設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃強(qiáng)嶺，王鴻磊，賈偉偉

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇徐州 221000）

設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃強(qiáng)嶺，王鴻磊，賈偉偉

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇徐州 221000）

針對(duì)傳統(tǒng)的溫濕度有線測量方式，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee無線模塊CC2530和溫濕度傳感器DHT11的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZigBee無線技術(shù)，傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫濕度低功耗無線監(jiān)測，并在協(xié)調(diào)器上顯示。

ZigBee；溫濕度；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；設(shè)施農(nóng)業(yè)

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)的溫濕度直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，如果溫濕度超過或低于額定值都會(huì)出現(xiàn)許多意想不到的結(jié)果。目前大部分設(shè)施農(nóng)業(yè)通信都采用有線的方式，大量鋪設(shè)電纜造成了許多不必要的浪費(fèi)。設(shè)施農(nóng)業(yè)空間分布廣，布線相對(duì)比較困難，信息采集也比較困難，而通過短距離無線通信方式可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測，成本低，效率高[1-3]。本文利用基于ZigBee CC2530模塊構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸和顯示。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)采用在一個(gè)組網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行廣播的方式，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先組建一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)。將測量相同類型物理量的傳感器節(jié)點(diǎn)加入到同一個(gè)組，不同組內(nèi)成員通過分組廣播的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)以后判斷是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的，并在協(xié)調(diào)器的LCD上顯示。本系統(tǒng)采用的是星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CC2530內(nèi)部集成8051芯片和RF射頻發(fā)射器，集成度高、體積小。單總線傳感器DHT11采集數(shù)據(jù)通過I2C串口傳給CC2530，CC2530通過內(nèi)部集成射頻發(fā)射模塊RF將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器完成終端節(jié)點(diǎn)功能；射頻天線RF接收到數(shù)據(jù)后就發(fā)送給CC2530，CC2530通過串口RS232上傳數(shù)據(jù)到PC，從而完成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的功能。本設(shè)計(jì)遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，中心頻率為2.4GHz。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)框圖

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

基于CC2530設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，具有一定的信息處理能力和通信能力。單總線傳感器DHT11將采集到的數(shù)據(jù)通過I2C串口送給終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)buffer，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮封裝。通過集成RF射頻天線將封裝完成的數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。經(jīng)系統(tǒng)測試，1節(jié)5號(hào)電池在正常情況下可以工作一年，充分體現(xiàn)了節(jié)能性。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路圖

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路圖

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定、信息的管理和維護(hù)，也可用來協(xié)助系統(tǒng)安全層的建立以及應(yīng)用層的綁定[4]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫濕度數(shù)據(jù)的收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)分組網(wǎng)絡(luò)的控制。CC2530通信模塊作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部分，專門負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，與上位機(jī)建立相互通信機(jī)制，上位機(jī)發(fā)送消息指令給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器再將這些指令通過集成RF射頻天線發(fā)送給執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)溫濕度調(diào)節(jié)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點(diǎn)兩部分。本設(shè)計(jì)是在CC2530的ZigBee開發(fā)環(huán)境中搭建，協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)符合TI協(xié)議棧的要求。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和上傳數(shù)據(jù)等；傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與定時(shí)發(fā)送。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在ZigBee協(xié)議棧中聲明組對(duì)象aps_Group_t SampleApp_Group并對(duì)組對(duì)象結(jié)構(gòu)體進(jìn)行初始化和賦值，通過SampleApp_Periodic_DstAddr.addr. shortAddr設(shè)定通信的目標(biāo)地址為0xFFFF。然后，通過函數(shù)aps_AddGroup（SampleApp_EndPoint，&SampleApp_Group）將測量相同物理量的傳感器節(jié)點(diǎn)加入到同一組中，并對(duì)組里的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。將組分別加入到無線傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感器將采集到的溫濕度送到報(bào)文緩沖區(qū)中，在報(bào)文緩沖區(qū)buffer中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，協(xié)議棧調(diào)用函數(shù)SampleApp_SendPeriodicMessage（）和osal_start_timer-Ex，將這些封裝完成的數(shù)據(jù)通過buffer按照組播地址進(jìn)行周期性廣播。為了能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗和時(shí)效性的平衡，本人設(shè)計(jì)了以下三種方案：一是遇到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差或高負(fù)載時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)以較大間隔的發(fā)送概率將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，這樣就適當(dāng)?shù)販p少了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；二是在平時(shí)，組內(nèi)各節(jié)點(diǎn)每隔2分鐘采集一次數(shù)據(jù)并立即發(fā)送，其余時(shí)間就進(jìn)入休眠狀態(tài)；三是調(diào)整ZigBee節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，當(dāng)附近有大功率發(fā)射器時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)奶岣邆鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，發(fā)完數(shù)據(jù)自動(dòng)降低功率。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心部分，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建、管理和處理數(shù)據(jù)信息等功能。[5]本設(shè)計(jì)組建的是一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先判斷協(xié)調(diào)器是否工作，協(xié)調(diào)器接收來自傳感器測量的溫濕度數(shù)據(jù)，從而完成協(xié)調(diào)器的功能。協(xié)調(diào)器的程序流程如圖6所示。組建網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)主要步驟是網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。[6]網(wǎng)絡(luò)初始化首先要確定協(xié)調(diào)器是否正常工作，通過先主動(dòng)掃描無線網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送請(qǐng)求命令來檢測當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)中是否存在協(xié)調(diào)器。在設(shè)備初始化完畢后，協(xié)調(diào)器新建無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)加入到新建網(wǎng)絡(luò)中，將數(shù)據(jù)通過分組廣播的形式發(fā)送出去，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)以后格式轉(zhuǎn)換，并通過LCD顯示。

