1 引言
在溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度與濕度等環(huán)境參數(shù)直接影響到作物的生長(zhǎng)。因此，環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制是保證溫室生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的重要手段。而大部分的溫室監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC溫室控制和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)具有布線(xiàn)費(fèi)時(shí)、抗干擾性差和成本高的缺點(diǎn)，制約了其推廣應(yīng)用。再加上目前針對(duì)特定地區(qū)(如我國(guó)最北部地區(qū))氣候存在著溫度低、晝夜溫差大、光照強(qiáng)度大等條件研究較少，使得環(huán)境監(jiān)測(cè)的可靠性、穩(wěn)定性成為急需解決的問(wèn)題。
結(jié)合實(shí)地考察與測(cè)量，引入ZigBee數(shù)傳技術(shù)到溫室栽培中，建立溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以極大的節(jié)省勞動(dòng)力，再加上低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制，是信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的極佳選擇。
2 系統(tǒng)總體方案
為保證在監(jiān)測(cè)過(guò)程中數(shù)據(jù)穩(wěn)定，避免局部數(shù)據(jù)代表溫室數(shù)據(jù)，所以在每個(gè)溫室中將安裝多個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊節(jié)點(diǎn)采集2種環(huán)境參數(shù)。總體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖l 溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
每個(gè)溫室的不同地方都有ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)，作為移動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)具有采集環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送給路由的功能。且在每個(gè)溫室包括一個(gè)路由器，用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并識(shí)別和自組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
路由器將本溫室的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收后并發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，收集ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息，通過(guò)RS232接口把數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)。PC主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)并顯示，同時(shí)通過(guò)發(fā)送指令控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。(如果監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)距離太遠(yuǎn)時(shí)還可以考慮增加一個(gè)Router節(jié)點(diǎn)用于路由轉(zhuǎn)發(fā))。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器)和終端節(jié)點(diǎn)2部分。
3．1 ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)
模塊網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括CC2530模塊、電源模塊、串口模塊、USB接口、調(diào)試接口和3．3與5．0V電源轉(zhuǎn)換模塊。其中電源模塊通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換盒給節(jié)點(diǎn)提供3．3V工作電壓。采用的是可；即聯(lián)科技的JL13 ZigBee2530模塊，選取支持最新的ZigBee協(xié)議，移植Z-Stack協(xié)議棧較為方便的CC2530射頻芯片。該溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2所示。
圖2 ZigBee網(wǎng)關(guān)硬件
3．2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊
在終端傳感器節(jié)點(diǎn)中，除了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)原有模塊之外，只需在CC2530的I／0 增加一個(gè)傳感器。采用溫濕度傳感器SHT10。根據(jù)需要，終端傳感器節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測(cè)環(huán)境中，通過(guò)SHT10實(shí)時(shí)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的ZigBee數(shù)據(jù)采集，經(jīng)CC2530處理后由射頻芯片發(fā)送。電路如圖3所示。
圖3 SHT10連接
P1的2、3引腳對(duì)應(yīng)CC2530的13、12引腳。為了確保芯片和電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，采用BL8555低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，在1．2V～5．0V輸出電壓范圍內(nèi)給電路提供多種固定電壓。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由ZigBee網(wǎng)關(guān)軟件和終端節(jié)點(diǎn)軟件2部分組成。協(xié)議棧的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行。根據(jù)ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的功能、地位有所不同。ZigBee網(wǎng)關(guān)軟件和終端節(jié)點(diǎn)軟件這2部分都需要向其ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊移植ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)，尤其是與硬件底層密切相關(guān)的PHY層和MAC層的實(shí)現(xiàn)，它為上層通信應(yīng)用提供API接口函數(shù)。溫濕度采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)是基于Z-Stack協(xié)議棧的SampleApp實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，在協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)及通信。在節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)中，為了方便下載與調(diào)試，加入了ISP編程接口，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。
