基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計

王立巖，楊世鳳

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222)

基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計

王立巖，楊世鳳

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222)

針對現(xiàn)有溫室環(huán)境檢測裝置的成本高，安裝維護難度大等缺點，將短距離無線通信技術(shù)ZigBee引入到檢測系統(tǒng)中，設(shè)計了基于 ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)，包括網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點的硬件和軟件設(shè)計．實驗表明，該檢測系統(tǒng)能夠?qū)厥抑袦囟取穸?、二氧化碳濃度和光照強度等參?shù)進行快速、準(zhǔn)確的檢測．

ZigBee；溫室；環(huán)境檢測；LabVIEW

Abstract：Because of the high investment costs of greenhouse and the difficulty of installation and maintenance，a new short-distance wireless communication technology named ZigBee was used in the measurement system，including the design of hardware and software for gateway，routing node，sensor node. Experiments show that this system can get the parameter in greenhouse quickly and exactly about temperature，humidity，dioxide content，illumination intensity，etc.

Keywords：ZigBee；greenhouse；environment monitoring；LabVIEW

當(dāng)前，溫室種植作為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要手段，應(yīng)用日益廣泛．溫室中作物種植環(huán)境的檢測顯得尤其重要．為了達(dá)到檢測溫室環(huán)境參數(shù)的目的，溫室中布置了大量電子檢測裝置，由此造成溫室內(nèi)線纜密布．這種檢測手段在提高溫室投資成本的同時，增加了安裝維護的難度[1]．

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接．每個 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以監(jiān)控對象，還可以自動中轉(zhuǎn)由其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料[2]．ZigBee技術(shù)具有以下幾個特點：低速率、低功耗、低成本、短時延、免許可無線通信頻段[3–5]．

正是因為 ZigBee的這些特點，將其引入到溫室檢測系統(tǒng)中可以很大程度上解決溫室監(jiān)控的現(xiàn)有難題．本文采用USB接口與上位機進行通信，并可根據(jù)需要增刪路由節(jié)點，從而使該系統(tǒng)應(yīng)用更方便；系統(tǒng)由 PC、網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點組成，可以實現(xiàn)對溫室各環(huán)境參數(shù)科學(xué)、準(zhǔn)確的檢測，用戶可以通過上位機界面看到檢測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，進而給出作物種植方法的判斷．

1 系統(tǒng)總體框架

溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)由 PC、網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點4部分組成，系統(tǒng)總體框架如圖1所示．

1.1 上位機

上位機 PC用于接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)和發(fā)送命令，實現(xiàn)可視化、形象化人機界面．使用 LabVIEW8.6進行用戶界面設(shè)計，使得用戶可以在 PC上觀察到溫室環(huán)境參數(shù)的數(shù)值、變化情況以及相關(guān)數(shù)據(jù)分析．

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of monitoring system

1.2 網(wǎng)關(guān)

根據(jù)計算機發(fā)送的指令發(fā)送/接收路由節(jié)點或傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機[6]．

1.3 路由節(jié)點

在網(wǎng)關(guān)不能與所有的傳感器節(jié)點通信時，它作為一種中介使網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點通信，實現(xiàn)路由通信功能，而且還具有普通傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集功能．

1.4 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集后，ZigBee模塊的 CC2520單片機對數(shù)據(jù)進行處理，然后與路由節(jié)點或網(wǎng)關(guān)進行無線通信．基于 ZigBee2007協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝、架設(shè)過程中自動完成．完成網(wǎng)絡(luò)架設(shè)后，用戶可以由PC發(fā)出命令，讀取網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備上連接傳感器的數(shù)據(jù)．

2 硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點由傳感器和ZigBee無線通信模塊組成，傳感器主要用于數(shù)據(jù)的采集，包括DS18B20溫度傳感器、HS1101濕度傳感器、ON9668光照強度傳感器、MG811二氧化碳濃度傳感器；ZigBee無線通信模塊采用成都無線龍生產(chǎn)的 CC2520．傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示．

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of sensor nodes

CC2520是 TI公司第二代的 ZigBee/IEEE 802.15.4RF收發(fā)器，主要用于 2.4,GHz的 ISM 頻段．CC2520可提供較好的靈敏度和共存性能，有較好的連接性能，并可低電壓工作．CC2520支持?jǐn)?shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)鑒權(quán)、空閑通道檢測、連接質(zhì)量顯示以及數(shù)據(jù)包定時信息等，從而降低了主控制器的加載．

2.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計相對簡單，因為網(wǎng)關(guān)沒有連接傳感器，只需要組織管理網(wǎng)絡(luò)和收集傳感器節(jié)點的傳感器信息并發(fā)送給 PC，或是接收 PC的命令進行無線數(shù)據(jù)采集．

控制器MSP430F2618和芯片CC2520均采用SPI串行接口[7]，新型 PC無法與 SPI口直接相連，因此，采用了USB轉(zhuǎn)串口芯片將USB端口擴展為SPI口使用．

傳感器節(jié)點在對傳感器測得的數(shù)據(jù)進行處理后，與作為路由節(jié)點的模塊和網(wǎng)關(guān)組建 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過無線通信方式把檢測數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與上位機相連，把相關(guān)信息傳送到上位機．

