be used in the greenhouse but also can be used as an open platform for further research.

Key words： Zigbee；condition monitoring；wireless sensor network

引言

溫室栽培是現代農業的主要內容之一，也是作物培養和農業研究的必要手段。重點是基于溫室環境和各種調控方為作物提供最適宜的生長條件，擺脫季節和環境的制約，實現農產品的全年供給[1]。而在當前國內的基礎運營中卻已發現農業生產過程現代化程度較低、缺少溫室支持的相關技術等問題。針對這一現狀，就需要對溫室環境融入更多的自動化調控，為農業生產中的作物生長這一環節創造智能有利的技術支持。然而，由于人工培育主要依托經驗而難以臻至精確，無法將土壤溫濕度實時控制在適宜范圍內。因此，研究經濟實用而設計合理的溫室土壤監測系統則尤顯得必要與重要。

1 以Zigbee為基礎的無線傳感器網絡

無線傳感器網絡由區域傳感節點、外部網絡和用戶控制監測端組成，研究可得設計結構如圖1所示。節點之間可以自行組成無線網絡架構，并通過傳感節點信號收集目標信號，收集范圍可以覆蓋全部網絡區域。收集結束后，可將數據發送到用戶控制端[2] 。

作為一種應用簡單、面向控制的行業專用標準，Zigbee 具有組網方式多、網絡容量大、協議簡單、可靠性高、成本低等優勢。Zigbee是建立在IEEE 802.15.4標準之上的一種組網技術，其中包括的物理層、MAC層和數據鏈路層均直接使用IEEE 802.15.4標準，但在此基礎上進行了擴充和完善[3]。Zigbee協議的開發基于IEEE802.15.3無線標準，該標準在無線數據傳輸方面集成有先進的抗擾性與抗毀性，同時省去了檢測環境中布線的麻煩，節點自組織特性使無線網絡的管理更趨便捷、高效。因此，本系統采用了ZigBee技術的無線傳感器網絡來實現區域內有關溫室栽培的數據處理。

2 無線溫濕度傳感器網絡搭建

本系統通過對溫室栽培的溫度、濕度等相關數據進行收集和監控，并將收集的數據利用無線傳感器網絡發送到用戶監控端，數據在用戶監控端將會設計得到指定的任務處理。研究內容可解析論述如下。

2.1 Zigbee核心模塊方案設計與選擇

Zigbee通信節點的核心是射頻模塊和控制器模塊。目前，Zigbee核心模塊的解決方案有組合式和單芯片式兩種。具體功能分析可見如下。

（1） 組合式方案。Zigbee通信節點組合式方案結構圖如圖2所示。微處理器為主器件，RF收發器為從器件。微處理器包含特定的應用邏輯，能夠用于IEEE 802.15.4 MAC層和Zigbee協議層的研發。時下，吸引更多關注的就是CHIPCON公司的CC2420+PIC系列單片機和FREESCALE公司的MC13192+MSP430系列單片機。

（2）單芯片方案。單芯片設計集成了射頻和微控制器，使得Zigbee的組建更加簡便，具有代表性的芯片就是TI的CC2430[4]。

對比2種解決方案可以看出，組合式方案優勢在于系統各個部分相對獨立，一旦出現問題不會對其它部分產生影響，可以根據客戶要求和市場情況靈活選擇其中的各部件更換；但是由于組合式方案部件較多，設計、裝配和調試比較復雜，相互間還會帶來匹配和干擾問題，無法有效滿足系統小型化的要求。單芯片方案的芯片選擇受制于市場供應，整個系統完全與特定芯片相對應，導致芯片型號無法更換；但是單芯片方案外圍電路設計簡潔、研發周期短，因而整體優勢明顯。綜上所述，結合本文設計要求，單芯片方案更適用于本系統，故采用CC2430單芯片解決方案。這里，將給出其硬件結構如圖3所示。

圖3中，CC2430芯片的MCU內核為8位，現已在各類采用Zigbee技術的無線網絡中發揮著無法替代的重要作用。

CC2430內嵌了 12位模數轉換ADC，并配置有21個可編程的 I/O管腳。本系統中，協調器使用一個 UART部件端口與用戶控制端通信；終端設備由數字輸入、輸出接口、數據收集、數據發送和射頻模塊管腳組成。

2.2 溫度和濕度傳感器方案的選擇

溫濕度傳感器的設計方案均可分為溫度傳感器和濕度傳感器兩種。考慮到模擬傳感器還需要單獨設置模數轉換模塊，具有電能消耗大等缺點，而分體傳感器會使終端的數據讀取過程趨于復雜，因此根據溫室作物栽培的實際要求，擬采用溫濕度一體的數字傳感器[5]。研究中綜合衡定了測量范圍、測量精度、時漂和溫漂及投入成本等情況后，最終選定了DHT11溫濕度一體數字傳感器。