4．1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
ZigBee的通信方式主要有點(diǎn)播、組播和廣播3種。
在本設(shè)計(jì)中采用了周期定時(shí)廣播發(fā)送的方式。其主要負(fù)責(zé)將終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)，再由協(xié)調(diào)器通過(guò)RS232串口上傳到PC串口調(diào)試助手上。
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，根據(jù)自身的IEEE地址隨機(jī)確定一個(gè)PAN ID，并自動(dòng)形成網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)允許其他節(jié)點(diǎn)加入到該網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)給加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配一個(gè)16位短地址、配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行、接收路由器和終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，主要任務(wù)即是搭建ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。發(fā)送部分協(xié)調(diào)器在建立網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中，需要登記事件、定義任務(wù)ID、設(shè)置事件編號(hào)和設(shè)定發(fā)送周期。接收部分需要完成2個(gè)任務(wù)：讀取接收到的數(shù)據(jù)；把數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖4所示。
圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程
4．2 傳感器SHT10程序設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)主要功能是加入已經(jīng)存在的ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，接收命令發(fā)送數(shù)據(jù)，但是不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。溫濕度信息采集一般分為自動(dòng)采集和手動(dòng)采集。將終端定時(shí)器設(shè)定一個(gè)初值，然后啟動(dòng)定時(shí)器，每次到達(dá)定時(shí)設(shè)定值時(shí)觸發(fā)中斷，開(kāi)始測(cè)量溫濕度，測(cè)量結(jié)束后由CC2530將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，此后終端進(jìn)入低功耗模式，定時(shí)器重新裝載，計(jì)時(shí)繼續(xù)，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集；手動(dòng)采集是由PC發(fā)指令給指定終端，終端識(shí)別出該指令后啟動(dòng)傳感器，開(kāi)始溫濕度采集，將數(shù)據(jù)處理后再傳給PC。下面對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)主要代碼進(jìn)行說(shuō)明。
1)傳感器的啟動(dòng)傳輸程序傳感器上電后，進(jìn)入11 ms的“休眠”狀態(tài)。首先采用一個(gè)延時(shí)命令來(lái)完成系統(tǒng)初始化延時(shí)，然后由CC2530給SHTl0發(fā)送“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，喚醒芯片。隨后，SHTl0接收由CC2530的微控制器發(fā)送的命令。
數(shù)據(jù)傳輸初始化由一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序來(lái)表示。用0表示低電平，l表示高電平時(shí)，當(dāng)SCK時(shí)鐘為1時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為0，緊接著SCK變?yōu)?span lang="EN-US">0，在下一個(gè)SCK時(shí)鐘為1時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為1。這部分主要由void s_transstart(void)函數(shù)完成。
2)SHTlO寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序系統(tǒng)采用按位寫(xiě)的方式改變控制線(xiàn)SCK和DATA的狀態(tài)。對(duì)于SHT10，DATA在每個(gè)SCK時(shí)鐘下降沿之后寫(xiě)入一位數(shù)據(jù)來(lái)改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA必須維持穩(wěn)定。否則可能出現(xiàn)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序的錯(cuò)誤。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序主要由char s_write_byte(unsigned char value)函數(shù)來(lái)完成。
3)SHTl0讀數(shù)據(jù)時(shí)序讀數(shù)據(jù)程序主要由函數(shù)char s_read_byte(unsignedchar aek)完成。ack為讀數(shù)據(jù)確認(rèn)控制字，初始變量i=0x80，val=0。當(dāng)向SHTl0傳感器寫(xiě)入測(cè)溫控制字0x03這個(gè)8位數(shù)時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行溫度的測(cè)量工作，當(dāng)寫(xiě)入0x05時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行相對(duì)濕度的測(cè)量。