3 軟件設(shè)計

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信

通信過程是：PC通過 USB接口發(fā)送命令到網(wǎng)關(guān)，可以是采集數(shù)據(jù)命令，也可以是讀取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)命令；網(wǎng)關(guān)利用物理地址查找出節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址后，以一定的數(shù)據(jù)格式通過無線通信把命令傳送到節(jié)點；節(jié)點完成采集或控制命令后，通過無線通信把傳感器數(shù)據(jù)或應(yīng)答信號返回給網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)收到采集節(jié)點的數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)以同樣的格式返回給PC．

網(wǎng)關(guān)開始工作時，它首先初始化協(xié)議棧，然后進行能量檢測，選擇合適的信道，啟動網(wǎng)關(guān)；此后即可允許 ZigBee設(shè)備與其相連，接受它們傳輸?shù)母鞴?jié)點傳感器的檢測值，并將其傳送給 PC，網(wǎng)關(guān)工作程序流程如圖 3所示．傳感器節(jié)點開始工作時首先進行信道掃描，尋找網(wǎng)關(guān)，然后與網(wǎng)關(guān)建立連接．連接成功后，它即通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送的信標(biāo)與網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)同步，開始按周期采集本節(jié)點處的環(huán)境參數(shù)值，并將測量值傳送給網(wǎng)關(guān)，傳感器節(jié)點工作程序流程如圖4所示．

3.2 用戶界面

用戶界面采用LabVIEW8.6開發(fā)，利用其豐富的外設(shè)驅(qū)動和強大的編程功能，可以實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的分析處理，并實現(xiàn)與下位機的通信與交互[8]．

用戶界面可以實現(xiàn)實時顯示環(huán)境參數(shù)測量值、設(shè)置采樣頻率、數(shù)據(jù)查詢等功能；此外，在停止測量時界面會彈出 Excel表格，將本次測量值進行相應(yīng)的統(tǒng)計和運算，把結(jié)果與農(nóng)作物生長最適宜的環(huán)境參數(shù)相比較，向農(nóng)戶通報環(huán)境改善建議．

圖3 網(wǎng)關(guān)工作程序流程圖Fig.3 Flow chart of gateway process

圖4 傳感器節(jié)點工作程序流程圖Fig.4 Flow chart of sensor node program

4 實 驗

選取農(nóng)業(yè)示范種植基地進行系統(tǒng)測試，為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和上位機界面的用戶可用功能，選取靠近控制室的任意 3個溫室進行實驗．在 3個溫室中各放置 1個傳感器節(jié)點(連接溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照強度傳感器)，并各用兩節(jié)五號電池給ZigBee模塊供電．在控制室內(nèi)網(wǎng)關(guān)與PC相連，由用戶界面發(fā)出指令，對溫室環(huán)境參數(shù)進行采集．其中一個溫室檢測的用戶界面如圖5所示．

圖5 用戶界面Fig.5 User interface

人為檢查系統(tǒng)檢測的靈敏度，向二氧化碳濃度傳感器吹氣，控制室內(nèi)該溫室用戶界面的二氧化碳濃度曲線如圖 6(a)所示；人為擋住光照強度傳感器，控制室內(nèi)該溫室用戶界面的光照強度曲線如圖 6(b)所示，系統(tǒng)可在 ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)實時采集傳感器數(shù)據(jù)．

圖6 二氧化碳和光照強度檢測結(jié)果Fig.6 Measure resutlts of CO2and illumination

5 結(jié) 語

本文實現(xiàn)了一種基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)，能夠采集溫室環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等參數(shù)．系統(tǒng)的節(jié)點可以根據(jù)需要自由配置，在路由節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)增減網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，還可以通過增加路由節(jié)點的數(shù)目擴大無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，可為復(fù)雜溫室環(huán)境檢測的應(yīng)用場合提供參考．

［1］ Timmons N F，Scanlon W G. Analysis of the performance of IEEE 802.15.4 for medical sensor body area networking[J]. IEEE Wireless Communication，2004，26(8)：16–24.

［2］ 瞿雷，劉盛德，胡咸斌. ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［3］ 張平，康桂霞，田輝. 甚低功耗無線通信技術(shù)[J]. 中興通訊技術(shù)，2006，12(4)：21–25.

［4］ 辛穎，謝光忠，蔣亞東. 基于ZigBee協(xié)議的溫度濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(7)：82–84.

［5］ 姚傳安，鄒彩虹. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，23(1)：104–107.

［6］ 王賀. 基于 IEEE802.15.4/Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[D]. 哈爾濱：黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，2008.

［7］ 李文仲，段朝玉. ZigBee2007/PRO 協(xié)議棧實驗與實踐[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［8］ 王磊，陶梅. 精通 LabVIEW8.X[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.

Design of Greenhouse Environment Monitoring System Based on ZigBee Technology

WANG Li-yan，YANG Shi-feng
(College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

TP273

A

1672-6510(2011)01-0060-04

2010–07–23；

2010–11–16

王立巖（1985—），男，河北保定人，碩士研究生；通信作者：楊世鳳，教授，yangsf@tust.edu.cn.