基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要 本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，選用ZigBee片上系統(tǒng)CC2530完成對(duì)影響農(nóng)作物生長的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化。試驗(yàn)表明：本監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、采集數(shù)據(jù)精度高、控制穩(wěn)定準(zhǔn)確，達(dá)到目標(biāo)要求。

【關(guān)鍵詞】ZigBee 監(jiān)控 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

圖1所示的是農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)示意圖。網(wǎng)絡(luò)終端平臺(tái)、監(jiān)控平臺(tái)以及網(wǎng)關(guān)平臺(tái)這三部分共同組成了整套監(jiān)控系統(tǒng)。在溫室大棚內(nèi)，分布著土壤濕度從傳感器、光照傳感器、空氣溫濕度傳感器，用以實(shí)時(shí)采集棚內(nèi)的各個(gè)環(huán)境參數(shù)，即系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)終端平臺(tái)；ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)作為信息傳遞媒介，上傳終端節(jié)點(diǎn)采集的參數(shù)信息到第二部分——網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，也就是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)匯總后統(tǒng)一傳給監(jiān)控平臺(tái)。通過上位機(jī)界面，用戶可以實(shí)時(shí)查看各個(gè)環(huán)境參數(shù)值，查看相關(guān)調(diào)控設(shè)備的工作狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線射頻模塊

本文監(jiān)控系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線傳輸功能，故無線射頻模塊選擇CC2530。CC2530因其低功耗的特點(diǎn)，故而能夠?qū)崿F(xiàn)4種電源模式，并且這4種運(yùn)行模式間的轉(zhuǎn)換耗時(shí)短暫，這是其在眾多ZigBee芯片中獨(dú)特的地方。CC2530模塊具有諸多優(yōu)良性能，其融合了RF收發(fā)器，可以編寫系統(tǒng)閃存，運(yùn)用增強(qiáng)型業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)8051CPU。

2.2 電源模塊

本設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)選擇太陽能供電模式，考慮其不存在污染，沒有安全隱患，故為可再生資源。選用此種供電模式，既避免了供電端突發(fā)狀況而停電或電池電量不足帶來的不便，也免除了電纜布線的不便。

2.3 感知模塊

2.3.1 土壤溫濕度傳感器

本系統(tǒng)土壤溫濕度傳感器最終選擇SHT 10-P型號(hào)，該傳感器采用土壤專用溫濕度探頭，能夠完全互換，具有極高一致性。

2.3.2 光照傳感器

本系統(tǒng)光照度傳感器選用Arduino數(shù)字型，光強(qiáng)量程為1-65535lux，分辨率為1lx，工作電壓VCC為3.3V-5V。

2.3.3 空氣溫濕度傳感器

本系統(tǒng)選用由瑞士Sensirion公司設(shè)計(jì)推出的SHT15型號(hào)空氣溫濕度傳感器。該溫濕度傳感器性能強(qiáng)大、外形小巧、功耗較低、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)勢。溫度精度為±0.4℃，量程為5-40℃；濕度精度為±2%RH，量程為0-90%RH。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1 Z-Stack層次分析

Z-Stack的組成方式為分層管理，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中CC2530決定了硬件與物理層和處于最底層的數(shù)據(jù)鏈路層相互關(guān)聯(lián)。這樣的結(jié)構(gòu)層次為調(diào)試程序、編寫提供了便捷。Z-Stack程序的執(zhí)行是通過輪詢方式來的成的，由OSAL來統(tǒng)一支配。

3.2 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)備就是協(xié)調(diào)器，在組網(wǎng)時(shí)負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器上電后進(jìn)行能量檢查、硬件初始化；協(xié)議棧發(fā)送BeaCon信標(biāo)，檢測信道是否繁忙。當(dāng)存在其他協(xié)調(diào)器在同一信道中時(shí)，BeaCon信標(biāo)則會(huì)立即做出響應(yīng)。終端節(jié)點(diǎn)的信道需要與已有協(xié)調(diào)器信道達(dá)成一致才能加入網(wǎng)絡(luò)；最后終端節(jié)點(diǎn)獲取短地址，通過此地址協(xié)調(diào)器就能夠接收終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器程序流程圖如圖2所示。

4 系統(tǒng)測試和分析

本監(jiān)控系統(tǒng)在天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院露天平臺(tái)上來完成模擬試驗(yàn)。在25m*35m的空地上均勻選取5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)呈“X”型，每個(gè)點(diǎn)上均放置光照度傳感器節(jié)點(diǎn)、空氣溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，然后在模擬控制中心放置1個(gè)PC機(jī)和1個(gè)網(wǎng)關(guān)。經(jīng)試驗(yàn)測得，太陽能系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)地為系統(tǒng)提供電能；監(jiān)控平臺(tái)即PC機(jī)界面能夠準(zhǔn)確及時(shí)地顯示終端節(jié)點(diǎn)上傳的各環(huán)境參數(shù)信息；在正確的時(shí)段內(nèi)，各調(diào)控設(shè)備也能夠按需求通斷，滿足預(yù)期效果

5 結(jié)束語

本環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)選用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)監(jiān)控區(qū)域，通過采集土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)，而后上傳至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后將數(shù)據(jù)送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存監(jiān)控結(jié)果的目的。用戶端也能夠隨時(shí)查看任意時(shí)段信息，便于農(nóng)作物生長的分析指導(dǎo)。本系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)信息化農(nóng)業(yè)有著重要意義，為農(nóng)作物生長提供了自動(dòng)化技術(shù)支持。

作者簡介

高百惠（1988-），女，黑龍江省哈爾濱市人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)助教。研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制。

作者單位

天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 天津市 300350