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基于ZigBee无线传感器网络的温室大棚环境测控系统设计
来源:电子技术应用2012年第1期
沙国荣, 赵不贿, 景 亮, 李彦旭
江苏大学 电气信息工程学院, 江苏 镇江212013
摘要: 设计了基于ZigBee技术的多参数、低成本、集测量与控制一体的无线测控系统,以用于实现远程测控。该系统采用ZigBee无线收发模块采集温室大棚中的温度、湿度、光照等参数,并将其发送到ZigBee网关进行处理,然后通过Internet上传到上位机,上位机通过网关发送温度、湿度、光照等控制命令到ZigBee终端节点,控制相应设备以调节大棚中相关参数,从而实现对温室大棚的远程测量与控制。实验表明本系统运行效果良好,功耗小、移动性强、被测数据可以实时上传到上位机进行显示和记录。
中图分类号: S126
文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2012)01-0060-03
Design of measurement and control system for greenhouse based on ZigBee wireless sensor network
Sha Guorong, Zhao Buhui, Jing Liang, Li Yanxu
School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China
Abstract: The paper presented a wireless system with multi parameters and low cost, which integrates measure and control function based on ZigBee technology, to implement remote control. The system uses ZigBee wireless transceiver module to collect parameters in greenhouse such as temperature, humidity and illumination, and sent to ZigBee gateway for processing, and then uploaded to PC by Internet. PC sends temperature, humidity and illumination control command by gateway to ZigBee end nodes to control related equipment to adjust the corresponding parameter in greenhouse, which implements measuring and controlling greenhouse remotely. Tests indicate that the system runs well with small consumption and good mobility, and the data can be uploaded to host computer for real-time display and record.
Key words : facility agriculture; measurement and control technology; wireless; sensor networks; ZigBee protocol; remote monitoring

    我国是设施农业大国,近年来各地设施农业发展迅速,仅辽宁省今年设施农业将达到1 000万亩[1]。江苏省以“工业思维”来转变农业发展方式和产业结构调整,提出要“用现代物质条件、现代科学技术、现代经营方式武装和改造农业”[2]。我国虽然是设施农业的大国,但并非是设施农业的强国,设施农业的自动化和网络化水平还不高。但我国设施农业正呈现出规模化与集团化的发展趋势,集生产、加工、生态旅游、服务等多种功能于一体的现代农庄已初现端倪。

    本文针对温室大棚环境参数的检测与控制,充分利用无线传感网络一次性构建成本低、网络自动组建、易维护且扩展性好等优点,设计了基于ZigBee的多参数、低成本、集测量与控制于一体的无线测控系统,用于实现远程测控。系统采用ZigBee无线收发模块采集温室大棚中的温度、湿度、光照等参数,并将其发送到ZigBee网关进行处理后通过Internet上传到上位机,上位机通过网关发送温度、湿度、光照等控制命令到ZigBee终端节点,控制相应设备以调节大棚中相关环境参数,从而实现对温室大棚的远程测量与控制。
1 系统总体架构
    无线传感网络的温室大棚环境测控系统如图1所示,由无线传感器测控网络终端节点、ZigBee网关(协调器)和上位机数据中心三部分组成,其中无线传感器测控网络中每个终端节点由一个ZigBee通信模块和一个特定功能传感器组成,测控大棚中的温度、湿度、光照等环境参数,且每个ZigBee终端节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内与多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

2 系统硬件设计
    整个系统硬件设计主要包括ZigBee网关(协调器)和无线测控网络终端设备两部分。
2.1 ZigBee网关硬件架构
    ZigBee网关(协调器)硬件架构如图2所示,其主要功能是完成数据传输格式的转换与数据远程传输,实现ZigBee网络与Internet网络之间的通信连接,并与远程服务器进行交互功能和对ZigBee网络的管理。本文采用广州友善之臂计算机科技有限公司的Mini2440开发板和拓展ZigBee无线模块作为ZigBee网关系统。Mini2440开发板以三星公司的32位高性能ARM微处理器S3C2440作为核心控制器,通过1个100 M以太网RJ-45口(采用DM9000网卡)实现ZigBee网关与Internet的互联和数据远程传输[3],ZigBee通信模块选用TI公司生产的低成本、低功耗、高集成度的工业用ZigBee射频芯片CC2430,内置一个AES协处理器,以支持IEEE802.15.4 MAC 安全所需的(128 bit关键字)AES的运行,以尽可能少地占用微控制器。

