基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計

任冬冬　胡斌　王玉超　傅振濤　黃萌

【摘 要】本文設(shè)計了一個基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的單片機智能溫室控制系統(tǒng)，本智能系統(tǒng)可通過各種傳感器實時監(jiān)測溫室環(huán)境內(nèi)各類環(huán)境因子（包括溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等），并將其數(shù)據(jù)通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制系統(tǒng)單片機，由無線網(wǎng)絡(luò)將控制系統(tǒng)發(fā)出指令傳送至相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，實時調(diào)節(jié)溫室環(huán)境，保證溫室永遠處于一個對農(nóng)作物最為有利的生長環(huán)境。本系統(tǒng)很好的解決了實時數(shù)據(jù)監(jiān)測的問題，改變了過去只靠操作人員通過觀察作物生長狀態(tài)而進行測報的相對落后狀態(tài)，對生產(chǎn)作物進行即時的自動監(jiān)測，促進生產(chǎn)資源集約高效利用，從而能夠大幅度提高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

【關(guān)鍵詞】無線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；智能溫室；無線傳輸

中圖分類號： TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0045-002

【Abstract】In this paper，we design a SCM intelligent greenhouse control system based on ZigBee wireless network.The intelligent system can monitor various environmental factors （including temperature，humidity，light intensity，CO2 concentration，etc.） in the greenhouse environment in real time through various sensors The data is transmitted to the control system microcontroller through the Zigbee wireless network，and the control system sends instructions to the corresponding implementing agencies by the wireless network to adjust the greenhouse environment in real time to ensure that the greenhouse is always in the most favorable growth environment for the crops.The system is a good solution to the real-time data monitoring problems，changing the past by observing the growth of crops by the operator state of the relatively backward state of the newspaper，the production of crops for real-time automatic monitoring， and promote the efficient use of productive resources and thus Can greatly improve the agricultural productivity.

【Key words】Wireless network；ZigBee；Smart greenhouse；Wireless transmission

0 引言

近年來，農(nóng)業(yè)作為國家優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)正受到各級政府的高度重視，增加億萬農(nóng)民收入是我們國家當前的基本國策，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是我們追求的目標，基于計算機和自動化技術(shù)的智能溫室是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個重要方面。溫室為農(nóng)作物提供了一個能透光、保溫（或加溫）適于生長的環(huán)境。特備是在不適宜植物生長的季節(jié)，溫室能提供生育條件和增加產(chǎn)量，還用于低溫季節(jié)喜溫蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。溫室內(nèi)存在各種變量參數(shù)（如溫度、濕度等），是一個多變量、多耦合、非線性、大滯后的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)，需要由各種檢測裝置對環(huán)境因子進行檢測，但往往檢測出環(huán)境發(fā)生變化時再由執(zhí)行機構(gòu)來改變溫室環(huán)境是滯后的，并不能實現(xiàn)實時監(jiān)測實時調(diào)節(jié)。因此建立一個有預(yù)見性、及時的控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境，以提供最為合適的農(nóng)作物生長環(huán)境是非常有必要的。

1 總體方案設(shè)計

基于Zigbee無線傳輸智能溫室控制系統(tǒng)主要包含上位機和下位機兩大模塊，其系統(tǒng)框圖見圖1。上位機選用微機，為主控制系統(tǒng)，下位機則采用單片機實現(xiàn)分級控制。上位機主要是實現(xiàn)面向客戶各種環(huán)境因子數(shù)據(jù)的設(shè)置及顯示，從而適用于各種農(nóng)作物的環(huán)境控制，同時能將環(huán)境因子數(shù)據(jù)及控制指令歷史數(shù)據(jù)存儲下來。下位機的工作是在接受監(jiān)控PC機發(fā)出的控制信號后，可以通過上位機已經(jīng)預(yù)設(shè)好的各項數(shù)據(jù)的閥值來實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的控制。下位機控制器是以CC2530單片機為核心的，整個下位機系統(tǒng)包含兩個下級模塊，分別是ZigBee無線主模塊和單片機自動控制模塊。其中ZigBee無線主模塊又由模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)組成。系統(tǒng)通過各種傳感器實時監(jiān)測溫室內(nèi)的二氧化碳濃度、溫濕度和光照強度等溫室環(huán)境因子，將其采集的數(shù)據(jù)上傳到ZigBee子節(jié)點，再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到ZigBee網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點，最后通過RS-232串行口總線將數(shù)據(jù)傳到上位機上并顯示反饋給用戶。單片機自動控制模塊包括數(shù)據(jù)模塊和執(zhí)行機構(gòu)控制模塊。數(shù)據(jù)采集模塊可以完成對ZigBee總節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)通信層所傳遞給單片機數(shù)據(jù)的收集和預(yù)處理，同時將結(jié)果通過RS-232串行口總線送至數(shù)據(jù)存儲器或監(jiān)控服務(wù)器存儲和管理。執(zhí)行機構(gòu)控制模塊則是通過比較實時監(jiān)控的環(huán)境因子參數(shù)和預(yù)設(shè)閥值來實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)的各個執(zhí)行機構(gòu)（如遮陽系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、升溫系統(tǒng)、濕窗簾/風扇降溫系統(tǒng)、噴滴灌系統(tǒng)或滴灌系統(tǒng)）的啟動與關(guān)閉。endprint

