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基于ZigBee的温室环境监测系统的设计
2014年微型机与应用第13期
黄智勇,王启志,严 丽
华侨大学 机电及自动化学院,福建 厦门
摘要: 针对现有温室环境监测系统存在的不足,设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的监测系统,通过软硬件相结合实现了温室环境数据的实时监测。硬件部分以CC2530为核心构建ZigBee无线传感器网络,包括传感器节点、汇聚节点;软件部分包括传感器节点的数据采集和发送、汇聚节点数据接收和发送、上位机监测管理3个部分。采用LabVIEW对上位机监测软件系统进行开发,人机交互界面友好。测试结果表明,该系统工作性能稳定,结构简单,布点灵活,可以实现温室内环境数据的无线监测。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 针对现有温室环境监测系统存在的不足,设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的监测系统,通过软硬件相结合实现了温室环境数据的实时监测。硬件部分以CC2530为核心构建ZigBee无线传感器网络,包括传感器节点、汇聚节点;软件部分包括传感器节点的数据采集和发送、汇聚节点数据接收和发送、上位机监测管理3个部分。采用LabVIEW对上位机监测软件系统进行开发,人机交互界面友好。测试结果表明,该系统工作性能稳定,结构简单,布点灵活,可以实现温室内环境数据的无线监测。

  关键词: 温室环境;ZigBee;CC2530;无线传感器网络;LabVIEW

  近年来,随着我国农业科技的发展,以温室种植技术为代表的现代化农业得到了广泛的推广与应用,而温室内的温湿度、光照强度以及二氧化碳含量等环境因子直接影响农作物的生长。因此,对温室环境进行实时监测是非常重要的,可以有效、准确地了解当前农作物生长状况,并及时采取措施调控温室环境,使温室环境达到最佳状态[1]。

  目前我国温室环境监测主要基于有线方式,其存在布线复杂、抗干扰能力差、投资成本高和安装维护的难度大等缺陷。随着无线通信技术的发展,ZigBee无线网络以其近距离、低成本、低速率、低功耗、短时延、高可靠性等特点,在农业温室中得到了广泛的应用[2-4]。本文设计的温室环境监测引入ZigBee无线通信技术,其不但可以降低系统成本和功耗,而且提高了监测网络的可扩展性,减少设备维护成本,使整个监测系统得到有效的优化。系统采用CC2530芯片为核心设计汇聚节点和传感器节点,系统根据传感器节点釆集温室环境参数,利用ZigBee无线网络将传感器釆集的数据信息发送至汇聚节点,汇聚节点通过RS-232串口上传到监测中心进行信息的存储、显示和查询,同时监测中心可向传感器节点发出控制指令进行环境参数的采集。

  1系统总体结构

  根据温室环境的应用需求,温室环境监测系统由ZigBee无线传感器网络和上位机监测中心两部分组成。无线传感器网络由分布在温室中的ZigBee节点组成,包括传感器节点和汇聚节点,其网络的拓扑结构采用星型网络;上位机监测中心由一台PC充当。系统总体结构如图1所示。

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  在温室环境监测网络中,传感器节点采用简化功能设备RFD,可以与汇聚节点进行通信,主要配置一些温度、湿度、光照强度等类型的传感器,负责采集温室内的环境参数,并将釆集到的数据以无线的方式传递到汇聚节点;汇聚节点采用全功能设备FFD,主要负责网络的建立与维护,接收传感器节点发送的数据,并通过串口RS-232将数据传送到上位机监测中心,同时发布监测中心的指令;上位机监测中心利用LabVIEW软件编写,主要负责数据的接收、显示和存储,用户通过监测中心能够实时了解到监测区域内环境变化,并据此实时制定相关调控方案。

  2 系统硬件设计

  2.1 传感器节点的硬件设计

  传感器节点主要负责环境数据的采集、预处理和无线传输,按照模块化的设计思想,主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、电源管理模块组成。传感器节点的硬件结构框图如图2所示。

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  处理器模块和无线通信模块采用TI公司的CC2530芯片[5],其片上集成了IEEE802.15.4标准2.4 GHz频段的RF收发器和高性能低功耗的8051微处理器。CC2530芯片与外围模块功能实现包括:(1)通过A/D转换接口控制传感器模块釆集温室环境参数因子;(2)控制无线通信模块实现物理数据的接收与发送;(3)通过串口RS-232实现汇聚节点与监测中心的通信。