圖6 協(xié)調(diào)器程序流程圖

4 效果展示

圖7 Zigbee節(jié)點(diǎn)分布圖

圖8 溫濕度顯示

從圖7、圖8中可以看到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到的溫濕度。將本設(shè)計(jì)運(yùn)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)中可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度實(shí)時(shí)的監(jiān)測。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是基于ZigBee CC2530低成本和低功耗無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)溫濕度的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的無線傳輸，由于ZigBee技術(shù)組網(wǎng)方便、網(wǎng)絡(luò)容量大，可以將其進(jìn)一步拓展到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)多節(jié)點(diǎn)溫濕度檢測。

［1］沈建明.基于ZigBee的溫室大棚的溫濕度檢測系統(tǒng)［D］.西安：西安大學(xué)，2013.

［2］孫靜林，徐峰，趙明忠.基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，1（11）：34-21.

［3］王翠茹，于祥兵，王成福.基于ZigBee技術(shù)的溫度采集傳輸系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008（7）.

［4］王建平，徐其林，張茂林.基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法的研究［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2008，16（1）：121-123.

［5］昂志敏.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與通信實(shí)現(xiàn)［D］．廣州：中山大學(xué)，2009.

［6］郝曉萌.基于ZigBee的無線糧情監(jiān)測系統(tǒng)中路由協(xié)議的研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2009.

Design of Wireless Monitoring System of Temperature and Humidity in Agriculture Facility

HUANG Qiang-ling，WANG Hong-lei，JIA Wei-wei
（Xuzhou College of Industrial Technology College Mechanical and Electrical Communication，Jiangsu Xuzhou 221000，China）

According to the traditional wired temperature and humidity measurement methods，a temperature and humidity monitoring system based on ZigBee wireless module CC2530 and the temperature and humidity sensor DHT11 is designed.Adopting ZigBee wireless technology as well as software and hardware design of sensor node and the coordinator node，the design realizes the real-time monitoring of temperature and humidity and display in the coordinator.

ZigBee;temperature and humidity;WSN; agricultural facilities

S161.1

A

1673-2022（2014）03-0066-03

2014－04－02

2013年徐州市科技發(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目（XF13C035）；2013江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（766）；2012年校級(jí)科研課題項(xiàng)目（XGY201213）

黃強(qiáng)嶺（1992-），男，江蘇鹽城人，研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)；王鴻磊（1979-），男，江蘇徐州人，副教授，研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)；賈偉偉（1981-），男，山西臨汾人，講師，研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)應(yīng)用。