DHT11數字溫濕度傳感器由電阻式感濕元件和NTC測溫元件組成，傳感器內部已包含校準系數，校準系數保存在OTP存儲器中，這些校準系數可以在系統監測和數據處理中進行實時調用[5]。研究中將涉及的性能指標說明可詳見表1。

由表1可知，DHT11能夠滿足溫室作物栽培的要求。本系統采用單總線通訊方式，并設計了實際的連接電路，如圖4所示。

3 基于Z-Stack的無線通訊設計

Z-Stack采用任務激活機制，系統初始化時處于暫停狀態，當有任務觸發時，系統就進入中斷事件處理模式，任務完成后又進入暫停狀態 [6]。對本系統而言，在相同的協議棧下，系統啟動、驅動初始化并無區別，區別在于進入任務輪循之后，不同的節點對應不同的任務。

3.1 傳感器節點設計

傳感器節點可以根據系統的設定任務來對溫室環境中的數據進行定時收集、上傳和處理，在完成任務后傳感器節點自動轉為低功耗模式 [7]。首先，傳感器節點開啟初始化，而后將陸續逐項展開執行協議棧、加入網絡、建立通信連接表等系統任務。系統應用層在加入網絡后，睡眠定時器就會運行保持在低功耗模式中。在低功耗模式下，傳感器節點雖然處于電路關閉狀態，但是仍能收取無線數據，并可以對無線數據進行處理[8]。當接到收集命令時，傳感器即進入收集工作模式。在收集工作模式中就根據睡眠定時器是否溢出，來判斷決定是否中斷收集的過程。同時，還要分析檢測環境參數閾值，并根據閾值狀態來辨識掌控是否執行相應處理任務 [9]。傳感器節點的工作流程如圖5所示。

基于Zigbee協議，保證每個傳感器節點都配設安裝著一個微型操作系統，則溫濕度數據采集、發送等動作均能夠在系統中自動運行。

3.2 網關節點設計

網關節點設計流程如圖6所示。初始化進程過后，開始組建無線網絡。當網關節點收到信息時，會分析數據內容并做出不同動作[10]。當收到沒有標明地址信息的時候，系統網關節點會把這個地址信息發送到地址表中，而且還會轉發給用戶控制端。當收到溫度和濕度數據時，網關節點在發給用戶控制端后，用戶控制端就會運行處理數據的具體內容。同時，可根據實際的監測需求，將網絡地址與傳感器的數據信息生成一一對應，并在上位機（用戶監控端）界面發布提供信息的實時顯示。

3.3 路由節點設計

路由器節點程序工作流程如圖7所示，路由器節點工作流程與網關節點工作流程非常相似。路由器節點在初始化后就加入網關節點的網絡中，并且發送信息通知鄰近的傳感器節點需要啟動查找、加入和系統綁定的設定功能環節。

4 系統實驗結果與分析

本系統旨在實現溫室栽培溫濕度參數的實時采集和監控。將傳感器節點、網關節點和路由節點按需求分別布置在相應位置，各節點上電，并進行系統調試，調試完成后，傳感器節點加入無線網絡，每10 min向上位機發送溫度、濕度和節點電壓數據。

在系統區域內的傳感器節點收集到的數據后，數據經過無線網絡、RS232串口與用戶控制端通信。系統在與區域內檢測點建立連接和收集數據后，系統開始對數據進行處理，數據處理過程會實時顯示在系統界面上，并且為了保證數據的實時性，會定時刷新數據處理的界面。運行界面如圖8所示。本系統的數據處理界面刷新頻率為10 min/次，從界面上顯示的數據能夠直接分析溫室中的環境情況，實現了對溫室環境的監測。

將數據采集時間定為5 s，經過100次傳輸，接收到數據98次，（傳輸失敗是組網成功時間偏短，未處理數據）接收率98%，有2次數據錯誤（空數據或亂碼），總傳輸成功率為96%，可以滿足系統的要求。從結果可以看出，本系統能夠達到無線測量溫濕度的目的；能夠根據短地址分辨不同的傳感器節點，且網形拓撲結構中能夠部署大量節點，故可以同時測量多個測點的溫濕度結果。測量結果有輕微波動及誤差，可在上位機通過軟件進行結果補償。

5 結束語

本系統以Zigbee模塊為基礎，采用一體化溫濕度傳感器作為系統的傳感器節點的硬件構成，同時由路由節點、網關節點等組成區域范圍的無線網絡。在此基礎上與用戶控制端進行通信，實現區域內數據的發送、處理、監控、事件響應等任務，有效解決了溫室環境監測的需求。本文對系統的整體結構設計、系統硬件架構設計與搭建、系統程序流程的設計方法，都給出了全面的分析與論述。此外，本系統的用戶控制端監測部分還具有擴展性，可以根據溫室栽培的具體要求在數據采集模塊上進行相應傳感器的擴充，增加特定的參數監測功能。本系統具有搭建環境靈活、低功耗、成本低、自動化程度高等特點，因此在各類操作場景中取得了良好的應用效果。

參考文獻

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