2.2 无线测控网络终端节点
    无线测控网络终端节点原理图如图3所示,每个终端节点以CC2430为核心,通过信号调理电路连接温度、湿度、光照传感器和相关执行器。其中温度传感器选用DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器DS18B20。湿度传感器选用电容式湿度传感器HS1101,其在电路中等效于一个电容器C,其电容随所测空气的湿度增大而增大,在相对湿度为0~100%RH的范围内,电容的容量由160 pF变化到200 pF, 其误差不大于±2%RH,具有响应时间快、可靠性高和长期稳定性好等特点,不需要校准的完全互换性[4]。光照强度传感器选用LXD/GB5-A1E, 随光照度变化线性输出,内置滤光镜,与光谱响应特性类似,低工作照度符合RoHS指令等[5]。

 

 

3 系统软件设计
    整个测控系统软件由ZigBee网关软件和无线传感测控网络终端节点软件两部分组成。这两部分都需要向其ZigBee模块移植ZigBee协议栈(Z-Stack),尤其是与硬件底层密切相关的PHY层和MAC层的实现,它为上层通信应用提供API接口函数。
3.1 ZigBee网关部分的软件设计
    ZigBee网关向下管理无线传感器测控网络各个终端节点, 向上连接实现和上位机数据中心交互功能, ZigBee网关初始化后首先格式化网络并选择信道,建立新的网络,允许其他节点加入网络并分配网络ID,广播数据采集命令等[6],程序流程图如图4所示。


3.2 无线传感器测控网络终端节点软件设计
    传感器终端节点的主要工作是数据信息采集、网络连接并承担部分路由功能, 保持与临近节点的通信, 检测链路状态等。为降低网络的平均功耗终端节点模块应用软件的设计既要尽量长时间地使各模块处于休眠状态,尽量减少唤醒ZigBee模块的次数[7]。无线传测控网络终端节点的程序流程图如图5所示。


4 系统调试效果
    为了验证系统参数的动态变化性能,在实验过程中人为地对各相应的传感器进行了遮挡、加热、加湿等干扰,从实验结果上看这些干扰都很及时地在上位机监测界面中有所反映,监测界面的右下角实时显示当前数据变化值, 实验监测界面图如图6所示,显示数据曲线呈跳跃式变化正好说明了系统响应速度快,在很短时间内可以采集环境参数的变化。

    本文探讨了ZigBee无线传感器网络在温室大棚环境测控中的应用, 包括系统的总体架构、ZigBee网关和传感网络终端节点的软硬件设计。从实验结果来看,此无线测控系统效果良好,系统功耗小、移动性强、被测数据可以实时上传到上位机进行显示和记录。
参考文献
[1] 辽宁省设施农业奖达1000万亩[EB/OL].[2011-07-28].  http://www.csh.gov.cn/xxlr1_354414.html.
[2] 郭奔胜,陈刚,邓华宁.江苏省以“工业思维”牵引农业现代化[N].现代快报.2011-04-15(23).
[3] Mini2440现配备128 M/256 M/1 GB Nand Flash可选容量[EB/OL].[2011-07-28].http://www.arm9.net/mini2440-feature asp.
[4] 电容式湿度传感器HS1101介绍及应用电路[EB/OL]. [2011-07-28]. http://www.61mcu.com/bbs/dispbbs.asp?BoardID=12&reply ID=295&ID=108&skin=1.
[5] 光敏传感器:LXD/GB5-AIE[EB/OL].[2011-07-28].http://www.lxdcn.com/lxd-gb5-a1e(1).htm.
[6] 邓小蕾,郑立华,车艳双,等.基于ZigBee和PDA的农田信息无线传感器网络[J].农业工程学报,2010,26(2):103-108.
[7] 韩华峰,杜克明,孙忠富,等.基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J].农业工程学报,2009,25(7):158-163.