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計

本智能溫室控制系統(tǒng)最主要的特點在于數(shù)據(jù)的傳輸是基于ZigBee實現(xiàn)的。ZigBe技術(shù)是一種復(fù)雜性不高、低能耗、運行速率較低、傳輸距離較短、設(shè)計成本不高的雙向無線通訊技術(shù)[2]，并且在實際的設(shè)計中ZigBee網(wǎng)絡(luò)有著非常強大的延展性[3]。依據(jù)控制要求和溫室自身的特點，可選用適合ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的處理芯片，構(gòu)建一個合乎情理的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸，把協(xié)調(diào)器、處理器以及終端設(shè)備有機的整合在一起，通過軟件編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)中的暢通傳輸。

2.1 ZigBee技術(shù)的軟件開發(fā)環(huán)境的介紹

本設(shè)計所使用的軟件開發(fā)環(huán)境是IAR，它是一個非常強大的開發(fā)環(huán)境，幾乎所有可用的工具都可以完整地嵌入這個軟件中，相對于其他的開發(fā)環(huán)境，IAR 開發(fā)環(huán)境是一種具備入門容易、使用方便和代碼簡潔等特點的強大軟件，IAR開發(fā)環(huán)境的主要特點：

1）高度優(yōu)化的IAR AVR C/C++編譯器；

2）AVRIAR匯編器；

3）通用IAR XLINK Linker；

4）IARXAR庫創(chuàng)建器和IAR XLIB Librarian一個強大的編輯器；

5）一個工程管理器；

用戶可以在IAR開發(fā)環(huán)境下做一些對新的項目開發(fā)設(shè)計，而且這個開發(fā)環(huán)境界面簡潔、清晰，用戶很輕松就可以熟練駕馭這個具有大量代碼繼承能力的IAR開發(fā)環(huán)境。

2.2 ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的搭建

為了使溫室環(huán)境的監(jiān)測能夠準確，在一定范圍內(nèi)要設(shè)置溫室環(huán)境因子的監(jiān)測設(shè)備，其所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)要通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)輸送至上位機。合理的設(shè)計溫室環(huán)境因子監(jiān)控設(shè)備在溫室中的分布以及無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)都能提高系統(tǒng)的實時反饋的速度和效率。因此設(shè)計一個合理的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是非常重要的。本系統(tǒng)設(shè)計了一個全功能設(shè)備作為系統(tǒng)的ZigBee主節(jié)點和多個精簡功能設(shè)備作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，星型拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單、在應(yīng)用中易于實現(xiàn)、而且網(wǎng)絡(luò)的能耗較低。

2.2.1 全功能設(shè)備的功能配置

每一個星型結(jié)構(gòu)中都只有一個全功能設(shè)備（FFD）節(jié)點，也就是ZigBee星型無線網(wǎng)絡(luò)的總節(jié)點。全功能設(shè)備（FFD）節(jié)點在星型無線網(wǎng)絡(luò)中作為ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator），是無線網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點，主要負責整個網(wǎng)絡(luò)的初始化、頻率通道；并且負責整個設(shè)備的啟停；當該主節(jié)點被激活后它就會建立一個無線個網(wǎng)，之后容許其他的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點掃描并申請加入網(wǎng)絡(luò)。除此之外主節(jié)點還要負責接收和存儲由子節(jié)點收集的溫室環(huán)境因子數(shù)據(jù)。

2.2.2 精簡功能設(shè)備的功能配置

系統(tǒng)預(yù)設(shè)了3個精簡功能設(shè)備（RFD）作為ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點。其主要功能是把由單片機收集到的傳感器網(wǎng)絡(luò)傳來的實時數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到主節(jié)點。

2.2.3 ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)的組建過程

任何一個網(wǎng)絡(luò)的建立都離不開協(xié)調(diào)器設(shè)備，可以說協(xié)調(diào)器（coordinator）是一個網(wǎng)絡(luò)中最重要的組件，因為協(xié)調(diào)器是組網(wǎng)的關(guān)鍵所在。星型網(wǎng)絡(luò)的建立過程如下：