4)通信復(fù)位程序假如與傳感器SHT10的通信發(fā)生中斷，可以通過(guò)隨后的信號(hào)序列將串口復(fù)位，保持DATA為1，觸發(fā)SCK時(shí)鐘9次或更多。在下1次指令執(zhí)行前，發(fā)送1組“啟動(dòng)傳輸”序列。這些程序序列只對(duì)復(fù)位串口有效，而狀態(tài)寄存器內(nèi)容仍然保留。該復(fù)位程序由void s_connectionreset(void)函數(shù)來(lái)完成。
5)SHTl0溫濕度信息處理該程序讀取指針p_shiduzhi、p_wenduzhi中的濕度值和溫度值。該部分由void calc_shtl0(float *p_shiduzhi，float *p_wenduzhi)函數(shù)來(lái)完成。信息處理中設(shè)置SHTl0的工作精度為14位溫度和12位濕度測(cè)量，進(jìn)行相對(duì)濕度計(jì)算。
至此，ZigBee數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)完成。ZigBee數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點(diǎn)作為溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組成單元，需要具備環(huán)境的參數(shù)采集、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線(xiàn)通信等功能。在實(shí)際的應(yīng)用中只需將CC2530模塊+傳感器即可組成EndDevice節(jié)點(diǎn)或者Router節(jié)點(diǎn)。這2種節(jié)點(diǎn)均可與Coordinator直接通信進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，故將以上2種節(jié)點(diǎn)統(tǒng)稱(chēng)為傳感器節(jié)點(diǎn)。
5 系統(tǒng)測(cè)試與分析
本測(cè)試階段是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中完成的。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部署了3個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊，包括1個(gè)主節(jié)點(diǎn)，2個(gè)子節(jié)點(diǎn)。
首先需要按圖5所示將硬件系統(tǒng)連接起來(lái)，接著需要做的就是把源程序下載到無(wú)線(xiàn)ZigBee開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中并檢驗(yàn)系統(tǒng)是否正常工作。
圖5 無(wú)線(xiàn)ZigBee開(kāi)發(fā)系統(tǒng)下載連接示意
然后，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成一個(gè)簡(jiǎn)單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。這3個(gè)ZigBee數(shù)傳節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器與PC連接，路由器增加ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，終端節(jié)點(diǎn)采集溫濕度信息)的短地址隨機(jī)分配。節(jié)點(diǎn)之間的通信距離為10 m，系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)形成網(wǎng)絡(luò)。打開(kāi)串口終端COM5(串口號(hào)根據(jù)硬件驅(qū)動(dòng)接口的差別而有所不同)，設(shè)置波特率為38 400 b／s、無(wú)奇偶校驗(yàn)、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)硬件流模式，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的溫濕度數(shù)據(jù)如圖6所示。
圖6 終端節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)
圖6是一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)的通信情況。文中所采集的數(shù)據(jù)均為空氣中的溫、濕度信息，從圖中可以看出，終端設(shè)備的短地址為0x796F，溫濕度的精確度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)的后4位。定時(shí)器周期為5000 ms，溫濕度間隔5 S采集數(shù)據(jù)一次，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集功能。與系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)的實(shí)際情況相比較，其實(shí)際溫度測(cè)量誤差為0．8℃，相對(duì)濕度測(cè)量誤差為4％RH。由于在測(cè)試過(guò)程中會(huì)有一些硬件電路的內(nèi)部因素存在，所以該系統(tǒng)測(cè)得的溫度比實(shí)際溫度值高0．7～1．2℃。這與SHTl0溫濕度傳感器技術(shù)指標(biāo)吻合，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫濕度數(shù)據(jù)采集的功能。
6 結(jié)論
結(jié)合實(shí)地考察的溫室環(huán)境，采用ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊技術(shù)應(yīng)用于溫室監(jiān)控系統(tǒng)。利用無(wú)線(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)溫室溫濕度等信息進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)傳感器組網(wǎng)方案，完成了傳感器節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集與傳輸功能。測(cè)試試驗(yàn)表明：采用ZigBee數(shù)傳模塊進(jìn)行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集，有較好的穩(wěn)定性和良好的實(shí)用性。對(duì)不同規(guī)模的溫室，該系統(tǒng)可以靈活改變網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，能夠滿(mǎn)足溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要。由此可以得出：將ZigBee數(shù)傳技術(shù)為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)引入到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)很好的解決方案。