  温湿度传感器采用瑞士Sensirion公司的STH11芯片,其具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点且采用数字信号输出[6]。SHT11和处理器通信采用串行二线接口SCK和DATA,其中时钟线SCK用于微处理器与SHT11之间通信同步,DATA是双向串行通信线,负责传送数据,同时DATA数据线需要外接上拉电阻。CO2传感器采用T6004芯片,光照强度传感器采用BH1750芯片,它们均是采用数字信号输出,提供了简单的接口电路。

  考虑到传感器节点实际工作环境,节点的电源模块采用3节干电池供电,在设计时应重点考虑节点功耗问题。

  2.2 汇聚节点的硬件设计

  汇聚节点同样以TI公司的CC2530芯片为核心,在接口上增加了与上位机通信的RS-232电平转换电路,在CC2530芯片中有USART0与USART1两个通信串口,RS232电平转换电路采用MAX232芯片。汇聚节点硬件结构框图如图3所示。

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  考虑到汇聚节点与上位机相连,因此电源管理模块采用市电供能,市电220 V通过电源适配器转换成5 V直流供电,再通过AS1117-3.3线性稳压芯片将5 V电压降至3.3 V工作电压,满足CC2530芯片所需的3.3 V供电需求。电压转换电路如图4所示。

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  3 系统软件设计

  3.1 传感器节点的软件设计

  传感器节点的主要任务是负责温室环境数据的采集,并把数据封装成一定的数据包格式发送至汇聚节点(协调器节点)。节点上电后,首先进行CC2430硬件的初始化和ZigBee协议栈的初始化,并完成相关参数及工作模式的设置;然后申请加入网络,一旦加入网络成功,就进入时间轮询模式。为了降低节点功耗,本设计釆用休眠—唤醒的工作机制,只有在定时时间到时,节点被唤醒并转入工作模式,完成数据的采集与无线发送。传感器节点工作流程如图5所示。

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  3.2 汇聚节点的软件设计

  汇聚节点主要负责整个ZigBee网络的建立和维护、允许传感器节点的网络加入以及数据的处理,并通过串口RS-232将数据传送至上位机。具体过程为:汇聚节点上电后,首先进行CC2430硬件和ZigBee协议栈的初始化;然后进行信道搜索,建立网络,允许节点的入网申请并为其分配地址;接着接收节点上传的数据,并通过串口将数据传送给上位机。同时,汇聚节点也负责接收上位机的相关指令,并传送至相关的传感器节点。汇聚节点流程图如图6所示。

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  3.3 上位机监测中心的软件设计

  监测中心软件系统采用LabVIEW进行开发,LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发平台。人机接口采用图标创建,很容易建立友好的人机交互界面,具有编程简便等特点。监测中心软件主要包含:数据显示模块、串口通信模块以及数据库访问模块。通过该软件实现温室内节点采集到的环境数据因子的存储、显示、分析和查询等功能,实现对温室环境的监测管理。

  4 测试与结果分析

  通过上位机监测界面,很容易将数据简单易懂地呈现出来。以温湿度为例来测试系统能否正常工作以及系统的性能是否达到温室监测的需求,通过标准温湿度计与SHT10温湿度传感器比较测量结果,从早上8:00-15:00每隔1小时采集温室环境的温度与湿度,测量数据对比如表1所示。

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  测量的结果表明:监测系统所采集的数据与温湿度计所测的数据存在一定的误差,其中温度误差不超过 0.5℃,湿度误差不超过1%RH,整体误差较小,在允许范围之内。同时,表1说明采集的数据已经通过ZigBee无线传感器网络发送出去,且整个无线网络数据传输稳定可靠。

  本设计将基于ZigBee的无线传感器网络技术应用于农业温室的环境监测中,改变了传统有线监测的方式。设计了星状的无线传感器监测网络,对温室环境因子进行采集;完成了节点硬件设计和软件设计,设计了基于LabVIEW的上位机监测管理模块,实现数据显示和存储功能,使整个网络监测可视化。测试结果表明,该系统节点布置灵活、工作稳定、扩展性强,能有效地对温室中环境因子进行监测。

  参考文献

  [1] 张兴伟.基于WSN的温室环境监测系统研究与设计[D].太原:郑州大学,2013.

  [2] 陈晓燕,庞涛.基于ZigBee网络的温室节水灌溉系统设计[J].传感器与微系统,2013(5):82-85.

  [3] 苗连强,胡会萍.基于ZigBee技术的温室环境远程监测系统设计[J].仪表技术与传感器,2010(10):108-110.

  [4] 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.

  [5] 李新慧,俞阿龙,潘苗.基于CC2530的水产养殖监控系统的设计[J].传感器与微系统,2013(4):85-88.

  [6] 陈子龙,张红雨,李俊斌.CC2540和SHT11的无线温湿度采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统的应用,2013(4):41-44.