首先，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，該協(xié)調(diào)器是全功能設(shè)備；初始化協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器初始化化后，在信道內(nèi)搜索其他協(xié)調(diào)器，若是有其他協(xié)調(diào)器在工作，則向該協(xié)調(diào)器發(fā)組網(wǎng)申請。若是沒有其他協(xié)調(diào)器，則該設(shè)備自己組建ZigBee無線網(wǎng)，主節(jié)點在初始化后就開始對所在通信通道做出監(jiān)視和等待狀態(tài)；一旦有一個子節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)出組網(wǎng)請求后，協(xié)調(diào)器會分配一個16位PAN ID給這個子節(jié)點作為它唯一的標識，這個網(wǎng)絡(luò)短地址的內(nèi)容是依據(jù)這個子節(jié)點所處通道中所檢測到的通道能量及網(wǎng)絡(luò)號來決定的，在子節(jié)點分配完網(wǎng)絡(luò)段地址后就成功的加入了這個無線網(wǎng)。

在網(wǎng)絡(luò)建立以后，如果系統(tǒng)的設(shè)備很多的話，可能會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堆疊或者PAN ID沖突的現(xiàn)象，所以為了盡量減少這種錯誤 可以在子節(jié)點出現(xiàn)沖突后初始化協(xié)調(diào)器來重置子節(jié)點的地址。

2.3 ZigBee節(jié)點與單片機控制模塊的無線傳輸

本系統(tǒng)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)搭建完畢后，需要進一步對數(shù)據(jù)傳輸進行軟件的設(shè)計。不管是監(jiān)測數(shù)據(jù)還是控制命令都是通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?，因此ZigBee的總節(jié)點和子節(jié)點都與單片機的控制模塊有聯(lián)系。在對大棚室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集時，CC2530芯片的主要工作流程：第一步是當STC89C52單片機將采集到的數(shù)據(jù)傳給子節(jié)點時，CC2530芯片會讀取串口數(shù)據(jù)；在讀取到數(shù)據(jù)后系統(tǒng)會向總節(jié)點發(fā)出信息，觸發(fā)子節(jié)點發(fā)送任務(wù)；最后CC2530芯片會將環(huán)境信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到總節(jié)點。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信模式一共有兩種，其中一種是非信標模式，而另一種就是信標網(wǎng)絡(luò)模式。而我們的系統(tǒng)選擇非信標網(wǎng)絡(luò)模式作為網(wǎng)絡(luò)通信模式，因為非信標模式比較靈活，其子節(jié)點通過競爭的方式加入擁擠的信道，而且芯片不會一直發(fā)送周期信標幀。在非信標工作方式下，發(fā)送MAC層或命令數(shù)據(jù)幀時，會有一個隨機的等待周期，在這個周期過后，如是確定信道沒有處在忙碌（busy）狀態(tài)，再發(fā)送MAC層命令和數(shù)據(jù)幀；如果確定當前的信道狀態(tài)處于非常忙碌的狀態(tài)，那么系統(tǒng)會再等一個任意長的時間后，第二次再嘗試接入當前信道。當CC2530芯片收到單片機傳輸來的數(shù)據(jù)后，會直接給單片機傳輸一個確認信號，而不會理會當前信道是否忙碌，ZigBee子節(jié)點會根據(jù)確認信號來判斷數(shù)據(jù)發(fā)送成功與否[4]。

3 單片機控制模塊設(shè)計

本系統(tǒng)中的單片機控制模塊是系統(tǒng)控制的核心，單片機其中一個重要的功能是負責收集各個ZigBee子節(jié)點上所監(jiān)測到的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)的傳遞，將數(shù)據(jù)上傳至上位機。它的運行過程見圖2：在給所有的設(shè)備的電源通電后，單片機在完成其初始化之后就進入數(shù)據(jù)采集的狀態(tài)。一旦傳感器給單片機一個中斷請求信號，單片機就進入與該傳感器相應(yīng)的工作狀態(tài)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)通道的檢測，分別采集溫濕度、CO2濃度以及光照強度的實時檢測值，單片機能將這些數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后打包發(fā)送給ZigBee子節(jié)點，最后這些數(shù)據(jù)通過ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳遞到上位機。

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一款基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的單片機智能溫室控制系統(tǒng)，利用ZigBee技術(shù)的可擴展性和傳輸快速等特點，組建了能夠?qū)崟r監(jiān)測溫室環(huán)境并實時進行自動改善環(huán)境的智能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)很好的解決了實時數(shù)據(jù)監(jiān)測的問題，改變了過去只靠操作人員通過觀察作物生長狀態(tài)而進行測報的相對落后狀態(tài)，對生產(chǎn)作物進行即時的自動監(jiān)測，促進生產(chǎn)資源集約高效利用，從而能夠大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

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